活立木生物電及其環(huán)境因子遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐 慶，闞江明，郝志斌

(北京林業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

活立木生物電是指在活立木的韌皮部、木質(zhì)部等部分與其附近土壤之間存在的持續(xù)、穩(wěn)定、微小的電勢(shì)差或微電流[1]。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，Voltree公司從2005年起便開(kāi)始使用樹(shù)力電路[2]。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種用于環(huán)境信息采集與監(jiān)測(cè)的信息技術(shù)，并且在農(nóng)林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)中開(kāi)始研究與應(yīng)用[3]。因?yàn)闊o(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般不用市電供電，其供電問(wèn)題一直是一個(gè)沒(méi)有很好解決的關(guān)鍵問(wèn)題。由于目前主要采用電池供電，定期更換電池是一個(gè)非常麻煩的工作[4]。目前研究中涉及的太陽(yáng)能、光能、風(fēng)能、振動(dòng)能、壓電能、電磁波能和熱能等環(huán)境能在森林環(huán)境中都不太適用[5]。由于活立木生物電勢(shì)差普遍存在且連續(xù)，若采用一定的微能量收集技術(shù)將它收集起來(lái)，便可以對(duì)林區(qū)低功耗無(wú)線(xiàn)通訊設(shè)備進(jìn)行供電，進(jìn)一步促進(jìn)森林信息監(jiān)測(cè)[6]。但是對(duì)于這種電信號(hào)產(chǎn)生的機(jī)理，至今尚未得到一個(gè)清楚的定論。早先科學(xué)家們認(rèn)為是由于“流動(dòng)電位”原理而產(chǎn)生的，即在根壓和蒸騰作用的共同影響下，樹(shù)液在樹(shù)木內(nèi)部流動(dòng)而產(chǎn)生的電勢(shì)差，并且這種電勢(shì)差會(huì)受到環(huán)境的影響[7-8]。然而麻省理工學(xué)院生物物理學(xué)家兼Voltree公司科學(xué)顧問(wèn)Andreas Mershin等則認(rèn)為，產(chǎn)生這種電勢(shì)差的原因可能是由于活立木內(nèi)部液流與周?chē)寥乐g的酸堿度(pH值)差造成的，并通過(guò)盆栽的垂葉榕實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)酸堿度的改變確實(shí)影響這種電勢(shì)差，研究還發(fā)現(xiàn)樹(shù)木與其周?chē)耐寥乐g的PH值差異可以產(chǎn)生幾十到幾百毫伏的電勢(shì)差[9-10]。北京林業(yè)大學(xué)的李文彬教授對(duì)其校園內(nèi)的楊樹(shù)、懸鈴木、側(cè)柏和杜仲樹(shù)與其周?chē)寥乐g存在的生物電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)電勢(shì)差的范圍在-57～553 mV之間，電流在12～38 μA之間。不同樹(shù)種與其周?chē)寥乐g的生物電信號(hào)不相同，且與季節(jié)、土壤等環(huán)境因素有關(guān)。他所采用的測(cè)量方法是：將金屬探針打入活立木樹(shù)干中，在附近土壤30 cm深處埋入金屬電極，在探針和電極之間連接一個(gè)2MΩ的電阻，通過(guò)萬(wàn)用表測(cè)得電阻兩端的電壓值，便得到了活立木生物電信號(hào)的電壓值。

但若需探明活立木生物電產(chǎn)生的機(jī)理，分析出它與環(huán)境因子之間的關(guān)系，需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)測(cè)量。而人工測(cè)量的方法，在測(cè)量效率和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性等方面存在不足，因此需要設(shè)計(jì)一套活立木生物電及其環(huán)境因子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)活立木生物電及周?chē)h(huán)境因子的大小，并將采集到的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至計(jì)算機(jī)上。

本文介紹了一種活立木生物電及其環(huán)境因子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由基于MSP430F149單片機(jī)的下位機(jī)系統(tǒng)和基于VB6.0的上位機(jī)系統(tǒng)組成，它們之間通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。活立木生物電弱信號(hào)通過(guò)放大電路經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入至單片機(jī)，其他環(huán)境因子通過(guò)各類(lèi)傳感器輸入至單片機(jī)中。單片機(jī)將數(shù)據(jù)暫時(shí)存放在ROM中，一段時(shí)間后，通過(guò)GPRS模塊將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至指定IP的上位機(jī)。上位機(jī)通過(guò)基于VB6.0編寫(xiě)的軟件程序?qū)崟r(shí)接收下位機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)，利用Socket控件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，利用ADO控件實(shí)現(xiàn)與Access 2003數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接，并將數(shù)據(jù)存入Access數(shù)據(jù)庫(kù)中。同時(shí)軟件還可以完成歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)、篩選，對(duì)指定數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線(xiàn)繪制，完成數(shù)據(jù)分析。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由下位機(jī)系統(tǒng)、GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、上位機(jī)服務(wù)器以及上位機(jī)軟件組成。下位機(jī)系統(tǒng)由MSP430F149單片機(jī)、生物電弱信號(hào)放大電路以及各傳感器組成，主要用于采集活立木生物電電壓大小以及活立木周?chē)h(huán)境因子；GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的主要任務(wù)是將下位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)服務(wù)器；上位機(jī)服務(wù)器為一臺(tái)有固定IP地址的PC機(jī)，用來(lái)接收通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的數(shù)據(jù)；上位機(jī)軟件將服務(wù)器接收的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，并完成數(shù)據(jù)的顯示和初步分析。系統(tǒng)的整體組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體組成

2 下位機(jī)系統(tǒng)

下位機(jī)系統(tǒng)以單片機(jī)MSP430F149為控制核心，結(jié)合多種傳感器，用于采集活立木與附近土壤之間的電勢(shì)差、活立木附近的空氣溫濕度、土壤溫濕度及光照強(qiáng)度等環(huán)境因素，并通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器。硬件系統(tǒng)包含單片機(jī)模塊、傳感器及其接口模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和電源模塊。單片機(jī)模塊包括單片機(jī)MSP430F149及其外圍電路，作為系統(tǒng)的控制單元，控制系統(tǒng)其它模塊正常運(yùn)行，圖2為單片機(jī)系統(tǒng)原理圖；傳感器及其接口模塊包括部分傳感器及其它傳感器接口，可采集相應(yīng)參數(shù)信息，并由單片機(jī)讀取和存儲(chǔ)；無(wú)線(xiàn)通信模塊包括GSM/GPRS模塊GTM900C及其外圍電路、SIM卡電路，可在單片機(jī)控制下將數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器；電源模塊包括LM2576-ADJ及其外圍電路、MIC5219-3.3及其外圍電路、ICL7660及其外圍電路，分別為系統(tǒng)提供4.2、3.3和-4.2 V電壓。下位機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

下位機(jī)系統(tǒng)具有多種信號(hào)采集功能，可同時(shí)用于采集活立木與大地之間的電勢(shì)差、活立木附近的空氣溫濕度、土壤溫濕度及光照強(qiáng)度；電勢(shì)差的測(cè)量量程可調(diào)節(jié)；選用低功耗單片機(jī)MSP430F149作為控制核心，通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序控制周期性工作；采用分區(qū)供電方式，部分電路可在不需要工作時(shí)停止供電；可通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，可靠便捷；提供多種傳感器接口和數(shù)字通信接口，功能擴(kuò)展性強(qiáng)。

3 GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

系統(tǒng)采用GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)募~帶，通過(guò)RS-232連接下位機(jī)系統(tǒng)中的MSP430F149單片機(jī)。GPRS以封包(Packet)式來(lái)傳輸，和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌?，理論上使用者?yīng)負(fù)擔(dān)的費(fèi)用依據(jù)傳輸資料單位計(jì)算，并不是使用其整個(gè)頻道，所以?xún)r(jià)格較為便宜[11]。使用GPRS傳輸速率可提升至56 甚至114 kbps 以上，而且省去了現(xiàn)行無(wú)線(xiàn)應(yīng)用所需要的中介轉(zhuǎn)換器[12]，因此連接和傳輸都會(huì)更方便容易。系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息傳輸過(guò)程如圖4所示。

圖2 單片機(jī)系統(tǒng)原理圖

圖3 下位機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息傳輸

4 上位機(jī)服務(wù)器及軟件

4.1 Winsock控件

上位機(jī)服務(wù)器是具有Internet接入能力的PC機(jī)，它配置固定的IP地址，與GPRS網(wǎng)絡(luò)相連。下位機(jī)系統(tǒng)上電啟動(dòng)成功后，會(huì)在驅(qū)動(dòng)程序的控制下，自動(dòng)連接上指定IP地址的上位機(jī)服務(wù)器。系統(tǒng)正常工作時(shí)，服務(wù)器主要應(yīng)用Winsock控件來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收，利用該控件可以與下位機(jī)的GPRS模塊建立連接，通過(guò)TCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。一旦服務(wù)器端接受了下位機(jī)客戶(hù)機(jī)端方面的連接請(qǐng)求，下位機(jī)便可以發(fā)送數(shù)據(jù)。此時(shí)，在下位機(jī)和服務(wù)器之間就擁有了一個(gè)Socket，通過(guò)此Socket實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[13]。

4.2 ADO控件

上位機(jī)軟件采用可視化人機(jī)界面將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，通過(guò)ADO訪(fǎng)問(wèn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，將采集到的數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫(kù)中，當(dāng)需要查看的時(shí)候，根據(jù)用戶(hù)需要，通過(guò)表格或者動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)圖的形式顯示出來(lái)。也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史數(shù)據(jù)按照測(cè)量時(shí)間、測(cè)量地點(diǎn)、活立木樹(shù)種等條件進(jìn)行篩選查詢(xún)。

4.3 數(shù)據(jù)庫(kù)

本系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)Microsoft Access 2003創(chuàng)建，用來(lái)存放、維護(hù)和檢索系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)。在本數(shù)據(jù)庫(kù)中共設(shè)計(jì)了三個(gè)表，分別為“生物電與因子”、“位置樹(shù)種”、“用戶(hù)管理”。“生物電與因子”表用來(lái)直接存放下位機(jī)實(shí)時(shí)傳來(lái)的數(shù)據(jù)，由“Data Num”、“Date”、“Time”、“Node Address”、“Vbat”、“Close V1”、“Close V2”、“Air Temperature”、“Air Humidity”、“Soil Temperature”、“Soil Moisture”、“Light Intensity”12個(gè)字段組成，“Node Address”為主碼?！拔恢脴?shù)種”表用來(lái)存放不同編號(hào)的活立木所處的地點(diǎn)以及樹(shù)種名稱(chēng)，由“Node Address”、“Location”、“Type”3個(gè)字段組成，同樣地，“Node Address”為主碼?！坝脩?hù)管理”表主要用來(lái)記錄可以正常登錄系統(tǒng)的用戶(hù)名及密碼。

4.4 上位機(jī)軟件程序流程

當(dāng)系統(tǒng)通過(guò)Winsock控件與下位機(jī)系統(tǒng)、通過(guò)ADO控件與數(shù)據(jù)庫(kù)連接成功后，用戶(hù)可利用具有可視化人機(jī)界面的上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢(xún)、分析。軟件的程序流程圖如圖5所示。

圖5 上位機(jī)軟件程序流程圖

4.5 上位機(jī)軟件界面設(shè)計(jì)

軟件界面由歡迎界面、登錄界面、主界面、數(shù)據(jù)篩選查詢(xún)界面、數(shù)據(jù)曲線(xiàn)界面組成。打開(kāi)軟件程序后，歡迎界面提示用戶(hù)系統(tǒng)的名稱(chēng)。用戶(hù)點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵后，軟件載入登錄界面，用戶(hù)正確輸入用戶(hù)名和密碼后進(jìn)入系統(tǒng)主界面。在主界面中，用戶(hù)可根據(jù)需要選擇“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)”進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查看；選擇“數(shù)據(jù)查詢(xún)”對(duì)歷史數(shù)據(jù)按條件進(jìn)行篩選查詢(xún)；選擇“數(shù)據(jù)分析”把歷史數(shù)據(jù)繪制成動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)，進(jìn)行分析；選擇“退出系統(tǒng)”關(guān)閉軟件程序。系統(tǒng)主界面截圖如圖6所示。

圖6 上位機(jī)軟件主界面

4.6 歷史數(shù)據(jù)顯示

在“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)”界面中主要采用DataGrid控件和Adodc控件。Adodc控件的相關(guān)屬性配置如下：CommandType選擇2-adCmdTab.le；ConnectedString屬性在通用界面中選擇“使用連接字符串”，在“生成”選項(xiàng)的“連接”子菜單中按路徑選擇要連接的數(shù)據(jù)庫(kù)data.mdb；RecordSource屬性選擇將要連接的表“生物電與因子”[14]。而對(duì)于DataGrid控件，只需將它的DataSource屬性選擇Adodc1。在窗體載入的時(shí)候，利用Adodc1.Recordset.Update命令，便可以刷新DataGrid控件上的數(shù)據(jù)，完成歷史數(shù)據(jù)在表格中的顯示。

4.7 數(shù)據(jù)篩選查詢(xún)

用戶(hù)可根據(jù)需要，對(duì)歷史數(shù)據(jù)按照一定條件進(jìn)行查詢(xún)。在本系統(tǒng)中，可以單一條件查詢(xún)，也可以多條件查詢(xún)。查詢(xún)界面如圖7所示。在程序中，通過(guò)SQL語(yǔ)言中的SELECT語(yǔ)句完成數(shù)據(jù)篩選。例如，選擇某一編號(hào)的活立木在都以日期下的數(shù)據(jù)，程序代碼如下：sql="select * from 生物電與因子 where Node Address like '%" & Trim(Text1.Text & " ")& "%' and Date like '%" & Trim(Text2.Text & " ")& "%'"；選擇某一樹(shù)種在某一位置下的數(shù)據(jù)，程序代碼如下：sql="select * from 生物電與因子 where Node Address in(select Node Address from 位置樹(shù)種 where Type like '%" & Trim(Combo2.Text & " ")& "%')and Date like '%" & Trim(Text2.Text & " ")& "%'"。

圖7 數(shù)據(jù)查詢(xún)界面

4.8 數(shù)據(jù)曲線(xiàn)繪制

為了方便用戶(hù)更加直觀地分析采集到的數(shù)據(jù)，軟件具有根據(jù)歷史數(shù)據(jù)繪制成曲線(xiàn)的功能。在窗體上采用Chart控件完成曲線(xiàn)的繪制，采用PixtureBox控件實(shí)現(xiàn)曲線(xiàn)的顯示[15]。在程序中，將數(shù)據(jù)庫(kù)中將要繪制的數(shù)據(jù)存到數(shù)組Array(i)中；數(shù)組中數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)賦給Chart1.Rows，即圖象橫坐標(biāo)長(zhǎng)度；圖像縱坐標(biāo)的上、下界分別為Chart1.MaxValue、Chart1.MinValue。在窗體加載時(shí)，采用RefreshGraph方法完成圖象的更新和顯示。圖8為系統(tǒng)2013年12月21日在北京林業(yè)大學(xué)校園內(nèi)所測(cè)得的一組活立木生物電與空氣溫度和土壤溫度數(shù)據(jù)，繪制出的它們之間的關(guān)系曲線(xiàn)圖。

圖8 數(shù)據(jù)曲線(xiàn)圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從下位機(jī)采集系統(tǒng)、GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三個(gè)方面，介紹了活立木生物電及其環(huán)境因子實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在這個(gè)系統(tǒng)中，活立木生物電與周?chē)h(huán)境因子為測(cè)量對(duì)象，通過(guò)弱信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn)換、傳感器接口等方法，將測(cè)量數(shù)據(jù)讀入并暫時(shí)儲(chǔ)存至MSP430F149單片機(jī)中。再通過(guò)GPRS模塊，將ROM中保存的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至服務(wù)器PC機(jī)端，進(jìn)而得到大量的活立木生物電與周?chē)h(huán)境因子數(shù)據(jù)。通過(guò)設(shè)計(jì)好的上位機(jī)軟件，可將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)、篩選、曲線(xiàn)繪制等，進(jìn)而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢后，通過(guò)在北京林業(yè)大學(xué)校園內(nèi)對(duì)美桐樹(shù)進(jìn)行實(shí)地測(cè)試。通過(guò)比較傳輸至PC機(jī)端的數(shù)據(jù)和實(shí)地測(cè)量的數(shù)據(jù)，誤差較小，系統(tǒng)整體運(yùn)行良好，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。該系統(tǒng)可直接運(yùn)用于后期的深入研究中去，對(duì)于進(jìn)一步地分析、研究活立木生物電具有重要意義。

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