瀕危特色物種信息監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

懷化學院電氣與信息工程學院 吳 昊 蔡 翔 楊佳溈 石洋銘 吳兆豐 羅賢林 黃利軍

針對目前在復(fù)雜環(huán)境中生長的瀕危物種，采用傳統(tǒng)人工管理方式無法對其進行精細化管理，且GPS移動通信基站在地形復(fù)雜的情況下很難實施有效的監(jiān)測與防護，為此設(shè)計了一款利用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)設(shè)計了一款瀕危物種監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對山區(qū)不同海拔和區(qū)域的瀕危特色物種環(huán)境條件監(jiān)測，并實時將其回傳到監(jiān)控中心實施報警，引導工作人員采取有效措施進行防護，從而達到“山青水秀”的綠色生態(tài)環(huán)境。

長久以來，由于物種生存的環(huán)境問題而導致其野生種群和大部分的珍稀瀕危物種資源呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢。因此，保護瀕危特色物種生長環(huán)境迫在眉睫。

以武陵山為例，武陵山地區(qū)位于N27°28′～30°5′和E107°2′～111°35′，本片區(qū)地形復(fù)雜，海拔高度90m-2949m，高山聳立，氣候溫和，生態(tài)環(huán)境復(fù)雜多樣，武陵山地區(qū)分布的一級保護植物有紅豆杉、紅肉獼猴桃、珙桐、細葉石斛、梵凈山冷杉等16種，至于名錄中的國家二級保護植物則有長果秤錘樹、長瓣短柱茶、傘花木等8種，三級保護植物有黃連等8種，但由于人工管理的困難以及GPS通信對安裝基站的不便。為克服該問題，本方案設(shè)計了基于北斗通信的終端監(jiān)測管理系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)它具有快速三維定位、雙向簡短報文通信和精密授時三大基本功能。該系統(tǒng)是基于“三球交會”原理進行定位，覆蓋范圍為東經(jīng)70°～145°，北緯5°～55°，在中國全境范圍內(nèi)具有良好的導航定位可用性?？梢钥焖?、高精度定位不同海拔、不同瀕危特色物種的地理位置，做到實時監(jiān)控、實時反饋信息。這也使物種信息更易于管理，并真正實現(xiàn)了人工智能與瀕危物種之間的交互。

1 系統(tǒng)設(shè)計

整個設(shè)計的總體框圖如圖1所示。其中包含MCU、土地熵采集模塊、信息傳輸模塊、終端、電源模塊組成。

圖1 系統(tǒng)框圖

土地熵采集模塊：PH值傳感器主要負責實時采集物種生長的土壤的PH值，溫度傳感器主要負責采集土壤的溫度，然后數(shù)據(jù)進入MCU中進行處理，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

信息傳輸模塊：溫濕度傳感器實時測量空氣中的溫濕度，PH值、溫度的數(shù)據(jù)傳輸?shù)組CU中，北斗模塊是整個監(jiān)測系統(tǒng)的“外交官”，負責將數(shù)據(jù)打包再通過短信發(fā)送出去。

終端：將手機所接收的有關(guān)節(jié)點環(huán)境的信息短信進行解析，并傳輸至監(jiān)控中心；之后，在后臺監(jiān)控中的網(wǎng)頁版地圖進行顯示，實現(xiàn)監(jiān)測此節(jié)點的地理位置與周邊環(huán)境信息，并進行標記。

2 硬件設(shè)計

硬件部分由信息傳輸模塊和土地熵采集模塊兩部分所組成。其系統(tǒng)硬件組成的總體框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件組成的總體框圖

2.1 土地熵采集模塊

土地熵采集模塊包括STM32主控模塊、E-201CPH復(fù)合電極、DS18B20模塊。DS18B20模塊實時檢測土壤中的溫度，通過STM32單片機處理后將數(shù)據(jù)打包。因為E-201CPH復(fù)合電極擁有對不同溶液的不同電壓值，所以采用STM32單片機運用ADC0832芯片對土地的PH值進行AD采樣的方法從而進行測量。然后STM32單片機進行數(shù)據(jù)處理、打包。PH值A(chǔ)D采樣電路圖如圖3所示。

圖3 PH值A(chǔ)D采樣電路圖

2.2 信息傳輸模塊

該模塊包括STM32主控模塊、SIM868北斗/GPS雙模定位芯片、DHT11模塊。DHT11數(shù)字溫度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它可以檢測空氣中的溫濕度，采集數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)送達到主控芯片STM32進行處理，STM32處理完畢后將采集數(shù)據(jù)的結(jié)果顯示在顯示屏上。選用的SIM868模塊，是一種支持全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）、北斗和格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GLONASS，GLO）三大定位系統(tǒng)。高度集成全球移動通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communication，GSM）、通用分組無線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service，GPRS）、GPS、藍牙于一體，實現(xiàn)低功耗語音、短信、GPRS數(shù)據(jù)傳輸、藍牙數(shù)據(jù)傳輸和GPS定位。同時，為保證SIM868模塊無線信號有效傳輸，北斗采用有源天線設(shè)計，GPRS、藍牙天線PCB電路均采用阻抗匹配設(shè)計。通過SIM868模塊獲取定位和海拔高度等信息后，再將土地熵采集模塊測量的PH值和土壤溫度值一起通過SIM868模塊的短信方式發(fā)送至后臺。

3 軟件設(shè)計

信息傳輸主程序流程如圖4所示，該程序主要用于將采集的空氣中的溫濕度、土壤的PH值、溫度以及定位信息等數(shù)據(jù)打包發(fā)送給用戶。主流程為對外部設(shè)備進行初始化、等待網(wǎng)絡(luò)注冊、網(wǎng)絡(luò)注冊后、接收SIM868模塊采集的位置數(shù)據(jù)進行解析，然后將SIM傳輸?shù)臏貪穸?、PH值，位置信息等數(shù)據(jù)一起打包發(fā)送到用戶。

圖4 信息傳輸模塊主程序

4 產(chǎn)品測試

該產(chǎn)品于2021年3月開始在武陵山地區(qū)一棵傘花木上中使用該系統(tǒng)進行了為期一周的性能測試。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)成功利用北斗定位導航系統(tǒng)集成了地理位置信息（經(jīng)度，緯度）。來自采集點的空氣溫度，濕度，PH值和其他信息將傳輸?shù)奖尘安@示在顯示模塊上。

經(jīng)過測試，該系統(tǒng)可以成功收集和傳輸信息，例如空氣溫度和濕度，PH值，土壤溫度和物種的地理位置。測試收集的數(shù)據(jù)與當天的實際數(shù)據(jù)基本一致，并且該數(shù)據(jù)具有極高的準確性。測試期間采集的數(shù)據(jù)已繪制成柱狀圖如圖5所示。

圖5 采集點環(huán)境指數(shù)柱狀

為了能夠及時的對瀕危物種生長情況進行保護，該系統(tǒng)結(jié)合監(jiān)測節(jié)點的動態(tài)監(jiān)測信息、監(jiān)測中心及網(wǎng)頁地圖顯示的完整數(shù)據(jù)，提前在監(jiān)測點進行地圖建模、信息解析以便做出及時的處理。如當某處節(jié)點的數(shù)據(jù)產(chǎn)生異常，后臺監(jiān)控中的網(wǎng)頁版地圖將進行顯示，實現(xiàn)監(jiān)測此節(jié)點的地理位置與周邊環(huán)境信息，并進行標記如圖6(A)所示；將手機接收到的節(jié)點環(huán)境信息短信進行解析，傳輸至監(jiān)控中心如圖6(B)所示；后臺人員將會利用北斗導航，規(guī)劃出從起點到節(jié)點所在的終點最優(yōu)路徑如圖6(C)所示，引導工作人員采取有效措施進行防護。

圖6 后臺標記圖

本文開發(fā)并實現(xiàn)了瀕危特色物種監(jiān)控系統(tǒng)。旨在提供有關(guān)瀕危物種生長的準確和最新的生態(tài)信息，并為滿足信息化和情報需求的科學研究提供全面的參考資料。為了提高接收到的感知數(shù)據(jù)的準確性，感知數(shù)據(jù)是通過在發(fā)送之前組合數(shù)據(jù)來處理的。測試了系統(tǒng)的遠程監(jiān)控功能，并測試了所收集結(jié)果的準確性。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可正常且穩(wěn)定地工作，并且能夠可靠地實時發(fā)送數(shù)據(jù)。通過服務(wù)器發(fā)布到物聯(lián)網(wǎng)上，不僅可以隨時隨地追蹤影響瀕危物種的環(huán)境參數(shù)，而且可以共享瀕危物種的信息資源，為將來在瀕危領(lǐng)域研究和研究物種生態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)知識，奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。