樹徑及其環(huán)境信息遠程動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究

張百杰，李文彬，王 虓，郝志斌

（北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

國內(nèi)外、尤其是國內(nèi)關(guān)于樹木的生長規(guī)律特別是日變化、月變化等研究較少，這在一定程度上受到了測量精度和數(shù)據(jù)采集頻率的影響。現(xiàn)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)正成為一種趨勢，尤其是低功耗的無線傳感器節(jié)點由于其功耗低、成本低、體積小、精度高等特點使得其成為遠程數(shù)據(jù)采集的主流。但是目前將樹徑測量傳感器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的研究還很少，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在溫室大棚和林火監(jiān)測上面的研究較為成熟[1-4]。筆者研究一種將立木胸徑傳感器和低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點相結(jié)合的系統(tǒng)，并且自行設(shè)計了太陽能供電模塊，保證系統(tǒng)節(jié)點的供電。該系統(tǒng)定時對樹木胸徑的信息、林地溫度、濕度以及煙霧傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鞯刃畔⑦M行采集，并經(jīng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點上傳到服務(wù)器，通過訪問服務(wù)器對林地環(huán)境和樹木胸徑生長的信息進行實時遠程監(jiān)測，同時進行火災(zāi)遠程動態(tài)監(jiān)測和預(yù)警預(yù)報，對減少森林災(zāi)害具有重要意義。采集的數(shù)據(jù)建立的數(shù)據(jù)庫，可為樹木生長與環(huán)境因子之間的關(guān)系研究提供參考。

1 系統(tǒng)的組成

該系統(tǒng)主要由樹徑傳感器、煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌⒆贤鈧鞲衅鳌o線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（即普通傳感器節(jié)點）、協(xié)調(diào)器節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點、太陽能供電系統(tǒng)組成。普通傳感器節(jié)點與上述各傳感器連接，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過協(xié)調(diào)器節(jié)點向網(wǎng)關(guān)節(jié)點傳送，最后通過服務(wù)器進行實時監(jiān)測。其中，太陽能供電系統(tǒng)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電。具體可參見圖4。

1.1 立木胸徑測量傳感器及測量原理

系統(tǒng)以低碳環(huán)保為目標，故對于傳感器的要求是低功耗，反應(yīng)靈敏、適合激勵電壓采集，精度高，經(jīng)過綜合考慮選擇德國ECOMATIC公司的DC2樹徑生長量測量傳感器[5-12]。

德國ECOMATIC公司的DC2樹徑生長量測量傳感器，是基于直線位移檢測原理，將樹木胸徑的變化通過固定長度的不銹鋼剛性圍繩（溫度系數(shù)<1.4×10-6/K）反映到傳感器的電阻變化上，具體見圖1和圖2。該傳感器由于是電阻式的傳感器，對于輸入電壓要求小；靈敏度高，響應(yīng)快，可以使用激勵電壓進行數(shù)據(jù)采集，大大地降低了采集節(jié)點的功耗。傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)學(xué)模型公式（1）轉(zhuǎn)化為周長變化，進而計算出直徑變化量。數(shù)學(xué)模型公式如下：

其中Ci為測定時樹木的周長值，R0為初始標定的半徑，V0為初始的傳感器壓縮量，式中的數(shù)值102為傳感器自身長度參數(shù)，即彈簧處于自然狀態(tài)時候測頭端到樹干的距離。在計算時候?qū)i近似于Ri－1，通過數(shù)列的推導(dǎo)最后得出上面公式。計算的核心部分是剛性圍繩的長度為定值（即圖1中虛線長度減去其兩切線之間圓弧的長度值和實線長度減去其切線中間圓弧長度值相等），整個計算和推導(dǎo)過程圍繞該核心部分進行。該樹徑傳感器不需要外部電源供電，工作溫度范圍較廣，耐低溫和高溫，傳感器的溫度系數(shù)根據(jù)測量電路可以達到<0.1 μm/k。量程為15 mm，通過重新標定可以無限調(diào)大；質(zhì)量輕，便于野外安裝，同時對樹木本身無損傷、不影響樹木生長。在安裝中，主要靠皮帶的彈性將傳感器固定在樹干上面，具體安裝圖如圖2：

圖1 數(shù)學(xué)模型原理圖

圖2 樹徑傳感器示意圖

1.2 煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅骱妥贤鈧鞲衅?/h3>

煙霧傳感器選擇MS5100煙霧傳感器，根據(jù)森林火災(zāi)的監(jiān)測目的，采用激勵電壓供電、同時不需要預(yù)熱，經(jīng)實驗測量該傳感器可以達到系統(tǒng)要求，快速地檢測到林地的煙霧濃度；火焰?zhèn)鞲衅鞲鶕?jù)紅外輻射的原理，感知火焰，監(jiān)測林地范圍內(nèi)的火焰情況，配合煙霧傳感器對火災(zāi)進行實時地監(jiān)測和預(yù)警。紫外傳感器，可以根據(jù)檢測到紫外強度判斷天氣狀況，配合采集節(jié)點上的溫濕度傳感器的數(shù)值，為樹木的生長機理研究提供有價值的數(shù)據(jù)庫，推進樹木生長機理等基礎(chǔ)研究。

1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和采集板

該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點采用crossbow公司的IRIS節(jié)點和MDA300采集板進行數(shù)據(jù)的采集。IRIS節(jié)點由處理器XM2110和射頻芯片RF230構(gòu)成。XM2110基于一款低功耗的ATmega1281處理芯片。IRIS節(jié)點與數(shù)據(jù)采集板MDA300構(gòu)成普通無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，二者通過51針串口相連。IRIS節(jié)點工作在2.4 GHz、支持IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議，具有更廣的作用范圍，傳輸距離較以往產(chǎn)品提高3倍，并且超低功耗。

MDA300采集板上集成了溫、濕度傳感器，具有12位分辨率。內(nèi)置的溫濕度傳感器，可以檢測節(jié)點系統(tǒng)的安全同時對環(huán)境的溫濕度進行監(jiān)測和上傳數(shù)據(jù)，為樹木生長因子的分析和生長規(guī)律的研究提供可靠的數(shù)據(jù)庫。另外有2個2.5 V、1個3.3 V、1個5 V的激勵電壓口，給火焰?zhèn)鞲衅鳌鋸胶妥贤獾葌鞲衅魈峁┩獠考铍妷海ㄟ^編程控制激勵電壓的產(chǎn)生頻率和數(shù)據(jù)采集頻率，大大減少節(jié)點的能量消耗。該節(jié)點可以電源提供3.3 V供電（太陽能）也可以采用AA電池供電。

1.4 節(jié)點的太陽能供電系統(tǒng)

節(jié)點的供電系統(tǒng)主要根據(jù)太陽能充電、鋰電池供電的模式，設(shè)計了一個供電系統(tǒng)。具體見圖3。

圖3 太陽能供電系統(tǒng)圖

上圖是一個利用太陽能光電板+鋰電池+穩(wěn)壓芯片構(gòu)成不間斷的低功耗電源系統(tǒng)。太陽能光電板從光/伏轉(zhuǎn)換成微量的電能通過二極管，經(jīng)由充放電控制電路對鋰進行充電。同時也供穩(wěn)壓芯片提供電壓輸入，芯片輸出3.3 V電壓供給系統(tǒng)使用。二極管主要防止反向放電，充放電控制電路主要監(jiān)測鋰電池電壓，當鋰電池充滿時候充電電路被斷開，太陽能直接通過穩(wěn)壓芯片給節(jié)點供電；當鋰電池電壓過低時候斷開放電電路，保護電池。穩(wěn)壓芯片為超低功耗、低壓差的芯片，靜態(tài)電流<1μA。這樣的電路非常適合于低功耗的戶外設(shè)備中使用，具有環(huán)保、高效的特點。其中鋰電池選擇為3.7 V，4 000 mAh，保證了系統(tǒng)在陽光不充足或者陰天等情況下長時間供電的順利進行。

2 林地監(jiān)測試驗

該系統(tǒng)主要由普通傳感器節(jié)點經(jīng)過協(xié)調(diào)器節(jié)點向網(wǎng)關(guān)節(jié)點傳送數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點再將數(shù)據(jù)打包通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送到服務(wù)器上面，我們可以通過實時監(jiān)測界面進行查看信息，獲取信息。普通傳感器節(jié)點連接各種傳感器如樹徑傳感器、火焰?zhèn)鞲衅骱蜔熿F傳感器和紫外傳感器等，具體結(jié)構(gòu)和功能見圖4。

圖4 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能框圖

為了驗證系統(tǒng)的可靠性，在實際部署中，用了5個節(jié)點，分別為標號為0、2、3、5、7，節(jié)點通過自組網(wǎng)的方式組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)方式為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。其中0號節(jié)點連接在MIB520上作為協(xié)調(diào)節(jié)點、協(xié)調(diào)節(jié)點安裝在網(wǎng)關(guān)節(jié)點上，3和5號節(jié)點連接了樹徑傳感器（見圖5）、7號節(jié)點連接了煙霧濃度傳感器。監(jiān)控程序可以對每個節(jié)點的傳感器數(shù)據(jù)如溫度、相對濕度、煙霧濃度以及傳感器的電壓值（或者胸徑值）等參數(shù)進行實時顯示，設(shè)定溫度、焰火和煙霧預(yù)警值以及超過預(yù)警值報警。其中樹徑生長量傳感器的安裝如圖2所示安裝，將IRIS節(jié)點和MDA300采集板連接好后裝在塑料盒子里面并將天線外置，外面加上自行設(shè)計的防護盒，使節(jié)點上面的傳感器既能采集數(shù)據(jù)又能防止塵土、雨水以及昆蟲等進入。防護盒上面加太陽能采集板對節(jié)點電池充電，增加電池的壽命，保持系統(tǒng)正常運行。

圖5 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖

試驗林地為學(xué)校森工樓南側(cè)和西側(cè)林地，選取的對象為1棵加拿大楊樹和1顆英國梧桐。試驗時間為2011年3月初至今。樹徑傳感器在安裝后需要記錄原始標定值如英國梧桐的安裝初始的電壓701 mv、周長1 500 mm，加楊安裝初始電壓1 373 mv、周長970 mm。

3 試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗數(shù)據(jù)

通過網(wǎng)關(guān)可查看到實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行了分析，驗證了其可靠性。煙霧傳感器在普通的情況下一般電壓值只有10 mv以下，當有煙霧的時候該數(shù)值迅速上升至幾百毫伏，通過多次試驗驗證其靈敏性；火焰（紅外輻射）傳感器在檢測到火焰時輸出值迅速上升至1 800 mv以上，反應(yīng)時間小于半秒，煙霧傳感器配合火焰（紅外輻射）傳感器的應(yīng)用可以更好地達到森林火災(zāi)預(yù)警的目的。同時，節(jié)點上的紫外傳感器模塊用于輔助測量天氣狀況，其安裝在林地光照較好區(qū)域，一般一個林地安裝1～2個節(jié)點即可，本試驗安裝一個；陰天時候輸出為0左右，晴天電壓值150～300 mv（具體值根據(jù)實際安裝地點進行標定）。對于樹徑傳感器的測量值，通過資料查考，驗證了測量結(jié)果符合樹木在一天和一段時間直徑的變化以及外界干擾下（如林地灌溉或者下雨等）的變化規(guī)律。具體如圖6所示。

圖6 樹徑的日變化

從圖6中可以看出，該樹木直徑的生長主要集中在一天中的19∶00～次日8∶00內(nèi)，根據(jù)相關(guān)資料[13-14]解釋，這段時間空氣相對濕度較高，樹木吸收水分，細胞的含水率較高使得樹木的直徑生長較快，而10∶00～17∶00時這段時間，空氣的相對濕度迅速下降，樹木的蒸騰作用、代謝速率等原因使得細胞的含水率下降，故曲線呈現(xiàn)下降趨勢。

從圖7中可以看出，4月22后英桐和加楊的變化量都呈現(xiàn)出不同程度的迅速增大趨勢，而且數(shù)據(jù)回落不多，總趨勢是增大，而在4月22前由于溫濕度等影響，加楊和英桐的直徑變化都在零線附近，幾乎不增長。由此可以看出2011年4月下旬英桐和加楊呈現(xiàn)出開始生長的趨勢，之前由于雨水較少，細胞含水率低，故稍有下降趨勢，但是總體上是處于波動狀態(tài)，這和一天中的溫濕度有很大相關(guān)性。以上數(shù)據(jù)通過資料[15-16]的查考，證實該系統(tǒng)測量精確、可靠。由于樹木生長較慢，年徑變化量也超不過2 cm，故試驗繼續(xù)進行，其他數(shù)據(jù)和分析需要長期測量后分析。

圖7 樹徑月變化量

其他相關(guān)分析比如樹徑和溫濕度關(guān)系等曲線就不在此一一列出，溫度和濕度傳感器都經(jīng)過校準，數(shù)據(jù)十分精確。

3.2 分析

該系統(tǒng)比較穩(wěn)定，效果良好，基本達到了預(yù)期的效果。總結(jié)分析該系統(tǒng)有如下特點。

（1）樹徑生長量測量裝置中采用的傳感器是電阻傳感器，而電阻式傳感器相比于其他的電容式、容柵、光柵以及編碼器等系列傳感器具有原理簡單、無需電源供電、干擾因素少，工藝方面采用國外先進導(dǎo)電塑料和線性修刻技術(shù)，使得該傳感器的分辨率可以無限小，實際數(shù)據(jù)由采集板ADC的分辨率決定，經(jīng)過一段時間的測量，樹徑生長量測量裝置測量的數(shù)據(jù)較為精確，采集板12位的ADC分辨力可以達到7μm。

（2）傳感器的輸入可以通過采集板進行小電壓供電，并且使用激勵電壓供電，進一步大大地減少了能量的消耗，同時太陽能供電系統(tǒng)的應(yīng)用使得節(jié)點供電時間被大大地延長，達到低功耗、環(huán)保節(jié)能的目的。

（3）樹徑生長量的轉(zhuǎn)化公式中的周長計算方法是經(jīng)過嚴密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)而來，其整個公式中只有Ri=Ri-1這一處近似（由于兩次采集的時間間隔較短，樹木的直徑基本無變化），但是這種計算方式要求選定的樹干接近圓形，越接近計算的結(jié)果越精確。

（4）該系統(tǒng)采用低功耗的工作在2.4 GHz、支持IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議的IRIS節(jié)點，具有更廣的作用范圍，傳輸距離較以往產(chǎn)品提高三倍，并且具有超低功耗，相對以往產(chǎn)品休眠電流減半；并可以在應(yīng)用程序的中修改節(jié)點采樣頻率，也可以通過MoteWorks自帶軟件MoteConfig限制節(jié)點的發(fā)射功率；同時由于系統(tǒng)增加了太陽能電池板的使用，從而給系統(tǒng)帶來更長的電池壽命。

（5）同比于其他樹徑測量裝置，該裝置對樹木無任何損傷，不影響樹木的正常生長。

該系統(tǒng)雖然各方面性能良好，但是由于系統(tǒng)比較復(fù)雜，煙霧傳感器和紅外傳感器需要外接，接線比較多，不利于長期使用，需做進一步改進。

4 結(jié)論

將樹徑傳感裝置、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及太陽能供電系統(tǒng)有機地結(jié)合起來，建立了一個使用便捷、精度高、節(jié)能環(huán)保的監(jiān)測系統(tǒng)。通過實際應(yīng)用得出以下結(jié)論。

（1）此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在樹徑及其環(huán)境信息實時監(jiān)測系統(tǒng)上是可靠的，特別是對人工林地或者試驗林地環(huán)境中，進行樹徑和林地環(huán)境數(shù)據(jù)采集以及林地防火預(yù)警工作提供了一個確實可靠的系統(tǒng)和工具，向數(shù)字化林業(yè)邁進了一大步。

（2）該系統(tǒng)中樹徑傳感器精度高、反應(yīng)靈敏、體積小，可以最大地實現(xiàn)測量的精確度。

（3）該系統(tǒng)可以為樹木生長機理以及生長因子相關(guān)關(guān)系的研究提供可靠的數(shù)據(jù)庫。

（4）該網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、可靠，繞過障礙物傳輸能力強，節(jié)點林間傳輸距離大于100 m，對于試驗林地來說足夠用，而且耗能低，兩節(jié)AA電池可以連續(xù)使用3個月，現(xiàn)使用的太陽能供電模塊預(yù)計可以保證至少2 a的連續(xù)供電。

下一步可以繼續(xù)研究樹高的測量方式和技術(shù)，實現(xiàn)樹木生長量無線監(jiān)測系統(tǒng)的建立，并同時將遠程監(jiān)測平臺的界面優(yōu)化，達到可以隨時查看各種生長曲線等信息的要求。

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