基于無線傳感器網絡的森林碳匯地面監測系統的設計

方陽陽　王鳳杰　蘭鵬

摘要：為解決單純依靠遙感技術進行森林碳匯監測存在的精度較低的問題，實現高精度的森林碳匯監測，利用基于ZigBee的無線傳感器網絡技術和GPRS通訊技術，設計了一種森林碳匯地面監測系統，可在森林中對二氧化碳濃度及其相關要素進行連續詳實的監測，并結合上位機軟件對數據進行處理。為應對惡劣的野外工作環境，系統還具有節點掉線重連功能及遠程控制工作狀態功能等。應用情況表明，系統可以可靠地應用于森林地面碳匯監測，并配合遙感技術實現高精度的森林碳匯監測，具有較高的應用價值。

關鍵詞：森林碳匯監測；ZigBee；GPRS；上位機軟件

中圖分類號：S127：TP273+.5 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2015）01-0115-05

Abstract In order to solve the problem of low precision existing in forest carbon monitoring only by remote sensing technology， a forest carbon ground monitoring system was designed based on WSN and GPRS. This system could detect carbon dioxide concentration and related factors in forest continuously， and meanwhile， process the data combined with the PC software. The system also had the function of reconnection after dropped and remote controlling in response to the bad working environment. The application status showed that the system could be used for forest carbon ground monitoring reliably， and achieve high precision in forest carbon monitoring by cooperating with remote sensing technology， so it would have high application value.

Key words Forest carbon monitoring； ZigBee； GPRS； PC software

森林是陸地生態系統的主體，約占全球非冰蓋和非冰層陸地面積的40%[1]。與陸地其他生態系統相比，森林擁有最高的生物量，是陸地生物光合產量的主體，也是全球碳循環的主體[2，3]。森林及其土壤所儲存的碳總量高達1 146 Gt，幾乎是陸地碳庫總量的一半[4，5]。森林對于降低大氣中溫室氣體濃度、減緩全球氣候變暖，具有十分重要和獨特的作用[6～8]。目前，隨著遙感技術的普及，利用遙感技術和地理信息系統等先進手段可以測定從林分到區域等不同空間尺度的森林碳匯量，遙感技術已經成為快速獲取森林碳匯量的重要手段[9，10]。但是，由于缺乏地面連續與詳實的碳匯監測信息進行驗證與輔助定量解譯，致使單純依靠遙感手段的森林碳匯監測的精度較低[11，12]。

基于此，利用無線傳感器網絡技術和GPRS通訊技術，設計了一種森林碳匯地面監測系統，以便獲取連續詳實的地面碳匯信息，輔助遙感技術進行數據源的解譯驗證及預處理，從而實現高精度的森林碳匯監測。

1 系統總體設計

森林碳匯監測系統由四個采集節點、一個中心節點和一臺服務器組成，中心節點和采集節點之間利用ZigBee技術組成一個星型結構的無線傳感器網絡。采集節點利用攜帶的傳感器采集周圍環境中的溫度、濕度、風速、風向、光照、CO2濃度等要素，并通過ZigBee無線發送至中心節點；中心節點對所有采集節點發送的數據進行匯總，再通過GPRS模塊發送至遠程服務器；遠程服務器利用上位機軟件實時顯示接收到的數據，并將數據存儲到數據庫中。系統的總體結構如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 采集節點設計

采集節點由ZigBee模塊、開關電源模塊、電流電壓轉換模塊、AD轉換模塊、基準電壓芯片、DC-DC模塊及各類型傳感器組成；ZigBee模塊既作為控制器控制傳感器采集數據，又作為無線數傳模塊將采集的數據發送至中心節點；開關電源模塊將AC 220V電源轉換成需要的直流電源提供給節點的各個模塊；電流電壓轉換模塊將傳感器輸出的電流信號轉換成電壓信號，為AD轉換做準備；AD轉換模塊使用ZigBee內部的14位ADC，將電壓信號轉換成程序可識別的數字信號；基準電壓芯片為AD轉換提供精準的參考電壓；DC-DC模塊將開關電源輸出的DC 5 V轉換成DC 3.3 V供ZigBee模塊和數字傳感器使用。圖2為采集節點硬件組成。

2.2 中心節點設計

中心節點由ZigBee模塊、GPRS模塊和開關電源模塊組成。中心節點的ZigBee模塊只作為無線數傳模塊向采集節點發送指令并接收采集節點發送的數據；GPRS模塊將中心節點收到的數據發送至遠程服務器；開關電源模塊為ZigBee模塊和GPRS模塊提供所需的電源。圖3為中心節點硬件組成。

3 系統軟件設計

3.1 ZigBee程序設計

ZigBee程序基于TI的SAMPLEAPP例程進行設計，包括應用層和傳輸層協議棧。

應用層主要根據具體應用由用戶開發，系統ZigBee程序的設計主要在應用層中完成。在采集節點的ZigBee程序應用層中，編寫了AD轉換程序、數字式傳感器讀寫程序、數據組播程序、看門狗程序等；在中心節點的ZigBee程序應用層中，編寫了數據組播程序、串口通信程序、看門狗程序等。endprint

各個節點的ZigBee模塊組成一個星型網絡，采用組播方式傳輸數據，工作流程是：系統上電后，中心節點的ZigBee模塊作為協調器建立網絡，采集節點的ZigBee模塊作為終端節點搜索并加入網絡；網絡建立后，中心節點啟動一個定時器，輪流向各個采集節點發送指令，采集節點接收到指令后利用攜帶的傳感器采集數據并發送給中心節點，其余時刻采集節點處于休眠狀態；中心節點收到所有采集節點發送的數據后，將這些數據通過GPRS模塊發送給服務器。中心節點和采集節點的工作流程分別如圖4、5所示。

根據系統的實際需要，并考慮到惡劣的野外工作環境，對ZigBee程序進行了優化，主要有：

（1）優化了ZigBee模塊的啟動過程，使ZigBee模塊搜索、加入網絡的速度更快，成功率更高。

（2）為ZigBee模塊加入了掉線重連功能。中心節點會保存自己的網絡狀態，掉線后自動恢復之前的網絡狀態；采集節點掉線后會自動重新搜索并加入網絡。

（3）優化了數據傳輸過程，防止數據沖撞。在中心節點和采集節點的數據傳輸過程中，采集節點不會主動向中心節點發送數據，只有在中心節點向采集節點發送指令后才會向中心節點發送數據，避免了多個采集節點同時向中心節點發送數據可能造成的數據沖撞。

（4）可人為遠程控制系統工作狀態。通過GPRS向中心節點發送指令，用戶可以遠程控制系統的工作狀態：不僅可以控制系統啟動或停止工作，還可以控制中心節點向采集節點發送指令的頻率，從而控制數據采集的頻率。

3.2 上位機軟件設計

上位機軟件利用Microsoft Visual Studio 2008進行設計，具有數據實時顯示、數據存儲和數據分析等功能。上位機軟件如圖6所示。

（1）數據實時顯示：在菜單欄中點擊“實時數據”，就會彈出實時數據窗口；在實時數據窗口中，上面一欄為原始數據顯示區，顯示GPRS模塊發送的原始數據，下面一欄為有效數據顯示區，顯示解譯后的數據；點擊實時數據窗口中的“參數設置”或者菜單欄中的“工具選項”，可以對串口參數以及數據庫的連接進行設置。

（2）數據存儲：上位機軟件會將所有數據存儲到SQL Server 2005數據庫中，在菜單欄中點擊“數據顯示”，就會彈出數據庫數據顯示窗口，點擊左側數據列表，即可查看已存儲到數據庫中的數據。

（3）數據分析：在菜單欄中點擊“數據分析”，就會彈出數據分析窗口，具有計算最大值、最小值、差值、平均值、方差以及查看數據走勢等功能。

4 系統應用情況

系統于2013年4月安裝到泰山監測站，投入實際運行，如圖7所示。在運行過程中，當天氣狀況良好時，系統能夠穩定可靠地進行工作，數據的采集、傳輸、顯示、存儲都運行正常；當出現大風大雨等惡劣天氣時，系統有時會出現節點掉線、數據丟失的情況，但在天氣轉好后，掉線節點會自動重新加入網絡，系統恢復正常工作。表明系統可以在森林中無人照料的情況下長期穩定的工作。

系統每20 min采集一次二氧化碳濃度、風速、風向、光照強度、空氣溫濕度等信息，在運行過程中采集了大量的數據，為下一步研究打下了良好的基礎。表1為系統采集的部分數據。

5 結論

森林碳匯地面監測系統基于ZigBee技術與GPRS通訊技術進行設計，可在森林中對二氧化碳濃度及其相關要素進行連續詳實的監測，并結合Microsoft Visual Studio 2008編寫的上位機軟件對數據進行處理，具有成本低、無需布線、部署靈活等特點。此外，為應對惡劣的野外工作環境，系統還具有下列特色功能：

（1）節點掉線重連功能。當因為天氣或其它原因出現節點掉線時，掉線節點可以自動重新加入網絡，使系統恢復正常工作。

（2）人為遠程控制系統工作狀態功能。系統是否工作、工作時數據的采集頻率等都可以由用戶遠程進行控制，當天氣比較惡劣、不適合系統工作時，用戶可以通過GPRS向系統發送指令，降低系統的數據采集頻率或使系統停止工作，對系統進行保護。

系統在泰山監測站進行了實際應用并取得良好效果，可以可靠地應用于森林地面碳匯監測，并配合遙感技術實現高精度的森林碳匯監測，具有較高的應用價值。通過加裝其它類型的傳感器，系統也可以應用于其它領域和場合。

參 考 文 獻：

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