便攜式喬木樹高測量儀設計

曾 敏, 魏識廣, 李 林

(桂林電子科技大學 生命與環境科學學院, 廣西 桂林 541004)

便攜式喬木樹高測量儀設計

曾 敏, 魏識廣, 李 林

(桂林電子科技大學 生命與環境科學學院, 廣西 桂林 541004)

便攜式喬木樹高測量儀基于以往林業測量設備的工作原理,采用模塊化設計,由位移測量模塊、傾角傳感器模塊、顯示模塊、鍵盤輸入模塊、數據存儲模塊以及電源模塊等組成。通過單片機MSP430與傾角傳感器模塊進行通信,將檢測到的數字信號轉化為傾角值,并結合位移測量模塊進行模型運算獲得待測點的樹高值。數據顯示模塊實時顯示測量數據,并將數據保存在存儲模塊的SD卡中。測量樹高時采用了一種全新的算法,因而不需要測量水平距離。選擇一顆長勢較好的銀杏樹,對其測量了16次,得到該樹高測量儀的相對誤差為-3.93%～2.60%,儀器測量精度達到設計要求。該儀器體積較小、攜帶方便、容易操作并且成本低廉,具有較強的實用性。

樹高測量儀； 模塊化設計； MSP430

森林是地球之肺,是自然界的綠色寶庫,它對生態環境保護作用是巨大的,在人類生存和發展的歷史上有著不可代替的作用[1]。樹高是林業中重要的測樹因子[2],在森林資源調查中,為了更快、更準確地測出樹的樹高、胸徑及樹冠下的樹高和冠幅,則需要一套操作精準且方便的測量儀器[3]。現階段,國內外對樹高的測量主要有機械式儀器測樹高，經緯儀、全站儀測樹高，以及激光式儀器測樹高等[4]。但是這些儀器各自存在不同的問題,其中機械式儀器測樹高精度較低、操作效率低下、功能單一,并且對采集的數據處理較麻煩[5-6]。電子經緯儀、全站儀這些儀器測樹高雖然節省了時間、提高了功效和精度,實現了數據的自動采集、傳輸和測算；然而此類儀器不僅攜帶困難,而且測量較繁瑣[7],同時對專業知識要求較高。激光式儀器雖然攜帶方便,精度也較高,但是其價格往往比較昂貴[8]。

為此，本文利用計算機技術,研制了一款便攜式、低功耗的樹高測量儀器,該儀器自動化程度較高,所測數據能夠自動存儲到SD卡中,便于后續的數據處理與分析。該儀器的使用將會提高生態調查和林業調查工作的效率,在生態學和林業中將會有非常大的實用價值。

1 樹高測定的數學模型

測高器的基本原理有直角相似三角形、任意相似三角形、三角函數類,模型有三角高程法測量模型、三角函數測量模型、三維前方交會測量模型、任意三角函數測量模型等[9]。任意三角函數原理雖然簡單,但在實際測量過程中,樹梢頂部容易受到樹葉的遮擋,很難測量觀測點到樹梢的距離。任意三角函數原理一般配合激光使用,使用激光測量觀測點與樹梢的距離時,由于樹葉的反射效果不好,很難得出其數值,而且激光發射器成本較高。三角高程法在使用時,須先測量觀測點到被測樹的水平距離,而這個距離在崎嶇不平的山路中很難得出,因此該方法在地勢不平整的森林中不太適用。三維前方交會法雖然解決了該問題,但是該方法操作起來非常繁瑣。

鑒于以上各種樹高算法的缺點,設計了一種新的模型作為儀器測量樹高的算法,如圖1所示。該方法不需要測量水平距離L,并且操作起來方便、快捷,測量精度較高。其測量原理如下:在測量樹高時,圍繞樹的四周選擇一個便于觀測樹梢的位置,然后選定任意兩個測量點A、B,首先將儀器放置于A點,測出A點到樹根的傾角α1和到A點樹冠的傾角β1,然后將測量儀器的高度上升到B點,再次測出B點到樹根的傾角α2和B點到樹冠的傾角β2,并測出儀器上升的高度h3。根據三角形勾股定理可得:

(1)

h=h1+h2=L×(tan α1+tan β1)

(2)

(3)

圖1 儀器測量樹高的原理圖

2 儀器硬件設計

2.1 系統整體結構設計

該儀器的結構主要由傾角傳感器、中央處理器、超聲測距模塊、顯示模塊、存儲模塊、電源模塊、藍牙模塊等構成，其系統結構框圖見圖2。

圖2 系統整體結構框圖

通過測量模式選擇鍵(鍵盤)選擇測樹高功能。首先將儀器放在A點,打開讀數制動鍵,此時傾角傳感器開始測數據,依次獲得測量點到樹根的傾角α1和到樹冠的傾角β1,并將其值送入存儲器進行存儲；然后將儀器放在B點,打開另一個讀數制動鍵,此時傾角傳感器又開始測數據,依次獲得測量點到樹根的傾角α2和到樹冠的傾角β2,并其值送入存儲器進行存儲,同時超聲波模塊測得從A點到B點的上升距離。各工作點測量完畢以后,接收按鍵的中斷請求信號,與此同時數據處理單元通過一定的算法,求得其樹高值,一方面將樹高值送入液晶上顯示,另一方面將有用的數值存儲起來,并選擇是否通過藍牙上傳給外部設備。

傾角傳感器的作用是分別測量A、B點處測量點到樹根以及樹冠的夾角；中央處理器的作用是讀取傾角傳感器的數字值,以及接收來自鍵盤的指令、超聲波模塊的數值、藍牙模塊的信號,并通過內部數據的處理,將中間的數據以及結果輸入液晶顯示,并將有用數據送入存儲器存儲或通過藍牙將數據送給外部設備。

超聲測距模塊獲得A點到B點的上升距離,并將其送入中央處理器,經過其處理,得到待測點的相對坐標值。

顯示模塊與存儲模塊分別顯示和存儲儀器所測得的有用數據。其數據還可以通過藍牙模塊選擇是否上傳到外部存儲設備,以便使用者對所得數據進行進一步分析。

電源模塊為儀器提供電能。可采用可充電式鋰電池、太陽能電板,電源適配器進行供電。

2.2 各個模塊設計

2.2.1 中央處理器

選用TI公司生產的超低功耗MSP430系列單片機,它具有功耗低、數據處理能力強、片內外圍模塊豐富、系統工作穩定等特點,本設計選用MSP430系列單片機中的MSP430F149作為該儀器的控制芯片,該型號的單片機除了MSP430系列共有的特點以外,還有以下特性:

(1) 高達8 MHz的CPU速度、60 KB的閃存、2 KB的RAM、內部帶有256 B的Flash存儲器模塊；

(2) 超低功耗:0.15 μA RAM保護模式,1.3 μA等待模式,250 μA /MIPS工作模式；

(3) 5種節電方式、由等待方式喚醒時間為6 μs、6個可配置第二功能的IO端口。

2.2.2 超聲測距模塊

要想獲得樹高值,必須得知道儀器的垂直位移,該距離選用超聲波進行測量。使用超聲波測量其垂直距離優點在于:超聲波測距相對其他方式來說,設計較為方便，所得結果方便計算樹高值，成本較低。儀器設計中,選用HC-SR04作為超聲波測距模塊[10]。此模塊的特點:測量精度較高,可達1 mm,模塊上自帶有溫度傳感器,可以對測量結果進行校正,其性能媲美于國外的SRF05系列超聲波器件；測量距離范圍寬廣，最小距離為2 cm,最遠距離為450 cm；功耗較低，工作靜態電流小于2 mA。此外,該模塊同時具有GPIO、串口等多種通信方式,方便與其他器件通信。

超聲波發射電路見圖3,該電路由MAX232、換能器、反相器、STC11以及一些外設組成。其中MAX232 是TTL電平轉RS232電平IC,它內部有電荷泵,可以將5 V電壓轉換為±10 V～±15 V電壓,并以此作為輸出信號,用于驅動換能器。上拉電阻R2、R4可以提高STC11高電平的驅動能力,同時增加超聲波換能器的阻尼效果,縮短其自由振蕩時間。

圖3 超聲波發射電路

超聲波接收電路見圖4,該電路由超聲波換能器、多級放大電路以及鎖相環組成。由于超聲波接收到的反射回來的信號非常微弱,必須經過多級的放大才能將其轉換為可利用信號。鎖相環的作用是當電路接收到頻率符合要求的信號后即向單片機發出中斷請求,鎖定鎖相環的中心頻率40 kHz,使超聲波只響應該頻率信息,避免其他頻率信號的干擾。當超聲波傳感器檢測到反射微弱信號后,首先經過兩級放大電路,將微弱信號放大到足夠大的強度后,送入鎖相環進行檢波,如果是40 kHz的信號,便發出中斷請求信號送入單片機,單片機檢測到低電平后便關閉定時器。

2.2.3 傾角傳感器模塊設計

工業測量系統都采用安裝有互瞄用內覘標的專用電子經緯儀作為角度測量儀器,但此類專用儀器應用范圍小,價格昂貴[11]。在本儀器的樹高測量中,傾角是非常重要參數,該傳感器的選型直接關系到該儀器的測量精度。儀器主要測量的是垂直方向的夾角,故選用單軸的傾角傳感器就可以。在對單軸傾角傳感器進行選型時,要考慮傳感器測量精度、量程、供電方式、外形尺寸、最高分辨率、性價比等。在對比了幾款傾角傳感器的性能以后,最終選擇了芬蘭VTI公司的SCA61-FA1H1G單軸傾角傳感器進行喬木樹高的測量。由于SCA61 -FA1H1G傾角傳感器可以作為SPI口輸出,故能與單片機直接進行通信,接口圖見圖5,其片選管腳CSB與單片機的P1.1管腳相連,串行時鐘SCK與單片機的P1.0時鐘信號輸入引腳相連,數據輸入MOSI與單片機的P1.3相連,數據輸出MOSO與單片機的P1.2相連,引腳8與VCC相連,引腳4與GND相連接。

圖4 超聲波接收電路

圖5 SCA61-FA1H1G與單片機的接口圖

SCA61-FA1H1G傾角傳感器輸出信號為重力加速度信號,加速度測量結果以11位的數字形式存儲在數據寄存器中,因此需要通過相應的公式將其轉化為傾角值。計算公式為

(4)

式中：α為傾角值；Dout[LSB]為傳感器的數字量輸出；Dout@00[LSB]為數字偏移量,當SCA61-FA1H1G傾角傳感器用作數字量輸出的時候,Dout@00[LSB]應取值1024,Sens[LSB/g]為傳感器的靈敏度,其值為819 mV/(°)。

2.2.4 電源模塊設計

一個系統能否正常工作,在很大程度上取決于電源模塊的設計,如果電源模塊不能提供準確的電壓或者提供的電壓波動范圍較大,則容易造成儀器不能正常工作,甚至是燒毀儀器芯片。在設計中,儀器需要3.3 V的電壓驅動OLED和MSP430F149單片機,5 V的電壓驅動傾角傳感器和超聲波測距模塊等。

儀器設計選用兩套供電方案:9 V鋰電池供電或者USB接口供電,在野外當鋰電池電量用完后,可以選擇USB接口供電方式。當使用9 V鋰電池供電方式時,使用AMS117-5芯片將其9 V電壓轉換成5 V電壓,再通過AMS1117-3.3芯片將5 V電壓轉換為3.3 V為各模塊供電；當選擇采用USB供電方式時,此時直接通過AMS1117-3.3芯片將5 V電壓轉換成3.3 V電壓為各模塊供電。電源模塊設計原理圖見圖6。

圖6 電源原理圖

2.2.5 顯示模塊設計

綜合考慮儀器的體積、功耗、續航能力、便于攜帶程度等問題[12],選用機發光二極管(organic light-emitting diode,OLED)作為顯示器。OLED由于具備對比度高、反應速度快、可用溫度范圍廣,價格便宜、可見度廣等優點,被認為是下一代的平面顯示器新興技術。

儀器的設計離不開PCB板的制作,根據上述各個模塊的設計,制作了相應的PCB板,PCB的上下層布線見圖7。

圖7 PCB電路版圖

3 儀器軟件設計

在喬木樹高測量的設計中選用了MSP430F149作為該儀器的微控制器。系統設計軟件選用瑞典IAR System公司推出的嵌入式開發工具IAR Embedded Workbench作為開發環境。

3.1 儀器軟件總體設計及系統初始化

儀器的軟件設計主要是對各個傾角和上升高度進行測量,并最終把有效數據存儲在SD卡中和顯示在終端設備。主要功能包括系統初始化、傾角測量的實現、距離測量的實現、數據的處理、數據的顯示、鍵盤控制、數據存儲等。儀器的功能的選擇是通過按鍵實現的,軟件流程圖見圖8。

圖8 軟件流程圖

3.2 超聲波測距軟件設計

超聲波測距模塊主要由初始化子程序、延時子程序、啟動子程序、計算子程序組成。其中：初始化子程序主要完成關閉監視定時器(看門狗),設置P1.1為捕獲模式輸入端、P4.2為信號輸出端,然后打開晶振,在打開晶振時,先消除晶振失效標志,并等待晶振起振,如果晶振起振失敗,則選擇MCLK為振蕩器,之后將定時器清零；延時子程序主要完成程序延時功能；啟動子程序的功能是產生一個10 μs的方波信號,啟動超聲波；計算子程序由中斷程序及計算程序組成,通過中斷記錄結束時間,并通過其時間計算距離[13]。

其工作流程圖見9。

圖9 超聲波工作流程圖

3.3 鍵盤軟件設計

鍵盤是由若干個獨立按鍵組合而成的開關矩陣。鍵盤的基本元素是按鍵,按鍵是利用觸點的閉合與斷開來產生輸入電信號。由于觸點的機械特性,在斷開和閉合的時候都會產生輕微的抖動,為了確保MCU在鍵盤閉合時僅作一次處理,必須消除鍵盤抖動。常用的清楚抖動的方法有R-S觸發器組成去抖動電路、使用電阻和電容構成積分電路去除抖動、軟件延時,設計中使用軟件延時去除抖動。故鍵盤程序主要有如下步驟:消除鍵盤抖動；識別鍵碼；等按鍵松開。

4 儀器實測及精度分析

基于MSP430單片機的便攜式喬木樹高測量儀樣機,在保證硬件正常工作下,首先通過軟件對樹高測量儀進行校準后,再開始對喬木樹高進行測試。測試地點選擇在桂林電子科技大學第14號教學樓前,測試對象為銀杏樹[12]。在測試之前,先用全站儀對其進行測量,得到一個樹高值(h=6.589 m),并將其作為待測樹木的參照高度。實測數據及結果見表1和表2。

表1 實測數據表格

表1(續)

樹高的平均值計算公式為

(5)

式中n為測量次數。

表2 喬木樹高測量結果及誤差精度

由表2可知，采用該方法測量喬木樹高的相對誤差集中在-3.93%～2.60%之間,達到林業調查的要求。

5 結語

根據便攜式儀器的高精度、低功耗的要求,測量儀采用單片機技術、傾角傳感器等先進技術,通過各模塊的設計制作出相應的軟件和硬件,并對各模塊進行整合以及驗證。該儀器測量樹高時采用了一種全新的算法,不需要測量水平距離,而是直接通過傾角傳感器、超聲波模塊，并結合MSP430f149單片機測得樹高值。精確度得到提高,同時該儀器體積較小、攜帶方便、容易操作并且成本低廉,具有較強的實用性。

References)

[1] 周卉, 淺談森林資源對環境保護和改造自然的作用[J].河南科技, 2013(5):156.

[2] 趙芳, 馮仲科, 高祥，等. 樹冠遮擋條件下全站儀測量樹高及材積方法[J].農業工程學報, 2014(2):182-190.

[3] 高學斌, 羅偉, 安生立，等. 基于ARM的測樹裝置的研究[J].黑龍江科技信息, 2013(6): 33.

[4] 黃曉東,馮仲科,解明星，等. 自動測量胸徑和樹高便攜設備的研制與測量精度分析[J].農業工程學報, 2015(18):92-99.

[5] Beirne D O. Measuring the Urban Forest:Comparing LiDAR Derived Tree I leights to Iricld Measurements [D]. USA:SanFrancisco State University, 2012:1-5.

[6] Dianyuan I I, Chengduan W. Tree Height Measurementbased on image processing embedded in smart mobile phoncf[C]//Multimedia Technology (ICMT). 2011 International Conference, 2011:3293-3296.

[7] 閆偉,馬巖.基于激光測距的樹高測量方法研究 [J].林業機械與木工設備, 2012(2):30-32.

[8] Feng Zhihui, Chen Weimian, Shen Jinfeng, et al. Resistance Angle Sensor Based Tree Diameter Gauge [C]//Environmental Science and Information Application Technology (ESIAT).2010 International Conference, 2010: 262-264.

[9] 李建華.基于三角原理的森林測高器研制與應用[D].濟南:山東農業大學,2011.

[10] 張長春,蘭倩,陳冬,等.基于單片機的智能壁障尋路機器人系統設計[J].技術與市場,2013,20(12):8-9.

[11] 景東, 盧秀山, 鄭文華,等. 基于可整平基準尺的工業測量定向方法[J].深圳大學學報:理工版, 2012,29(2):178-182.

[12] 陳軍, 魏識廣, 李林. 一種便攜式的喬木相對坐標測量儀的設計[J].大眾科技,2015,17(4):73-76.

[13] 周鳳星.電磁閥檢測儀的設計和應用[D].武漢:武漢科技大學,2009.

Design of portable measuring instrument for tree height

Zeng Min, Wei Shiguang, Li Lin

(College of Life and Environmental Science, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)

Based on the working principle of the past forest measuring instruments, the modular design is adopted, which is composed of displacement measurement module, angle sensor module, display module, keyboard input module, data storage module and power module. Through the communication between the core device microcontroller unit(MCU) MSP430 and the tilt sensor module, the detected digital signal is converted to the angle value, and the height of a tree is acquired by the model operation of displacement measurement module. The data display module timely displays the measured data, which is saved in the SD card of the storage module. A complete new method is used for measuring tree height, which does not require the measurement of the horizontal distance. A better growing ginkgo tree is chosen and measured 16 times. The real-time measured relative error by this tree height measuring instrument is -3.93%-2.60%. So the measurement accuracy meets the design requirements. This instrument has the advantages of small volume, being easy to carry about and operate, and low cost, and has stronger practicability.

measuring instrument for tree height; modularization design; MSP430

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.026

2016-06-23 修改日期：2016-08-18

國家自然科學

(31460155);國家自然科學基金項目(31200326)

曾敏(1988—),女,山東濰坊,碩士,研究方向為環境監測信息系統

E-mail：478590795@qq.com

李林(1979—),女,陜西漢中,博士,副教授,研究方向為生態監測.

E-mail： linwsg@163.com

S758

: A

: 1002-4956(2016)12-0104-07