面向智慧林業環境因子監測系統的研究與設計探究

包琳

摘 要：針對目前傳統林業在監測環境因子方面存在的體系不全面和力度集成度不高的原因，主要可以通過設計一種最原始的ARM和FPGA架構來全面地作為環境因子監測系統的終端。并在并入有效嵌入式處理器的基礎上，再采用多功能的傳感器來當做傳感器的收集模塊，最終再從終端將所采集到的數據和信息存儲和打包之后傳輸到服務器，并保存到數據庫，從而更加有效地實現全面地森林環境監測。這些數據將會對林業資源的評估的發展有著重要的參考價值。本文主要針對面對智慧林業環境因子監測系統的研究和設計進行全面的探查。

關鍵詞：智慧林業;環境因子;監測系統;研究策略;設計策略

因為林業監測的方面一般都面臨著離散性強和廣闊性的特性，從而使得廣大林業工作者一直都會有動態監測困難、監測周期長和監測數據準確度不高等諸多方面的問題。而“智慧林業”的誕生也就顯得尤為重要。“智慧林業”在發展的過程中不斷地嵌入了云計算和大數據等高新技術。只有通過對林業環境資源進行全面的監測才能夠更好地掌握林業資源和環境的變化，并更好地促進現代林業的發展。只需要在監測的終端使用的核心芯片內部嵌入Linux系統作為有效的操作系統，才能夠更好地實現通過采集數據信息來對林業環境更好地遠程監測。

一、環境因子監測系統的概念

環境因子監測系統本身指的是針對森林生態系統內部典型區域內部的光、風、氣壓和降水等常規的氣象因子進行系統和全天候的自動監測，最終的目的是為了更好地測量森林內部呈現梯度分布的相關特征的氣候因子，并更好地測量不同森林植被類型的小氣候的差異。環境因子監測系統的存在的最終目的是讓相關部門對森林底部的小氣候效應和對森林生態系統的影響提供全方位的數據支持。

智慧林業環境因子監測系統本身也屬于一類規范的綜合生態監測站，主要支持多種傳感器來更好地搭配在一起，并全面地觀測包括風向、溫度、濕度、光、地下水位、太陽輻射、氣體濃度和樹莖等相關的要素。在工作的過程中，這樣一個系統往往能夠更好地監測各種氣象環境因子和空氣水環境因子，并在這之后更好地提供長期連續的準確生態氣候的變化數據。該系統可以在野外各種環境下被使用，整體數據存儲量極大。

二、系統總體設計

智慧林業的環境監測系統主要是由監測終端和服務器端口組成的。而整個服務器端口內部又主要由信息查詢系統和數據存儲模塊組成。此外，監測的終端又被安置在測試森林區域內部，又是由數據采集系統、信息處理系統和數據傳輸系統組成。采集數據的模塊在硬件系統中一直都占據重要地位。主要是由多種類型的傳感器接入不同類型的電路組成。

總體而言，不同類型的電路主要由這幾種構成。第一，數據處理電路主要是由終端處理器和看哦內置中心的板塊組成，Zynq為整體電路中的核心。而開發板的內部又主要由FPGA模塊、DDR3緩存電路、時鐘電路和變壓電路等組成。而數據傳輸電路又主要是由中興ME37604G模塊接入電路和以太網接入電路組成。

當整個森林的內部接入電路進行工作之后，采集模塊可以通過功能傳感器采集環境中的各項數據，再通過接口和有效電路來傳至開發板上的FPGA處理器。當整體溫度超過預定的值時就會有報警的信號出現，并發送給特制的FPGA處理器，以便能夠更好地實現溫度的控制和報警工作。當處理器上的溫度超過預設值的終端時，也就會有相關的信號回傳給FPGA處理器，從而順利地實現溫度的控制和報警。

當整個林區的終端都插上電并投入工作之后，采集模塊也就會通過各種功能來全面采集各種類型的數據，并再通過接口和轉換電路來傳送到開發板的FPGA處理器上。如果當溫度超過預設值之后就會有報警信息發送給FPGA處理器，從而更加有效地實現溫度的監控和報警。處理器則更加需要通過調動驅動程序和數據采集程序來全面地存儲數據，并在之后通過使用傳輸協議來讓所有的數據都更好地被打包，并通過4G傳輸模塊傳輸到服務器終端的顯示器和存儲器中。

三、監測終端的硬件設計系統

1.數據采集模塊。幾乎所有的終端都要使用SHTI0系統來監測森林中的溫濕度環境因子。而從長遠發展的角度來看，SHT10本身屬于一種數字傳感器。內部主要是由測濕元件、測溫元件、串行電路和其他構件組成。在出廠之前，所有的SHT10都需要全面的溫度和濕度的校驗，才能夠取得好的結果。而所有這一類傳感器的相應時間較短，且抗干擾能力也較強，主要被廣泛地應用于農業濕度和溫度的測量過程中。

整體結構的DATA、SCK管腳都將會和處理器的接口相互連接。一旦溫度超過了預設的值，那么便會觸發主板上的報警信號。通常情況下，GPS模塊都會使用專業公司生產的NEO-6M芯片進行定位。必要時可以使用UART和FPGA處理模塊中的GPIO相連，最少則可連接四根線。

2.數據處理模塊。該系統的數據終端模塊主要選用了特制的ZC702開發板，最中間的部位主要為Zynq-7000芯片，主要是由ARM和FPGA兩個部分組成。值得注意的是，整體Zynq-7000系列的芯片處理器的內部都存在著雙核處理器，并在內部都存在完整的ARM處理子系統。

只有在芯片內部集成多樣的外設和內核的控制器，才能夠使得CortexTM-A9內部的內核和可編程邏輯單元是彼此獨立的。而終端處理模塊內部出了有主處理芯片之外，還會包括Flash芯片、DDR3芯片組、時鐘芯片和其他結構。

四、數據采集系統的設計

1.溫濕度數據采集。因為SHT10傳感器會直接被連接到開發板上，因此需要用自己所擁有的驅動程序來模擬GPIO，并在之后更好地讀取關于SHT10的溫度和濕度的數據。整個驅動程序主要是由傳感器、復位、讀取數據、寫入數據和其他幾項組成。在交叉編譯的工具環境下會生成一個后綴被稱為“.ko”的可執行文件。當目標首次運行開機陳旭之后，可以根據情況來更好地進行手動加載驅動模塊。當程序加載了該驅動模塊之后，如果想在宿主機的內部通過串口工具來全面地讀取溫度和濕度，那么即可在調用溫濕度的讀取程序之后得到溫度和濕度的值。

2.傳輸模塊驅動加載。整個ME3760模塊的驅動主要是由USB驅動和RNDIS驅動組成。首先，一定需要在內核配置中添加USB轉接口驅動，之后再在內核文件中添加PID設備。這樣也就能夠有效地防止RNDIS口被USB串口驅動不斷地加載，從而使得RNDIS驅動沒有辦法更加順利地完成加載。

在修改內核驅動文件中的probe函數時，尤其需要對其內增加的blacklist進行過濾，并有效地對usb_serial_probe函數的內部對RNIDS接口進行全面的過濾，再將編譯生成的內容一起加載到Linux系統的啟動項目中。當所有的傳輸模塊都安裝成功之后，還需要將特制的傳輸程序將傳感器采集到的數據信息按照Json格式進行打包，之后再按照規定的數據包的格式向服務器定時發送時間間隔。

五、結語

在啟動熊主板內部的電能之后就可以在瀏覽器的內部輸入終端網址，之后再登錄 到終端采集網頁上。而通過界面就可以較輕松地看到環境因子信息。而通過使用高性能處理芯片Zynq-7000也就能夠使得數據監測和處理的能力得以大大地提升，從而使得終端的性能粉變得更加穩定。而本次設計的結構也能夠更好地提高監測的質量和監測的效率，并在之后有效地降低開發的風險和周期。

參考文獻：

[1] 劉亞秋，景維鵬，井云凌 . 高可靠云計算平臺及其在智慧林業中的應用[J]. 世界林業研究，2015（5）：18-24.