瀕危特色物種信息監測系統設計

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

針對目前在復雜環境中生長的瀕危物種，采用傳統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雜的情況下很難實施有效的監測與防護，為此設計了一款利用北斗衛星導航系統設計了一款瀕危物種監測系統，實現了對山區不同海拔和區域的瀕危特色物種環境條件監測，并實時將其回傳到監控中心實施報警，引導工作人員采取有效措施進行防護，從而達到“山青水秀”的綠色生態環境。

長久以來，由于物種生存的環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逐漸減少的趨勢。因此，保護瀕危特色物種生長環境迫在眉睫。

以武陵山為例，武陵山地區位于N27°28′～30°5′和E107°2′～111°35′，本片區地形復雜，海拔高度90m-2949m，高山聳立，氣候溫和，生態環境復雜多樣，武陵山地區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，本方案設計了基于北斗通信的終端監測管理系統。北斗衛星導航定位系統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。該系統是基于“三球交會”原理進行定位，覆蓋范圍為東經70°～145°，北緯5°～55°，在中國全境范圍內具有良好的導航定位可用性。可以快速、高精度定位不同海拔、不同瀕危特色物種的地理位置，做到實時監控、實時反饋信息。這也使物種信息更易于管理，并真正實現了人工智能與瀕危物種之間的交互。

1 系統設計

整個設計的總體框圖如圖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，然后數據進入MCU中進行處理，將數據轉換成數字信號。

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、溫度的數據傳輸到MCU中，北斗模塊是整個監測系統的“外交官”，負責將數據打包再通過短信發送出去。

終端：將手機所接收的有關節點環境的信息短信進行解析，并傳輸至監控中心；之后，在后臺監控中的網頁版地圖進行顯示，實現監測此節點的地理位置與周邊環境信息，并進行標記。

2 硬件設計

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。其系統硬件組成的總體框圖如圖2所示。

圖2 系統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單片機處理后將數據打包。因為E-201CPH復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單片機進行數據處理、打包。PH值AD采樣電路圖如圖3所示。

圖3 PH值AD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數字溫度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它可以檢測空氣中的溫濕度，采集數據后將數據送達到主控芯片STM32進行處理，STM32處理完畢后將采集數據的結果顯示在顯示屏上。選用的SIM868模塊，是一種支持全球定位系統（Global Positioning System，GPS）、北斗和格洛納斯衛星導航系統（GLONASS，GLO）三大定位系統。高度集成全球移動通信系統（Global System for Mobile Communication，GSM）、通用分組無線服務技術（General Packet Radio Service，GPRS）、GPS、藍牙于一體，實現低功耗語音、短信、GPRS數據傳輸、藍牙數據傳輸和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計，GPRS、藍牙天線PCB電路均采用阻抗匹配設計。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模塊的短信方式發送至后臺。

3 軟件設計

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據打包發送給用戶。主流程為對外部設備進行初始化、等待網絡注冊、網絡注冊后、接收SIM868模塊采集的位置數據進行解析，然后將SIM傳輸的溫濕度、PH值，位置信息等數據一起打包發送到用戶。

圖4 信息傳輸模塊主程序

4 產品測試

該產品于2021年3月開始在武陵山地區一棵傘花木上中使用該系統進行了為期一周的性能測試。測試結果表明，該系統成功利用北斗定位導航系統集成了地理位置信息（經度，緯度）。來自采集點的空氣溫度，濕度，PH值和其他信息將傳輸到背景并顯示在顯示模塊上。

經過測試，該系統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。測試收集的數據與當天的實際數據基本一致，并且該數據具有極高的準確性。測試期間采集的數據已繪制成柱狀圖如圖5所示。

圖5 采集點環境指數柱狀

為了能夠及時的對瀕危物種生長情況進行保護，該系統結合監測節點的動態監測信息、監測中心及網頁地圖顯示的完整數據，提前在監測點進行地圖建模、信息解析以便做出及時的處理。如當某處節點的數據產生異常，后臺監控中的網頁版地圖將進行顯示，實現監測此節點的地理位置與周邊環境信息，并進行標記如圖6(A)所示；將手機接收到的節點環境信息短信進行解析，傳輸至監控中心如圖6(B)所示；后臺人員將會利用北斗導航，規劃出從起點到節點所在的終點最優路徑如圖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

本文開發并實現了瀕危特色物種監控系統。旨在提供有關瀕危物種生長的準確和最新的生態信息，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據的準確性，感知數據是通過在發送之前組合數據來處理的。測試了系統的遠程監控功能，并測試了所收集結果的準確性。試驗結果表明，該系統可正常且穩定地工作，并且能夠可靠地實時發送數據。通過服務器發布到物聯網上，不僅可以隨時隨地追蹤影響瀕危物種的環境參數，而且可以共享瀕危物種的信息資源，為將來在瀕危領域研究和研究物種生態監測的基礎知識，奠定了重要的技術基礎。