基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林碳匯地面監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

方陽陽　王鳳杰　蘭鵬

摘要：為解決單純依靠遙感技術(shù)進行森林碳匯監(jiān)測存在的精度較低的問題，實現(xiàn)高精度的森林碳匯監(jiān)測，利用基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和GPRS通訊技術(shù)，設(shè)計了一種森林碳匯地面監(jiān)測系統(tǒng)，可在森林中對二氧化碳濃度及其相關(guān)要素進行連續(xù)詳實的監(jiān)測，并結(jié)合上位機軟件對數(shù)據(jù)進行處理。為應(yīng)對惡劣的野外工作環(huán)境，系統(tǒng)還具有節(jié)點掉線重連功能及遠程控制工作狀態(tài)功能等。應(yīng)用情況表明，系統(tǒng)可以可靠地應(yīng)用于森林地面碳匯監(jiān)測，并配合遙感技術(shù)實現(xiàn)高精度的森林碳匯監(jiān)測，具有較高的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：森林碳匯監(jiān)測；ZigBee；GPRS；上位機軟件

中圖分類號：S127：TP273+.5 文獻標(biāo)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(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)相比，森林擁有最高的生物量，是陸地生物光合產(chǎn)量的主體，也是全球碳循環(huán)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(shù)的普及，利用遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)等先進手段可以測定從林分到區(qū)域等不同空間尺度的森林碳匯量，遙感技術(shù)已經(jīng)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(xù)與詳實的碳匯監(jiān)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(jiān)測的精度較低[11，12]。

基于此，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和GPRS通訊技術(shù)，設(shè)計了一種森林碳匯地面監(jiān)測系統(tǒng)，以便獲取連續(xù)詳實的地面碳匯信息，輔助遙感技術(shù)進行數(shù)據(jù)源的解譯驗證及預(yù)處理，從而實現(xiàn)高精度的森林碳匯監(jiān)測。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

森林碳匯監(jiān)測系統(tǒng)由四個采集節(jié)點、一個中心節(jié)點和一臺服務(wù)器組成，中心節(jié)點和采集節(jié)點之間利用ZigBee技術(shù)組成一個星型結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。采集節(jié)點利用攜帶的傳感器采集周圍環(huán)境中的溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、光照、CO2濃度等要素，并通過ZigBee無線發(fā)送至中心節(jié)點；中心節(jié)點對所有采集節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)進行匯總，再通過GPRS模塊發(fā)送至遠程服務(wù)器；遠程服務(wù)器利用上位機軟件實時顯示接收到的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 采集節(jié)點設(shè)計

采集節(jié)點由ZigBee模塊、開關(guān)電源模塊、電流電壓轉(zhuǎn)換模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、基準(zhǔn)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(shù)據(jù)，又作為無線數(shù)傳模塊將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至中心節(jié)點；開關(guān)電源模塊將AC 220V電源轉(zhuǎn)換成需要的直流電源提供給節(jié)點的各個模塊；電流電壓轉(zhuǎn)換模塊將傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，為AD轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備；AD轉(zhuǎn)換模塊使用ZigBee內(nèi)部的14位ADC，將電壓信號轉(zhuǎn)換成程序可識別的數(shù)字信號；基準(zhǔn)電壓芯片為AD轉(zhuǎn)換提供精準(zhǔn)的參考電壓；DC-DC模塊將開關(guān)電源輸出的DC 5 V轉(zhuǎn)換成DC 3.3 V供ZigBee模塊和數(shù)字傳感器使用。圖2為采集節(jié)點硬件組成。

2.2 中心節(jié)點設(shè)計

中心節(jié)點由ZigBee模塊、GPRS模塊和開關(guān)電源模塊組成。中心節(jié)點的ZigBee模塊只作為無線數(shù)傳模塊向采集節(jié)點發(fā)送指令并接收采集節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)；GPRS模塊將中心節(jié)點收到的數(shù)據(jù)發(fā)送至遠程服務(wù)器；開關(guān)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(jié)點硬件組成。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 ZigBee程序設(shè)計

ZigBee程序基于TI的SAMPLEAPP例程進行設(shè)計，包括應(yīng)用層和傳輸層協(xié)議棧。

應(yīng)用層主要根據(jù)具體應(yīng)用由用戶開發(fā)，系統(tǒng)ZigBee程序的設(shè)計主要在應(yīng)用層中完成。在采集節(jié)點的ZigBee程序應(yīng)用層中，編寫了AD轉(zhuǎn)換程序、數(shù)字式傳感器讀寫程序、數(shù)據(jù)組播程序、看門狗程序等；在中心節(jié)點的ZigBee程序應(yīng)用層中，編寫了數(shù)據(jù)組播程序、串口通信程序、看門狗程序等。endprint

各個節(jié)點的ZigBee模塊組成一個星型網(wǎng)絡(luò)，采用組播方式傳輸數(shù)據(jù)，工作流程是：系統(tǒng)上電后，中心節(jié)點的ZigBee模塊作為協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)，采集節(jié)點的ZigBee模塊作為終端節(jié)點搜索并加入網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)建立后，中心節(jié)點啟動一個定時器，輪流向各個采集節(jié)點發(fā)送指令，采集節(jié)點接收到指令后利用攜帶的傳感器采集數(shù)據(jù)并發(fā)送給中心節(jié)點，其余時刻采集節(jié)點處于休眠狀態(tài)；中心節(jié)點收到所有采集節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)后，將這些數(shù)據(jù)通過GPRS模塊發(fā)送給服務(wù)器。中心節(jié)點和采集節(jié)點的工作流程分別如圖4、5所示。

根據(jù)系統(tǒng)的實際需要，并考慮到惡劣的野外工作環(huán)境，對ZigBee程序進行了優(yōu)化，主要有：

（1）優(yōu)化了ZigBee模塊的啟動過程，使ZigBee模塊搜索、加入網(wǎng)絡(luò)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(jié)點會保存自己的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，掉線后自動恢復(fù)之前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)；采集節(jié)點掉線后會自動重新搜索并加入網(wǎng)絡(luò)。

（3）優(yōu)化了數(shù)據(jù)傳輸過程，防止數(shù)據(jù)沖撞。在中心節(jié)點和采集節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸過程中，采集節(jié)點不會主動向中心節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，只有在中心節(jié)點向采集節(jié)點發(fā)送指令后才會向中心節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，避免了多個采集節(jié)點同時向中心節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)可能造成的數(shù)據(jù)沖撞。

（4）可人為遠程控制系統(tǒng)工作狀態(tài)。通過GPRS向中心節(jié)點發(fā)送指令，用戶可以遠程控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)：不僅可以控制系統(tǒng)啟動或停止工作，還可以控制中心節(jié)點向采集節(jié)點發(fā)送指令的頻率，從而控制數(shù)據(jù)采集的頻率。

3.2 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件利用Microsoft Visual Studio 2008進行設(shè)計，具有數(shù)據(jù)實時顯示、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)分析等功能。上位機軟件如圖6所示。

（1）數(shù)據(jù)實時顯示：在菜單欄中點擊“實時數(shù)據(jù)”，就會彈出實時數(shù)據(jù)窗口；在實時數(shù)據(jù)窗口中，上面一欄為原始數(shù)據(jù)顯示區(qū)，顯示GPRS模塊發(fā)送的原始數(shù)據(jù)，下面一欄為有效數(shù)據(jù)顯示區(qū)，顯示解譯后的數(shù)據(jù)；點擊實時數(shù)據(jù)窗口中的“參數(shù)設(shè)置”或者菜單欄中的“工具選項”，可以對串口參數(shù)以及數(shù)據(jù)庫的連接進行設(shè)置。

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

（3）數(shù)據(jù)分析：在菜單欄中點擊“數(shù)據(jù)分析”，就會彈出數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)走勢等功能。

4 系統(tǒng)應(yīng)用情況

系統(tǒng)于2013年4月安裝到泰山監(jiān)測站，投入實際運行，如圖7所示。在運行過程中，當(dāng)天氣狀況良好時，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠地進行工作，數(shù)據(jù)的采集、傳輸、顯示、存儲都運行正常；當(dāng)出現(xiàn)大風(fēng)大雨等惡劣天氣時，系統(tǒng)有時會出現(xiàn)節(jié)點掉線、數(shù)據(jù)丟失的情況，但在天氣轉(zhuǎn)好后，掉線節(jié)點會自動重新加入網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。表明系統(tǒng)可以在森林中無人照料的情況下長期穩(wěn)定的工作。

系統(tǒng)每20 min采集一次二氧化碳濃度、風(fēng)速、風(fēng)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(shù)據(jù)，為下一步研究打下了良好的基礎(chǔ)。表1為系統(tǒng)采集的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

5 結(jié)論

森林碳匯地面監(jiān)測系統(tǒng)基于ZigBee技術(shù)與GPRS通訊技術(shù)進行設(shè)計，可在森林中對二氧化碳濃度及其相關(guān)要素進行連續(xù)詳實的監(jiān)測，并結(jié)合Microsoft Visual Studio 2008編寫的上位機軟件對數(shù)據(jù)進行處理，具有成本低、無需布線、部署靈活等特點。此外，為應(yīng)對惡劣的野外工作環(huán)境，系統(tǒng)還具有下列特色功能：

（1）節(jié)點掉線重連功能。當(dāng)因為天氣或其它原因出現(xiàn)節(jié)點掉線時，掉線節(jié)點可以自動重新加入網(wǎng)絡(luò)，使系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。

（2）人為遠程控制系統(tǒng)工作狀態(tài)功能。系統(tǒng)是否工作、工作時數(shù)據(jù)的采集頻率等都可以由用戶遠程進行控制，當(dāng)天氣比較惡劣、不適合系統(tǒng)工作時，用戶可以通過GPRS向系統(tǒng)發(fā)送指令，降低系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集頻率或使系統(tǒng)停止工作，對系統(tǒng)進行保護。

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

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