基于嵌入式的竹林碳匯數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)

侯志康，楊玉泉，韓斌

（浙江農(nóng)林大學(xué)信息工程學(xué)院，杭州 311300）

森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，占全球陸地碳庫總儲量的77%，其通過同化作用吸收二氧化碳，以生物量的形式將其固定在植被和土壤中，使森林成為陸地生態(tài)系統(tǒng)最重要的碳匯或碳庫［1-3］，對吸收溫室氣體、緩解氣候變化、維護(hù)生態(tài)平衡有十分重要的作用。因此，世界氣象等組織開展了廣泛的林業(yè)碳匯計量研究，總結(jié)出多種計量方法，如植物生物量和土壤碳儲量清單調(diào)查、大氣CO2濃度反演、衛(wèi)星遙感、生態(tài)系統(tǒng)模型模擬以及碳通量觀測等。

基于碳通量觀測的方法有微氣象學(xué)法和箱式法2種［4］。其中，微氣象學(xué)方法主要有渦度相關(guān)法、質(zhì)量平衡法、能量平衡法、空氣動力學(xué)法等［5，6］；箱式法則分靜態(tài)箱法和動態(tài)箱法2種。微氣象學(xué)的代表方法是渦度相關(guān)法，是在植被層上方直接測量CO2濃度與渦流速度，以濃度與風(fēng)速的協(xié)方差求算通量的方法［7］。基于渦度相關(guān)通量觀測彌補(bǔ)了生物量清查法［8，9］、地面同化箱和衛(wèi)星遙感等測定方法在時間上的不連續(xù)、積累數(shù)據(jù)費時等方面的不足，可以在較短時間內(nèi)獲得大量高時間分辨率的CO2通量和環(huán)境變化數(shù)據(jù)，為開展不同時間尺度的碳通量變化及其環(huán)境響應(yīng)機(jī)理研究提供方便。渦度相關(guān)技術(shù)作為小尺度生態(tài)系統(tǒng)觀測方法，適用于區(qū)域碳匯監(jiān)測。

綜合考慮地上和地下部分竹林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程，基于微氣象學(xué)和渦旋相關(guān)法，研發(fā)一套區(qū)域竹林碳匯監(jiān)測系統(tǒng)［10-13］，以實現(xiàn)長期對竹林生態(tài)系統(tǒng)CO2通量的測定，經(jīng)過后期一系列中介過程（二階距量變換、坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)、能量守恒閉合等）實現(xiàn)估算植被層、土壤等不同生態(tài)系統(tǒng)組分的碳過程。進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確的竹林碳匯計量，對于正確認(rèn)識和全面了解氣候變化背景下的竹林生態(tài)功能、合理開發(fā)竹林資源、加強(qiáng)竹林生態(tài)系統(tǒng)綜合管理具有重要的科學(xué)和現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)方案

1.1 竹林碳通量監(jiān)測方法

區(qū)域竹林生態(tài)系統(tǒng)固碳量包括竹林本身固碳量、竹林地表固碳量、空氣中所固定含碳化合物的碳儲量以及竹林土壤固碳量等，可由式（1）表示。

式中，C竹林總固碳量；FC空氣固碳量；FCO2竹林固碳量；F竹林地表固碳量；FT竹林土壤固碳量。

林下植物吸收與轉(zhuǎn)化的碳絕大部分分解為土壤有機(jī)質(zhì)，形成碳沉降，其通過公式（2）計算。

式中，F(xiàn)C竹林地表碳總量；Sij竹林面積；Cij竹林碳密度；α竹林碳轉(zhuǎn)換系數(shù)。

森林土壤固碳量的估算采用土壤剖面實測法，各類土壤的總碳量通過公式（3）計算。

式中，F(xiàn)t土壤碳儲量；Si土壤各亞類面積；Dt土壤平均厚度；Rt土壤平均容重；r轉(zhuǎn)換系數(shù)，即Bemmelem換算系數(shù)（0.58 g C/g SOC）。

因此，區(qū)域竹林生態(tài)系統(tǒng)碳匯監(jiān)測需要考慮地上、地表及地下3個層次。渦度相關(guān)法可以測定竹林生態(tài)系統(tǒng)的CO2交換量，但需經(jīng)過一系列中間換算過程來估算植被層、土壤等不同生態(tài)系統(tǒng)組分的呼吸量。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)上述通量的實時遠(yuǎn)程監(jiān)測要求，系統(tǒng)由現(xiàn)場嵌入式數(shù)據(jù)采集終端和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心構(gòu)成。根據(jù)系統(tǒng)工作要求，地表上架設(shè)7層智能節(jié)點，用來采集各層CO2濃度、氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向、光照度等地上的微氣象參數(shù)，每個節(jié)點之間采用Zigbee協(xié)議將采集數(shù)據(jù)通過Zigbee路由器無線傳輸給基站。終端主節(jié)點負(fù)責(zé)自動采集地表及地下的土壤相關(guān)參數(shù)（土壤碳通量監(jiān)測儀提供），并將節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)一起封裝、存儲，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳給碳匯監(jiān)測中心，碳匯監(jiān)測中心負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)顯示、處理、分析與統(tǒng)計。嵌入式數(shù)據(jù)采集終端定時采集觀測區(qū)域的碳匯監(jiān)測數(shù)據(jù)，基于Zigbee通信協(xié)議發(fā)送自身或轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點上的感知數(shù)據(jù)，并最終將數(shù)據(jù)發(fā)送回遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心完成數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計分析及管理。系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該系統(tǒng)采用天嵌公司的TQ210開發(fā)板作為主控模塊，主控芯片采用基于Cortex-A8構(gòu)架的三星S5PV210，其主頻可達(dá)1 GHz，擁有豐富的外設(shè)功能并支持多種操作系統(tǒng)。本研究基于Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行功能開發(fā)。

嵌入式數(shù)據(jù)采集終端主要采集竹林生態(tài)系統(tǒng)中各層高的CO2濃度、大氣溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等環(huán)境數(shù)據(jù)，本地數(shù)據(jù)通信采用基于Zigbee協(xié)議無線傳感網(wǎng)絡(luò)，通過Zigbee協(xié)調(diào)器把采集數(shù)據(jù)匯聚到嵌入式平臺，由嵌入式平臺將數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程GPRS通信模塊上傳到系統(tǒng)監(jiān)控中心，從而節(jié)省通信資源，提高可靠性［10-13］。

該系統(tǒng)中的B530-CO2濃度傳感器模塊、Zigbee通信模塊、FR-WD風(fēng)向傳感器模塊、FR-WS風(fēng)速傳感器模塊、GTM-900-GPRS通信模塊、AT24C02存儲模塊、RH-T土壤濕度傳感器接口電路、LM35D土壤溫度傳感、DHT11大氣溫濕度傳感器模塊等模塊，其與主控模塊及CC2530模塊的接口電路分別如圖2至圖10所示。

圖2 B530模塊接口

圖3 Zigbee協(xié)調(diào)器模塊接口

圖4 FR-WD傳感器接口

圖5 FR-WS模塊接口

圖6 GTM-900模塊接口

圖7 AT24C02模塊接口

圖8 土壤濕度傳感器模塊接口

圖9 LM35D模塊接口

圖10 DHT11模塊接口

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法，系統(tǒng)軟件包括基于嵌入式的數(shù)據(jù)采集平臺軟件和監(jiān)控中心應(yīng)用軟件構(gòu)成，基于嵌入式的數(shù)據(jù)采集平臺軟件由環(huán)境因子采集模塊、基于Zigbee的本地通信模塊、竹林碳匯數(shù)據(jù)采集模塊、Qt數(shù)據(jù)采集應(yīng)用軟件等部分組成，其軟件整體框架如圖11所示。該平臺應(yīng)用軟件需要提供良好的GUI，以便操作；負(fù)責(zé)接收基于Zigbee協(xié)議的本地竹林碳匯數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)打包封裝后按自定義的數(shù)據(jù)格式通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳給監(jiān)控中心平臺的數(shù)據(jù)庫，通信參數(shù)可設(shè)置；能實時存儲采集的數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫；能在觸摸屏上顯示實時數(shù)據(jù)及設(shè)備相關(guān)工作信息。具體軟件子系統(tǒng)如圖12所示。

圖11 系統(tǒng)軟件框架

圖12 基于嵌入式的數(shù)據(jù)采集平臺軟件子系統(tǒng)

3.1 嵌入式主控系統(tǒng)軟件設(shè)計

嵌入式主控系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)的功能：提供良好的GUI，方便操作；接收Zigbee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的采集數(shù)據(jù)并存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫（根據(jù)系統(tǒng)要求和成本考慮，該主控系統(tǒng)定時發(fā)送采集數(shù)據(jù)）；將采集數(shù)據(jù)封裝打包后發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心；在觸摸屏上實時顯示相關(guān)數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)工作參數(shù)設(shè)置等。系統(tǒng)工作過程是操作系統(tǒng)啟動后，初始化各種硬件設(shè)備，并在初始化GPRS遠(yuǎn)程通訊功能后，開啟各線程并啟動定時器任務(wù)，實現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通信。嵌入式主控系統(tǒng)軟件及其主要線程軟件流程如圖13、圖14所示。

圖13 嵌入式主控軟件流程

圖14 主要線程軟件流程

3.2 基于Zigbee的本地通信模塊程序設(shè)計

碳匯數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由基于Zigbee的冠層、地表及地下的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集相關(guān)數(shù)據(jù)并發(fā)送到嵌入式硬件平臺，再將數(shù)據(jù)封裝打包后由該平臺向遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)。其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)接收Zigbee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)，統(tǒng)一封裝打包發(fā)送給平臺，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點執(zhí)行發(fā)送任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器執(zhí)行接收任務(wù)?；赯igbee的本地數(shù)據(jù)采集流程如圖15所示。

圖15 基于Zigbee的本地通信軟件流程

3.3 本地數(shù)據(jù)庫程序設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的功能分析、系統(tǒng)對用戶操作及權(quán)限設(shè)置等各方面的要求，在數(shù)據(jù)庫表設(shè)計的過程中采用一庫多表的方式建立一個數(shù)據(jù)庫來滿足用戶的要求。數(shù)據(jù)庫的邏輯設(shè)計主要是將E-R圖抽象為關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的表，它是整個數(shù)據(jù)庫中最重要的部分，能夠反映各實體及其之間的聯(lián)系。本地數(shù)據(jù)庫含用戶登錄表、數(shù)據(jù)采集信息表、管理員表等。其中用戶表主要記錄該系統(tǒng)用戶數(shù)據(jù)，登錄用戶可以通過登錄本地數(shù)據(jù)庫進(jìn)行基本信息查詢。其主要的字段有用戶編號、用戶名、密碼3個字段，用戶可以通過輸入用戶名以及密碼進(jìn)入系統(tǒng)，其主要結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 本地數(shù)據(jù)庫用戶

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，本地數(shù)據(jù)庫存儲各個傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，主要包括CO2濃度、大氣溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、土壤濕度、土壤溫度等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫字段的設(shè)計如表2所示。

表2 本地數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)采集

3.4 基于嵌入式的數(shù)據(jù)采集平臺GUI設(shè)計

嵌入式系統(tǒng)需要有良好的人機(jī)交互功能，系統(tǒng)操作方便，顯示直觀明了，根據(jù)系統(tǒng)要求，該主體交互界面主要由系統(tǒng)主控、遠(yuǎn)程通信、本地通信及數(shù)據(jù)實時顯示等交互界面構(gòu)成。GUI架構(gòu)如圖16所示。

圖16 基于Zigbee的本地通信軟件架構(gòu)

3.5 監(jiān)控中心應(yīng)用軟件設(shè)計

監(jiān)控中心軟件開發(fā)以ubuntu作為系統(tǒng)開發(fā)平臺，跨平臺的QT Creator作為集成開發(fā)環(huán)境，用C++開發(fā)了一個基于Socket的服務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于Internet網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控功能［14，15］。主要功能模塊有用戶注冊登錄、數(shù)據(jù)實時顯示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及管理員等模塊組成。注冊模塊需要輸入個人姓名、密碼、手機(jī)、郵箱及個人中心等信息以完成用戶注冊。登陸模塊提供給注冊用戶登陸系統(tǒng)，根據(jù)已注冊的賬號輸入正確密碼才能進(jìn)入系統(tǒng)界面。數(shù)據(jù)實時顯示模塊是系統(tǒng)主界面，具有遠(yuǎn)程通信控制功能，可以遠(yuǎn)程控制嵌入式數(shù)據(jù)采集終端發(fā)送數(shù)據(jù)，可以實時顯示嵌入式數(shù)據(jù)采集終端發(fā)送的各種碳匯數(shù)據(jù)并提供數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及數(shù)據(jù)庫接口。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析模塊可以自定義顯示不同時間區(qū)域、不同參數(shù)類型的數(shù)據(jù)并輸出統(tǒng)計數(shù)據(jù)便于分析處理。軟件主架構(gòu)如圖17所示，監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫E-R關(guān)系如圖18所示。

圖17 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心軟件架構(gòu)

圖18 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫E-R結(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果

4.1 嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果

4.1.1 操作系統(tǒng)調(diào)試 嵌入式系統(tǒng)采用Linux操作系統(tǒng)。測試Linux操作系統(tǒng)運行過程是先運行u-boot，由u-boot引導(dǎo)啟動內(nèi)核，然后加載操作系統(tǒng)，最后運行應(yīng)用程序。

4.1.2 本地通信模塊調(diào)試 本地通信模塊由一個Zigbee協(xié)調(diào)器和多個設(shè)備節(jié)點組成。系統(tǒng)工作前，需進(jìn)行Zigbee組網(wǎng)。首先，打開Zigbee協(xié)調(diào)器，等待設(shè)備節(jié)點的自動接入網(wǎng)絡(luò)。然后，打開Zigbee設(shè)備節(jié)點，若組網(wǎng)指示顯示則表示該設(shè)備節(jié)點已經(jīng)組網(wǎng)成功，可以從相應(yīng)傳感器讀取數(shù)據(jù)，發(fā)送給協(xié)調(diào)器。

4.1.3 遠(yuǎn)程通信模塊調(diào)試 嵌入式操作系統(tǒng)通過UART串口控制遠(yuǎn)程通信模塊發(fā)送實時采集到的數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程通信模塊主要實現(xiàn)了GPRS模塊的初始化，GPRS模塊設(shè)置好相應(yīng)的IP和端口號后，基于TCP協(xié)議實現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的通信。

4.1.4 數(shù)據(jù)傳輸測試 當(dāng)以上步驟都正常完成后，可以運行系統(tǒng)應(yīng)用軟件，啟動數(shù)據(jù)傳輸功能后，系統(tǒng)顯示如圖19所示。

圖19 嵌入式系統(tǒng)運行

4.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心軟件調(diào)試與結(jié)果

4.2.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心——系統(tǒng)注冊 系統(tǒng)注冊界面由個人信息輸入框組成。只要正確地輸入所有的信息，系統(tǒng)會自動幫用戶注冊一個新的賬號，注冊成功后，可以在登錄界面中登錄。

4.2.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心——系統(tǒng)登錄 系統(tǒng)登錄由賬號輸入框、密碼輸入框、登錄按鈕，注冊按鈕組成。點擊注冊按鈕，可以進(jìn)入注冊界面，可以注冊新賬號。在賬號輸入框輸入已申請的賬號，在密碼框輸入正確的密碼，驗證成功后即可進(jìn)入主界面，進(jìn)行瀏覽及查詢。

4.2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心——數(shù)據(jù)實時顯示子系統(tǒng) 該子系統(tǒng)由賬號信息、在線客戶端數(shù)量顯示、服務(wù)器及數(shù)據(jù)采集控制、采集數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計、數(shù)據(jù)庫模塊及通信設(shè)置等部分組成。

4.2.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心——數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析子系統(tǒng) 該子系統(tǒng)可以實時顯示嵌入式數(shù)據(jù)采集終端發(fā)送的各種碳匯數(shù)據(jù)并提供數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及數(shù)據(jù)庫接口。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析模塊可以自定義顯示不同時間區(qū)域、不同參數(shù)類型的數(shù)據(jù)并輸出統(tǒng)計數(shù)據(jù)便于分析處理。該模塊由統(tǒng)計時間設(shè)置、統(tǒng)計數(shù)據(jù)設(shè)置、終端節(jié)點編號設(shè)置、數(shù)據(jù)輸出設(shè)置等部分組成。

5 小結(jié)

基于微氣象學(xué)原理搭建了一套基于Linux操作系統(tǒng)的嵌入式碳匯數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用Zigbee和GPRS無線模塊實現(xiàn)碳匯數(shù)據(jù)在本地節(jié)點與后臺服務(wù)器之間的遠(yuǎn)程傳輸功能，利用Qt編寫了遠(yuǎn)程監(jiān)控中心軟件。系統(tǒng)實現(xiàn)了竹林碳匯監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動無線監(jiān)測與采集，系統(tǒng)人機(jī)交互友好，利用遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)有統(tǒng)計模型可以實現(xiàn)竹林碳匯計量功能。為搭建竹林碳排放及碳匯定量監(jiān)測平臺、實時發(fā)布區(qū)域碳收支信息奠定基礎(chǔ)；為全球碳收支平衡提供依據(jù)。今后將根據(jù)需要將智能采集數(shù)據(jù)進(jìn)行深度統(tǒng)計分析碳匯數(shù)據(jù)，為政府及有關(guān)部門提供決策依據(jù)，以提高森林碳匯的管理效率和水平。