樹徑及其環境信息遠程動態監測系統的研究

張百杰，李文彬，王 虓，郝志斌

（北京林業大學工學院，北京 100083）

國內外、尤其是國內關于樹木的生長規律特別是日變化、月變化等研究較少，這在一定程度上受到了測量精度和數據采集頻率的影響。現在無線傳感器網絡正成為一種趨勢，尤其是低功耗的無線傳感器節點由于其功耗低、成本低、體積小、精度高等特點使得其成為遠程數據采集的主流。但是目前將樹徑測量傳感器和無線傳感器網絡結合的研究還很少，將無線傳感器網絡應用在溫室大棚和林火監測上面的研究較為成熟[1-4]。筆者研究一種將立木胸徑傳感器和低功耗無線傳感器網絡節點相結合的系統，并且自行設計了太陽能供電模塊，保證系統節點的供電。該系統定時對樹木胸徑的信息、林地溫度、濕度以及煙霧傳感器和火焰傳感器等信息進行采集，并經網關節點上傳到服務器，通過訪問服務器對林地環境和樹木胸徑生長的信息進行實時遠程監測，同時進行火災遠程動態監測和預警預報，對減少森林災害具有重要意義。采集的數據建立的數據庫，可為樹木生長與環境因子之間的關系研究提供參考。

1 系統的組成

該系統主要由樹徑傳感器、煙霧傳感器、火焰傳感器、紫外傳感器、無線傳感器網絡節點（即普通傳感器節點）、協調器節點、網關節點、太陽能供電系統組成。普通傳感器節點與上述各傳感器連接，采集的數據經過協調器節點向網關節點傳送，最后通過服務器進行實時監測。其中，太陽能供電系統為無線傳感器網絡節點供電。具體可參見圖4。

1.1 立木胸徑測量傳感器及測量原理

系統以低碳環保為目標，故對于傳感器的要求是低功耗，反應靈敏、適合激勵電壓采集，精度高，經過綜合考慮選擇德國ECOMATIC公司的DC2樹徑生長量測量傳感器[5-12]。

德國ECOMATIC公司的DC2樹徑生長量測量傳感器，是基于直線位移檢測原理，將樹木胸徑的變化通過固定長度的不銹鋼剛性圍繩（溫度系數<1.4×10-6/K）反映到傳感器的電阻變化上，具體見圖1和圖2。該傳感器由于是電阻式的傳感器，對于輸入電壓要求小；靈敏度高，響應快，可以使用激勵電壓進行數據采集，大大地降低了采集節點的功耗。傳感器采集到的數據經過數學模型公式（1）轉化為周長變化，進而計算出直徑變化量。數學模型公式如下：

其中Ci為測定時樹木的周長值，R0為初始標定的半徑，V0為初始的傳感器壓縮量，式中的數值102為傳感器自身長度參數，即彈簧處于自然狀態時候測頭端到樹干的距離。在計算時候將Ri近似于Ri－1，通過數列的推導最后得出上面公式。計算的核心部分是剛性圍繩的長度為定值（即圖1中虛線長度減去其兩切線之間圓弧的長度值和實線長度減去其切線中間圓弧長度值相等），整個計算和推導過程圍繞該核心部分進行。該樹徑傳感器不需要外部電源供電，工作溫度范圍較廣，耐低溫和高溫，傳感器的溫度系數根據測量電路可以達到<0.1 μm/k。量程為15 mm，通過重新標定可以無限調大；質量輕，便于野外安裝，同時對樹木本身無損傷、不影響樹木生長。在安裝中，主要靠皮帶的彈性將傳感器固定在樹干上面，具體安裝圖如圖2：

圖1 數學模型原理圖

圖2 樹徑傳感器示意圖

1.2 煙霧傳感器、火焰傳感器和紫外傳感器

煙霧傳感器選擇MS5100煙霧傳感器，根據森林火災的監測目的，采用激勵電壓供電、同時不需要預熱，經實驗測量該傳感器可以達到系統要求，快速地檢測到林地的煙霧濃度；火焰傳感器根據紅外輻射的原理，感知火焰，監測林地范圍內的火焰情況，配合煙霧傳感器對火災進行實時地監測和預警。紫外傳感器，可以根據檢測到紫外強度判斷天氣狀況，配合采集節點上的溫濕度傳感器的數值，為樹木的生長機理研究提供有價值的數據庫，推進樹木生長機理等基礎研究。

1.3 無線傳感器網絡節點和采集板

該無線傳感器網絡的節點采用crossbow公司的IRIS節點和MDA300采集板進行數據的采集。IRIS節點由處理器XM2110和射頻芯片RF230構成。XM2110基于一款低功耗的ATmega1281處理芯片。IRIS節點與數據采集板MDA300構成普通無線傳感器網絡節點，二者通過51針串口相連。IRIS節點工作在2.4 GHz、支持IEEE 802.15.4/ZigBee協議，具有更廣的作用范圍，傳輸距離較以往產品提高3倍，并且超低功耗。

MDA300采集板上集成了溫、濕度傳感器，具有12位分辨率。內置的溫濕度傳感器，可以檢測節點系統的安全同時對環境的溫濕度進行監測和上傳數據，為樹木生長因子的分析和生長規律的研究提供可靠的數據庫。另外有2個2.5 V、1個3.3 V、1個5 V的激勵電壓口，給火焰傳感器、樹徑和紫外等傳感器提供外部激勵電壓，通過編程控制激勵電壓的產生頻率和數據采集頻率，大大減少節點的能量消耗。該節點可以電源提供3.3 V供電（太陽能）也可以采用AA電池供電。

1.4 節點的太陽能供電系統

節點的供電系統主要根據太陽能充電、鋰電池供電的模式，設計了一個供電系統。具體見圖3。

圖3 太陽能供電系統圖

上圖是一個利用太陽能光電板+鋰電池+穩壓芯片構成不間斷的低功耗電源系統。太陽能光電板從光/伏轉換成微量的電能通過二極管，經由充放電控制電路對鋰進行充電。同時也供穩壓芯片提供電壓輸入，芯片輸出3.3 V電壓供給系統使用。二極管主要防止反向放電，充放電控制電路主要監測鋰電池電壓，當鋰電池充滿時候充電電路被斷開，太陽能直接通過穩壓芯片給節點供電；當鋰電池電壓過低時候斷開放電電路，保護電池。穩壓芯片為超低功耗、低壓差的芯片，靜態電流<1μA。這樣的電路非常適合于低功耗的戶外設備中使用，具有環保、高效的特點。其中鋰電池選擇為3.7 V，4 000 mAh，保證了系統在陽光不充足或者陰天等情況下長時間供電的順利進行。

2 林地監測試驗

該系統主要由普通傳感器節點經過協調器節點向網關節點傳送數據，網關節點再將數據打包通過GPRS網絡傳送到服務器上面，我們可以通過實時監測界面進行查看信息，獲取信息。普通傳感器節點連接各種傳感器如樹徑傳感器、火焰傳感器和煙霧傳感器和紫外傳感器等，具體結構和功能見圖4。

圖4 系統的結構和功能框圖

為了驗證系統的可靠性，在實際部署中，用了5個節點，分別為標號為0、2、3、5、7，節點通過自組網的方式組成無線傳感器網絡，組網方式為網狀網絡。其中0號節點連接在MIB520上作為協調節點、協調節點安裝在網關節點上，3和5號節點連接了樹徑傳感器（見圖5）、7號節點連接了煙霧濃度傳感器。監控程序可以對每個節點的傳感器數據如溫度、相對濕度、煙霧濃度以及傳感器的電壓值（或者胸徑值）等參數進行實時顯示，設定溫度、焰火和煙霧預警值以及超過預警值報警。其中樹徑生長量傳感器的安裝如圖2所示安裝，將IRIS節點和MDA300采集板連接好后裝在塑料盒子里面并將天線外置，外面加上自行設計的防護盒，使節點上面的傳感器既能采集數據又能防止塵土、雨水以及昆蟲等進入。防護盒上面加太陽能采集板對節點電池充電，增加電池的壽命，保持系統正常運行。

圖5 監測網絡系統圖

試驗林地為學校森工樓南側和西側林地，選取的對象為1棵加拿大楊樹和1顆英國梧桐。試驗時間為2011年3月初至今。樹徑傳感器在安裝后需要記錄原始標定值如英國梧桐的安裝初始的電壓701 mv、周長1 500 mm，加楊安裝初始電壓1 373 mv、周長970 mm。

3 試驗數據分析

3.1 試驗數據

通過網關可查看到實時監測的數據，對數據進行了分析，驗證了其可靠性。煙霧傳感器在普通的情況下一般電壓值只有10 mv以下，當有煙霧的時候該數值迅速上升至幾百毫伏，通過多次試驗驗證其靈敏性；火焰（紅外輻射）傳感器在檢測到火焰時輸出值迅速上升至1 800 mv以上，反應時間小于半秒，煙霧傳感器配合火焰（紅外輻射）傳感器的應用可以更好地達到森林火災預警的目的。同時，節點上的紫外傳感器模塊用于輔助測量天氣狀況，其安裝在林地光照較好區域，一般一個林地安裝1～2個節點即可，本試驗安裝一個；陰天時候輸出為0左右，晴天電壓值150～300 mv（具體值根據實際安裝地點進行標定）。對于樹徑傳感器的測量值，通過資料查考，驗證了測量結果符合樹木在一天和一段時間直徑的變化以及外界干擾下（如林地灌溉或者下雨等）的變化規律。具體如圖6所示。

圖6 樹徑的日變化

從圖6中可以看出，該樹木直徑的生長主要集中在一天中的19∶00～次日8∶00內，根據相關資料[13-14]解釋，這段時間空氣相對濕度較高，樹木吸收水分，細胞的含水率較高使得樹木的直徑生長較快，而10∶00～17∶00時這段時間，空氣的相對濕度迅速下降，樹木的蒸騰作用、代謝速率等原因使得細胞的含水率下降，故曲線呈現下降趨勢。

從圖7中可以看出，4月22后英桐和加楊的變化量都呈現出不同程度的迅速增大趨勢，而且數據回落不多，總趨勢是增大，而在4月22前由于溫濕度等影響，加楊和英桐的直徑變化都在零線附近，幾乎不增長。由此可以看出2011年4月下旬英桐和加楊呈現出開始生長的趨勢，之前由于雨水較少，細胞含水率低，故稍有下降趨勢，但是總體上是處于波動狀態，這和一天中的溫濕度有很大相關性。以上數據通過資料[15-16]的查考，證實該系統測量精確、可靠。由于樹木生長較慢，年徑變化量也超不過2 cm，故試驗繼續進行，其他數據和分析需要長期測量后分析。

圖7 樹徑月變化量

其他相關分析比如樹徑和溫濕度關系等曲線就不在此一一列出，溫度和濕度傳感器都經過校準，數據十分精確。

3.2 分析

該系統比較穩定，效果良好，基本達到了預期的效果。總結分析該系統有如下特點。

（1）樹徑生長量測量裝置中采用的傳感器是電阻傳感器，而電阻式傳感器相比于其他的電容式、容柵、光柵以及編碼器等系列傳感器具有原理簡單、無需電源供電、干擾因素少，工藝方面采用國外先進導電塑料和線性修刻技術，使得該傳感器的分辨率可以無限小，實際數據由采集板ADC的分辨率決定，經過一段時間的測量，樹徑生長量測量裝置測量的數據較為精確，采集板12位的ADC分辨力可以達到7μm。

（2）傳感器的輸入可以通過采集板進行小電壓供電，并且使用激勵電壓供電，進一步大大地減少了能量的消耗，同時太陽能供電系統的應用使得節點供電時間被大大地延長，達到低功耗、環保節能的目的。

（3）樹徑生長量的轉化公式中的周長計算方法是經過嚴密的數學推導而來，其整個公式中只有Ri=Ri-1這一處近似（由于兩次采集的時間間隔較短，樹木的直徑基本無變化），但是這種計算方式要求選定的樹干接近圓形，越接近計算的結果越精確。

（4）該系統采用低功耗的工作在2.4 GHz、支持IEEE 802.15.4/ZigBee協議的IRIS節點，具有更廣的作用范圍，傳輸距離較以往產品提高三倍，并且具有超低功耗，相對以往產品休眠電流減半；并可以在應用程序的中修改節點采樣頻率，也可以通過MoteWorks自帶軟件MoteConfig限制節點的發射功率；同時由于系統增加了太陽能電池板的使用，從而給系統帶來更長的電池壽命。

（5）同比于其他樹徑測量裝置，該裝置對樹木無任何損傷，不影響樹木的正常生長。

該系統雖然各方面性能良好，但是由于系統比較復雜，煙霧傳感器和紅外傳感器需要外接，接線比較多，不利于長期使用，需做進一步改進。

4 結論

將樹徑傳感裝置、無線傳感器網絡以及太陽能供電系統有機地結合起來，建立了一個使用便捷、精度高、節能環保的監測系統。通過實際應用得出以下結論。

（1）此無線傳感器網絡應用在樹徑及其環境信息實時監測系統上是可靠的，特別是對人工林地或者試驗林地環境中，進行樹徑和林地環境數據采集以及林地防火預警工作提供了一個確實可靠的系統和工具，向數字化林業邁進了一大步。

（2）該系統中樹徑傳感器精度高、反應靈敏、體積小，可以最大地實現測量的精確度。

（3）該系統可以為樹木生長機理以及生長因子相關關系的研究提供可靠的數據庫。

（4）該網絡穩定、可靠，繞過障礙物傳輸能力強，節點林間傳輸距離大于100 m，對于試驗林地來說足夠用，而且耗能低，兩節AA電池可以連續使用3個月，現使用的太陽能供電模塊預計可以保證至少2 a的連續供電。

下一步可以繼續研究樹高的測量方式和技術，實現樹木生長量無線監測系統的建立，并同時將遠程監測平臺的界面優化，達到可以隨時查看各種生長曲線等信息的要求。

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