活立木生物電及其環境因子遠程監測系統的設計

徐 慶，闞江明，郝志斌

(北京林業大學 工學院，北京 100083)

活立木生物電是指在活立木的韌皮部、木質部等部分與其附近土壤之間存在的持續、穩定、微小的電勢差或微電流[1]。從20世紀70年代開始，科學家們就發現了這一現象，Voltree公司從2005年起便開始使用樹力電路[2]。無線傳感器網絡是近幾年發展起來的一種用于環境信息采集與監測的信息技術，并且在農林業環境監測中開始研究與應用[3]。因為無線傳感器網絡節點一般不用市電供電，其供電問題一直是一個沒有很好解決的關鍵問題。由于目前主要采用電池供電，定期更換電池是一個非常麻煩的工作[4]。目前研究中涉及的太陽能、光能、風能、振動能、壓電能、電磁波能和熱能等環境能在森林環境中都不太適用[5]。由于活立木生物電勢差普遍存在且連續，若采用一定的微能量收集技術將它收集起來，便可以對林區低功耗無線通訊設備進行供電，進一步促進森林信息監測[6]。但是對于這種電信號產生的機理，至今尚未得到一個清楚的定論。早先科學家們認為是由于“流動電位”原理而產生的，即在根壓和蒸騰作用的共同影響下，樹液在樹木內部流動而產生的電勢差，并且這種電勢差會受到環境的影響[7-8]。然而麻省理工學院生物物理學家兼Voltree公司科學顧問Andreas Mershin等則認為，產生這種電勢差的原因可能是由于活立木內部液流與周圍土壤之間的酸堿度(pH值)差造成的，并通過盆栽的垂葉榕實驗發現酸堿度的改變確實影響這種電勢差，研究還發現樹木與其周圍的土壤之間的PH值差異可以產生幾十到幾百毫伏的電勢差[9-10]。北京林業大學的李文彬教授對其校園內的楊樹、懸鈴木、側柏和杜仲樹與其周圍土壤之間存在的生物電信號進行測量，發現電勢差的范圍在-57～553 mV之間，電流在12～38 μA之間。不同樹種與其周圍土壤之間的生物電信號不相同，且與季節、土壤等環境因素有關。他所采用的測量方法是：將金屬探針打入活立木樹干中，在附近土壤30 cm深處埋入金屬電極，在探針和電極之間連接一個2MΩ的電阻，通過萬用表測得電阻兩端的電壓值，便得到了活立木生物電信號的電壓值。

但若需探明活立木生物電產生的機理，分析出它與環境因子之間的關系，需要進行大量數據測量。而人工測量的方法，在測量效率和數據實時性等方面存在不足，因此需要設計一套活立木生物電及其環境因子監測系統，用于實時監測活立木生物電及周圍環境因子的大小，并將采集到的數據遠程傳輸至計算機上。

本文介紹了一種活立木生物電及其環境因子監測系統，該系統由基于MSP430F149單片機的下位機系統和基于VB6.0的上位機系統組成，它們之間通過GPRS網絡進行遠程數據傳輸。活立木生物電弱信號通過放大電路經A/D轉換后輸入至單片機，其他環境因子通過各類傳感器輸入至單片機中。單片機將數據暫時存放在ROM中，一段時間后，通過GPRS模塊將數據遠程傳輸至指定IP的上位機。上位機通過基于VB6.0編寫的軟件程序實時接收下位機傳來的數據，利用Socket控件實現網絡通信，利用ADO控件實現與Access 2003數據庫進行連接，并將數據存入Access數據庫中。同時軟件還可以完成歷史數據查詢、篩選，對指定數據進行曲線繪制，完成數據分析。

1 系統組成

系統由下位機系統、GPRS無線網絡、上位機服務器以及上位機軟件組成。下位機系統由MSP430F149單片機、生物電弱信號放大電路以及各傳感器組成，主要用于采集活立木生物電電壓大小以及活立木周圍環境因子；GPRS無線網絡的主要任務是將下位機采集到的數據傳輸到上位機服務器；上位機服務器為一臺有固定IP地址的PC機，用來接收通過GPRS網絡傳來的數據；上位機軟件將服務器接收的數據存入數據庫中，并完成數據的顯示和初步分析。系統的整體組成如圖1所示。

圖1 系統整體組成

2 下位機系統

下位機系統以單片機MSP430F149為控制核心，結合多種傳感器，用于采集活立木與附近土壤之間的電勢差、活立木附近的空氣溫濕度、土壤溫濕度及光照強度等環境因素，并通過GPRS網絡將數據發送至遠程服務器。硬件系統包含單片機模塊、傳感器及其接口模塊、無線通信模塊和電源模塊。單片機模塊包括單片機MSP430F149及其外圍電路，作為系統的控制單元，控制系統其它模塊正常運行，圖2為單片機系統原理圖；傳感器及其接口模塊包括部分傳感器及其它傳感器接口，可采集相應參數信息，并由單片機讀取和存儲；無線通信模塊包括GSM/GPRS模塊GTM900C及其外圍電路、SIM卡電路，可在單片機控制下將數據通過GPRS網絡發送至遠程服務器；電源模塊包括LM2576-ADJ及其外圍電路、MIC5219-3.3及其外圍電路、ICL7660及其外圍電路，分別為系統提供4.2、3.3和-4.2 V電壓。下位機系統結構框圖如圖3所示。

下位機系統具有多種信號采集功能，可同時用于采集活立木與大地之間的電勢差、活立木附近的空氣溫濕度、土壤溫濕度及光照強度；電勢差的測量量程可調節；選用低功耗單片機MSP430F149作為控制核心，通過驅動程序控制周期性工作；采用分區供電方式，部分電路可在不需要工作時停止供電；可通過GPRS網絡向遠程服務器發送數據，可靠便捷；提供多種傳感器接口和數字通信接口，功能擴展性強。

3 GPRS無線網絡

系統采用GPRS無線網絡作為系統數據信息傳輸的紐帶，通過RS-232連接下位機系統中的MSP430F149單片機。GPRS以封包(Packet)式來傳輸，和以往連續在頻道傳輸的方式不同，理論上使用者應負擔的費用依據傳輸資料單位計算，并不是使用其整個頻道，所以價格較為便宜[11]。使用GPRS傳輸速率可提升至56 甚至114 kbps 以上，而且省去了現行無線應用所需要的中介轉換器[12]，因此連接和傳輸都會更方便容易。系統數據信息傳輸過程如圖4所示。

圖2 單片機系統原理圖

圖3 下位機系統結構框圖

圖4 系統數據信息傳輸

4 上位機服務器及軟件

4.1 Winsock控件

上位機服務器是具有Internet接入能力的PC機，它配置固定的IP地址，與GPRS網絡相連。下位機系統上電啟動成功后，會在驅動程序的控制下，自動連接上指定IP地址的上位機服務器。系統正常工作時，服務器主要應用Winsock控件來實現數據的接收，利用該控件可以與下位機的GPRS模塊建立連接，通過TCP協議進行數據的交互。一旦服務器端接受了下位機客戶機端方面的連接請求，下位機便可以發送數據。此時，在下位機和服務器之間就擁有了一個Socket，通過此Socket實現數據傳輸[13]。

4.2 ADO控件

上位機軟件采用可視化人機界面將接收到的數據進行實時顯示，通過ADO訪問系統數據庫，將采集到的數據保存至數據庫中，當需要查看的時候，根據用戶需要，通過表格或者動態曲線圖的形式顯示出來。也可以實現對歷史數據按照測量時間、測量地點、活立木樹種等條件進行篩選查詢。

4.3 數據庫

本系統使用的數據庫通過Microsoft Access 2003創建，用來存放、維護和檢索系統采集到的數據。在本數據庫中共設計了三個表，分別為“生物電與因子”、“位置樹種”、“用戶管理”。“生物電與因子”表用來直接存放下位機實時傳來的數據，由“Data Num”、“Date”、“Time”、“Node Address”、“Vbat”、“Close V1”、“Close V2”、“Air Temperature”、“Air Humidity”、“Soil Temperature”、“Soil Moisture”、“Light Intensity”12個字段組成，“Node Address”為主碼。“位置樹種”表用來存放不同編號的活立木所處的地點以及樹種名稱，由“Node Address”、“Location”、“Type”3個字段組成，同樣地，“Node Address”為主碼。“用戶管理”表主要用來記錄可以正常登錄系統的用戶名及密碼。

4.4 上位機軟件程序流程

當系統通過Winsock控件與下位機系統、通過ADO控件與數據庫連接成功后，用戶可利用具有可視化人機界面的上位機軟件進行數據的查詢、分析。軟件的程序流程圖如圖5所示。

圖5 上位機軟件程序流程圖

4.5 上位機軟件界面設計

軟件界面由歡迎界面、登錄界面、主界面、數據篩選查詢界面、數據曲線界面組成。打開軟件程序后，歡迎界面提示用戶系統的名稱。用戶點擊鼠標左鍵后，軟件載入登錄界面，用戶正確輸入用戶名和密碼后進入系統主界面。在主界面中，用戶可根據需要選擇“實時數據”進行歷史數據查看；選擇“數據查詢”對歷史數據按條件進行篩選查詢；選擇“數據分析”把歷史數據繪制成動態曲線，進行分析；選擇“退出系統”關閉軟件程序。系統主界面截圖如圖6所示。

圖6 上位機軟件主界面

4.6 歷史數據顯示

在“實時數據”界面中主要采用DataGrid控件和Adodc控件。Adodc控件的相關屬性配置如下：CommandType選擇2-adCmdTab.le；ConnectedString屬性在通用界面中選擇“使用連接字符串”，在“生成”選項的“連接”子菜單中按路徑選擇要連接的數據庫data.mdb；RecordSource屬性選擇將要連接的表“生物電與因子”[14]。而對于DataGrid控件，只需將它的DataSource屬性選擇Adodc1。在窗體載入的時候，利用Adodc1.Recordset.Update命令，便可以刷新DataGrid控件上的數據，完成歷史數據在表格中的顯示。

4.7 數據篩選查詢

用戶可根據需要，對歷史數據按照一定條件進行查詢。在本系統中，可以單一條件查詢，也可以多條件查詢。查詢界面如圖7所示。在程序中，通過SQL語言中的SELECT語句完成數據篩選。例如，選擇某一編號的活立木在都以日期下的數據，程序代碼如下：sql="select * from 生物電與因子 where Node Address like '%" & Trim(Text1.Text & " ")& "%' and Date like '%" & Trim(Text2.Text & " ")& "%'"；選擇某一樹種在某一位置下的數據，程序代碼如下：sql="select * from 生物電與因子 where Node Address in(select Node Address from 位置樹種 where Type like '%" & Trim(Combo2.Text & " ")& "%')and Date like '%" & Trim(Text2.Text & " ")& "%'"。

圖7 數據查詢界面

4.8 數據曲線繪制

為了方便用戶更加直觀地分析采集到的數據，軟件具有根據歷史數據繪制成曲線的功能。在窗體上采用Chart控件完成曲線的繪制，采用PixtureBox控件實現曲線的顯示[15]。在程序中，將數據庫中將要繪制的數據存到數組Array(i)中；數組中數據個數賦給Chart1.Rows，即圖象橫坐標長度；圖像縱坐標的上、下界分別為Chart1.MaxValue、Chart1.MinValue。在窗體加載時，采用RefreshGraph方法完成圖象的更新和顯示。圖8為系統2013年12月21日在北京林業大學校園內所測得的一組活立木生物電與空氣溫度和土壤溫度數據，繪制出的它們之間的關系曲線圖。

圖8 數據曲線圖

5 結束語

本文從下位機采集系統、GPRS遠程數據傳輸系統、上位機數據處理系統三個方面，介紹了活立木生物電及其環境因子實時監測系統的設計。在這個系統中，活立木生物電與周圍環境因子為測量對象，通過弱信號放大、A/D轉換、傳感器接口等方法，將測量數據讀入并暫時儲存至MSP430F149單片機中。再通過GPRS模塊，將ROM中保存的數據遠程傳輸至服務器PC機端，進而得到大量的活立木生物電與周圍環境因子數據。通過設計好的上位機軟件，可將得到的數據進行查詢、篩選、曲線繪制等，進而對數據進行簡單的分析。

系統設計完畢后，通過在北京林業大學校園內對美桐樹進行實地測試。通過比較傳輸至PC機端的數據和實地測量的數據，誤差較小，系統整體運行良好，滿足設計要求。該系統可直接運用于后期的深入研究中去，對于進一步地分析、研究活立木生物電具有重要意義。

【參 考 文 獻】

[1]Wright J P，Fisher D B.Measurement of sieve tube membrane potential[J].Plant Physiology，1981，67：845-848.

[2]Kasyap A.Development of MEMS-based piezoelectric cantilever arrays for vibrational energy harvesting[D].USA：University of Florida，2010.

[3]司海飛，楊 忠，王 珺.無線傳感器網絡研究現狀與應用[J].機電工程，2011，28(1)：16-20.

[4]張永梅，楊 沖，馬 禮，等.一種低功耗的無線傳感器網絡節點設計方法[J].計算機工程，2012，38(3)：71-73.

[5]陶桓齊，劉文琮，馬雙寶.無線傳感器網絡在森林監測中的應用[J].測控技術，2010，29(2)：5-7.

[6]Thomson E A.Prevention forest fires with treepower[EB/OL].http：// web.mit.edu/ newsoffice/ 2008/ trees-0923.html.

[7]Labady A J，Thomas D J，Shvetsova T，et al.Plant bioelectrochemistry：effects of CCCP on electrical signaling in soybean[J].Bioelectrochemistry，2002，57：47-53.

[8]Fensom D S.The Bio-electric potentials of plants and their functional significance：I.An electrokinetic theory of transport[J].Canadian Journal of Botany，1957，35(4)：573-582.

[9]Love C J.，Zhang S，Mershin A.Source of sustained voltage difference between the xylem of a potted ficus benjamina tree and its soil[J].PLoS ONE，2008，3(8)：e2963.

[10]Koppán A，Fenyvesi A，Szarka L，et al.Measurement of electric potential difference on trees[J].Acta Biologica Szegediensis，2002，46(3-4)：37-38.

[11]高 麗，鄭衛紅.GPRS網絡遠程數據采集監控系統研究[J].電子技術與軟件工程，2013(8)：19.

[12]湯 丹，匡曉紅.一種 GPRS 接入系統及安全解決方案[J].計算機應用與軟件，2010，27(1)：134-137.

[13]羅正衛，劉建群.Windows(客戶端)和 MS-DOS(服務器)網絡通信的實現[J].計算機技術與發展，2010，20(4)：191-194.

[14]蔣鐵海.在VB程序中用ADO動態打開Access數據庫和表[J].計算機時代，2001(9)：25.

[15]王澤靜，秦敬玉，米春旭.高精度電阻數據自動采集與動態顯示系統設計[J].山東大學學報(工學版)，2010，40(4)：133-137.