面向智慧林業(yè)環(huán)境因子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)探究

包琳

摘 要：針對(duì)目前傳統(tǒng)林業(yè)在監(jiān)測(cè)環(huán)境因子方面存在的體系不全面和力度集成度不高的原因，主要可以通過(guò)設(shè)計(jì)一種最原始的ARM和FPGA架構(gòu)來(lái)全面地作為環(huán)境因子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的終端。并在并入有效嵌入式處理器的基礎(chǔ)上，再采用多功能的傳感器來(lái)當(dāng)做傳感器的收集模塊，最終再?gòu)慕K端將所采集到的數(shù)據(jù)和信息存儲(chǔ)和打包之后傳輸?shù)椒?wù)器，并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)，從而更加有效地實(shí)現(xiàn)全面地森林環(huán)境監(jiān)測(cè)。這些數(shù)據(jù)將會(huì)對(duì)林業(yè)資源的評(píng)估的發(fā)展有著重要的參考價(jià)值。本文主要針對(duì)面對(duì)智慧林業(yè)環(huán)境因子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)進(jìn)行全面的探查。

關(guān)鍵詞：智慧林業(yè);環(huán)境因子;監(jiān)測(cè)系統(tǒng);研究策略;設(shè)計(jì)策略

因?yàn)榱謽I(yè)監(jiān)測(cè)的方面一般都面臨著離散性強(qiáng)和廣闊性的特性，從而使得廣大林業(yè)工作者一直都會(huì)有動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)困難、監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度不高等諸多方面的問(wèn)題。而“智慧林業(yè)”的誕生也就顯得尤為重要。“智慧林業(yè)”在發(fā)展的過(guò)程中不斷地嵌入了云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等高新技術(shù)。只有通過(guò)對(duì)林業(yè)環(huán)境資源進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè)才能夠更好地掌握林業(yè)資源和環(huán)境的變化，并更好地促進(jìn)現(xiàn)代林業(yè)的發(fā)展。只需要在監(jiān)測(cè)的終端使用的核心芯片內(nèi)部嵌入Linux系統(tǒng)作為有效的操作系統(tǒng)，才能夠更好地實(shí)現(xiàn)通過(guò)采集數(shù)據(jù)信息來(lái)對(duì)林業(yè)環(huán)境更好地遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

一、環(huán)境因子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的概念

環(huán)境因子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)本身指的是針對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部典型區(qū)域內(nèi)部的光、風(fēng)、氣壓和降水等常規(guī)的氣象因子進(jìn)行系統(tǒng)和全天候的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，最終的目的是為了更好地測(cè)量森林內(nèi)部呈現(xiàn)梯度分布的相關(guān)特征的氣候因子，并更好地測(cè)量不同森林植被類(lèi)型的小氣候的差異。環(huán)境因子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的存在的最終目的是讓相關(guān)部門(mén)對(duì)森林底部的小氣候效應(yīng)和對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的影響提供全方位的數(shù)據(jù)支持。

智慧林業(yè)環(huán)境因子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)本身也屬于一類(lèi)規(guī)范的綜合生態(tài)監(jiān)測(cè)站，主要支持多種傳感器來(lái)更好地搭配在一起，并全面地觀測(cè)包括風(fēng)向、溫度、濕度、光、地下水位、太陽(yáng)輻射、氣體濃度和樹(shù)莖等相關(guān)的要素。在工作的過(guò)程中，這樣一個(gè)系統(tǒng)往往能夠更好地監(jiān)測(cè)各種氣象環(huán)境因子和空氣水環(huán)境因子，并在這之后更好地提供長(zhǎng)期連續(xù)的準(zhǔn)確生態(tài)氣候的變化數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)可以在野外各種環(huán)境下被使用，整體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量極大。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智慧林業(yè)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是由監(jiān)測(cè)終端和服務(wù)器端口組成的。而整個(gè)服務(wù)器端口內(nèi)部又主要由信息查詢(xún)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊組成。此外，監(jiān)測(cè)的終端又被安置在測(cè)試森林區(qū)域內(nèi)部，又是由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組成。采集數(shù)據(jù)的模塊在硬件系統(tǒng)中一直都占據(jù)重要地位。主要是由多種類(lèi)型的傳感器接入不同類(lèi)型的電路組成。

總體而言，不同類(lèi)型的電路主要由這幾種構(gòu)成。第一，數(shù)據(jù)處理電路主要是由終端處理器和看哦內(nèi)置中心的板塊組成，Zynq為整體電路中的核心。而開(kāi)發(fā)板的內(nèi)部又主要由FPGA模塊、DDR3緩存電路、時(shí)鐘電路和變壓電路等組成。而數(shù)據(jù)傳輸電路又主要是由中興ME37604G模塊接入電路和以太網(wǎng)接入電路組成。

當(dāng)整個(gè)森林的內(nèi)部接入電路進(jìn)行工作之后，采集模塊可以通過(guò)功能傳感器采集環(huán)境中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，再通過(guò)接口和有效電路來(lái)傳至開(kāi)發(fā)板上的FPGA處理器。當(dāng)整體溫度超過(guò)預(yù)定的值時(shí)就會(huì)有報(bào)警的信號(hào)出現(xiàn)，并發(fā)送給特制的FPGA處理器，以便能夠更好地實(shí)現(xiàn)溫度的控制和報(bào)警工作。當(dāng)處理器上的溫度超過(guò)預(yù)設(shè)值的終端時(shí)，也就會(huì)有相關(guān)的信號(hào)回傳給FPGA處理器，從而順利地實(shí)現(xiàn)溫度的控制和報(bào)警。

當(dāng)整個(gè)林區(qū)的終端都插上電并投入工作之后，采集模塊也就會(huì)通過(guò)各種功能來(lái)全面采集各種類(lèi)型的數(shù)據(jù)，并再通過(guò)接口和轉(zhuǎn)換電路來(lái)傳送到開(kāi)發(fā)板的FPGA處理器上。如果當(dāng)溫度超過(guò)預(yù)設(shè)值之后就會(huì)有報(bào)警信息發(fā)送給FPGA處理器，從而更加有效地實(shí)現(xiàn)溫度的監(jiān)控和報(bào)警。處理器則更加需要通過(guò)調(diào)動(dòng)驅(qū)動(dòng)程序和數(shù)據(jù)采集程序來(lái)全面地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并在之后通過(guò)使用傳輸協(xié)議來(lái)讓所有的數(shù)據(jù)都更好地被打包，并通過(guò)4G傳輸模塊傳輸?shù)椒?wù)器終端的顯示器和存儲(chǔ)器中。

三、監(jiān)測(cè)終端的硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)

1.數(shù)據(jù)采集模塊。幾乎所有的終端都要使用SHTI0系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)森林中的溫濕度環(huán)境因子。而從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的角度來(lái)看，SHT10本身屬于一種數(shù)字傳感器。內(nèi)部主要是由測(cè)濕元件、測(cè)溫元件、串行電路和其他構(gòu)件組成。在出廠之前，所有的SHT10都需要全面的溫度和濕度的校驗(yàn)，才能夠取得好的結(jié)果。而所有這一類(lèi)傳感器的相應(yīng)時(shí)間較短，且抗干擾能力也較強(qiáng)，主要被廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)濕度和溫度的測(cè)量過(guò)程中。

整體結(jié)構(gòu)的DATA、SCK管腳都將會(huì)和處理器的接口相互連接。一旦溫度超過(guò)了預(yù)設(shè)的值，那么便會(huì)觸發(fā)主板上的報(bào)警信號(hào)。通常情況下，GPS模塊都會(huì)使用專(zhuān)業(yè)公司生產(chǎn)的NEO-6M芯片進(jìn)行定位。必要時(shí)可以使用UART和FPGA處理模塊中的GPIO相連，最少則可連接四根線。

2.數(shù)據(jù)處理模塊。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)終端模塊主要選用了特制的ZC702開(kāi)發(fā)板，最中間的部位主要為Zynq-7000芯片，主要是由ARM和FPGA兩個(gè)部分組成。值得注意的是，整體Zynq-7000系列的芯片處理器的內(nèi)部都存在著雙核處理器，并在內(nèi)部都存在完整的ARM處理子系統(tǒng)。

只有在芯片內(nèi)部集成多樣的外設(shè)和內(nèi)核的控制器，才能夠使得CortexTM-A9內(nèi)部的內(nèi)核和可編程邏輯單元是彼此獨(dú)立的。而終端處理模塊內(nèi)部出了有主處理芯片之外，還會(huì)包括Flash芯片、DDR3芯片組、時(shí)鐘芯片和其他結(jié)構(gòu)。

四、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.溫濕度數(shù)據(jù)采集。因?yàn)镾HT10傳感器會(huì)直接被連接到開(kāi)發(fā)板上，因此需要用自己所擁有的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)模擬GPIO，并在之后更好地讀取關(guān)于SHT10的溫度和濕度的數(shù)據(jù)。整個(gè)驅(qū)動(dòng)程序主要是由傳感器、復(fù)位、讀取數(shù)據(jù)、寫(xiě)入數(shù)據(jù)和其他幾項(xiàng)組成。在交叉編譯的工具環(huán)境下會(huì)生成一個(gè)后綴被稱(chēng)為“.ko”的可執(zhí)行文件。當(dāng)目標(biāo)首次運(yùn)行開(kāi)機(jī)陳旭之后，可以根據(jù)情況來(lái)更好地進(jìn)行手動(dòng)加載驅(qū)動(dòng)模塊。當(dāng)程序加載了該驅(qū)動(dòng)模塊之后，如果想在宿主機(jī)的內(nèi)部通過(guò)串口工具來(lái)全面地讀取溫度和濕度，那么即可在調(diào)用溫濕度的讀取程序之后得到溫度和濕度的值。

2.傳輸模塊驅(qū)動(dòng)加載。整個(gè)ME3760模塊的驅(qū)動(dòng)主要是由USB驅(qū)動(dòng)和RNDIS驅(qū)動(dòng)組成。首先，一定需要在內(nèi)核配置中添加USB轉(zhuǎn)接口驅(qū)動(dòng)，之后再在內(nèi)核文件中添加PID設(shè)備。這樣也就能夠有效地防止RNDIS口被USB串口驅(qū)動(dòng)不斷地加載，從而使得RNDIS驅(qū)動(dòng)沒(méi)有辦法更加順利地完成加載。

在修改內(nèi)核驅(qū)動(dòng)文件中的probe函數(shù)時(shí)，尤其需要對(duì)其內(nèi)增加的blacklist進(jìn)行過(guò)濾，并有效地對(duì)usb_serial_probe函數(shù)的內(nèi)部對(duì)RNIDS接口進(jìn)行全面的過(guò)濾，再將編譯生成的內(nèi)容一起加載到Linux系統(tǒng)的啟動(dòng)項(xiàng)目中。當(dāng)所有的傳輸模塊都安裝成功之后，還需要將特制的傳輸程序?qū)鞲衅鞑杉降臄?shù)據(jù)信息按照J(rèn)son格式進(jìn)行打包，之后再按照規(guī)定的數(shù)據(jù)包的格式向服務(wù)器定時(shí)發(fā)送時(shí)間間隔。

五、結(jié)語(yǔ)

在啟動(dòng)熊主板內(nèi)部的電能之后就可以在瀏覽器的內(nèi)部輸入終端網(wǎng)址，之后再登錄 到終端采集網(wǎng)頁(yè)上。而通過(guò)界面就可以較輕松地看到環(huán)境因子信息。而通過(guò)使用高性能處理芯片Zynq-7000也就能夠使得數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和處理的能力得以大大地提升，從而使得終端的性能粉變得更加穩(wěn)定。而本次設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)也能夠更好地提高監(jiān)測(cè)的質(zhì)量和監(jiān)測(cè)的效率，并在之后有效地降低開(kāi)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)和周期。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉亞秋，景維鵬，井云凌 . 高可靠云計(jì)算平臺(tái)及其在智慧林業(yè)中的應(yīng)用[J]. 世界林業(yè)研究，2015（5）：18-24.