活立木生物電智能移動終端查詢系統的設計

李冰雪　梁振宗　高珊　孫琳琳　陳路　黃文慧

摘要：為能夠對活立木生物電產生情況進行有效的監測，設計一種能遠程查詢活立木生物電產生情況的移動終端查詢系統，該系統主要包括對活立木生物電信號進行測量及采集的下位機系統、進行無線通信遠程查詢的藍牙和GSM系統，以及對實時數據進行顯示以供用戶分析的上位機系統，通過鐵釘電極傳輸至下位機，經采集電路、放大電路、A/D轉換電路和編程接口等模塊，將測得數據讀入并暫存至STC89C52RC單片機ROM中，用戶在手機端可通過指令驅動單片機將測得的實時數據以短消息的形式傳輸至手機，實現對數據的實時監測。試驗測試和應用結果表明，該系統能夠準確監測活立木生物電量產生情況，并能將數據實時傳輸至用戶手機端，工作穩定。該系統體積較小，便于攜帶和安裝，利用了現代智能手機終端的便捷性，提高了活立木生物電量數據獲取的效率，且具有可移動性、快速性，為了解活立木生物電量產生規律、收集、查詢、存儲和利用的深入研究提供參考。

關鍵詞：生物電;活立木;移動終端;藍牙;GSM

中圖分類號：S712;TP274文獻標識碼：A文章編號：1006-8023（2019）03-0041-07

Design of Intelligent Mobile Terminal System for Bioelectricity of Standing Tree

LI Bingxue， LIANG Zhenzong， GAO Shan*， SUN Linlin， CHEN Lu， HUANG Wenhui

（College of Engineering and Technology， Northeast Forestry University， Harbin 150040）

Abstract： In order to effectively monitor the state of bioelectricity of standing tree， a mobile terminal system was designed to achieve the remote query of the bioelectricity producing situation of trees. The system mainly includes the hypogyny machine system for measurement and collection of bioelectricity signals， bluetooth and GSM systems for wireless remote query， and the PC system of displaying real-time data for further analysis. The system is to transmit to the next bit machine by nails electrode， the sampling circuit， amplifying circuit， A/D conversion circuit and programming interface module， will read the measured data and temporary to STC89C52RC MCU in the ROM. The user can transmit the measured real-time data to the mobile phone in the form of a short message by using the instruction-driven MCU on the mobile terminal， realizing real-time monitoring of the data. The in-situ test and application showed that the system can accurately monitor the biological energy data， and the data can be real-time transmitted to the mobile terminal for checking and recording. The system operates steadily and can meet the need of real-time monitor and query of the test data. The system is small， easy to carry and install， the use of modern smart phone terminal convenience， improve the efficiency of living wood biological power data acquisition， and has mobility， rapidity. This paper provides reference for further studies to understand the law of generation， collection， query， storage， and utilization of bioelectricity of trees.

Keywords：Bioelectricity; standing tree; mobile terminal; Bluetooth; GSM

0引言

活立木生物電是指在部分樹木的韌皮部、木質部和葉片等部位和鄰近土壤之間形成的一個持續的電勢差或微弱的電流[1]。這種電勢差大小通常在幾十至幾百毫伏之間，在兩個電極之間連接一個電阻或負載，就會形成連續的電流[2]。在大數據背景下，利用基于物聯網技術的無線傳感器網絡對活立木生物電產生的信息進行采集和遠程終端監測，則是林業智能化的體現和要求。無線傳感器網絡技術在林業方面雖尚在起步階段，但能擴展傳統資源管理等能力有很大的發展空間[3]。移動終端查詢系統作為通訊設備推動了各個領域智能化發展，如今的智能移動終端查詢在物流查詢、林業數據采集、農作物生長監測、移動執法和移動商務等生產生活的各個方面都起到了很大的作用。目前，活立木生物電監測系統研究已有成效，但對裝置的便攜性及觀察的即時性仍有待探究，利用智能移動終端監測系統進行活立木生物電產生和存儲的遠程監測還未見報導。

1生物電的產生和監測研究現狀

1.1現有的生物電產生規律研究進展

活立木生物電的產生受多種因素的影響，與樹木液流、光合作用和土壤pH等因素有著密切的關系。

早期學者在觀察到活立木生物電能的存在后，發現活立木生物電的大小的日變化與太陽輻射之間存在一定的關系[4]。法國學者Morat發現樹液的存在是活立木生物電能產生的主要原因且活立木生物電的電勢差的變化與季節有關[5]。同樣，匈牙利學者通過5 a的連續試驗觀察，發現活立木生物電的變化與液流密度的變化有關，且電勢差的變化相對于液流通量的變化呈指數變化，并得出活立木的電勢差受蒸騰作用的影響[6]。也有研究表明電勢差的產生是液流、光合作用和環境因素共同作用的結果，提出活立木生物電產生是電荷從導電液流溝道向電阻木質部墻擴散過程[2]。Christopher J.Love等人得出活立木與其周圍的土壤之間電勢差是由木質部和土壤之間pH值的變化產生的[1]。北京林業大學的馮超通過實驗亦證明此條結論，得出木的木質部和其生長土壤之間pH值差值是影響活立木生物電能大小的重要因素，同時研究了活立木與土壤之間生物電能的發電電路模型[7]，也有研究證明木質部和土壤之間的電壓與土壤pH之間符合Nernst方程[8]。

1.2現有的生物電存儲和遠程監測的研究進展

最早的成型的活立木生物電存儲體系的研究來自于美國麻省理工大學的研究團隊，國內從事生物電產生、存儲和應用的研究領隊是北京林業大學李文彬教授和闞江明教授的團隊，相關研究已經取得一定的進展。

2008年，麻省理工大學成立了一家名為Voltree Power的公司，該公司的研發人員針對森林監測中的無線傳感器節點供電問題設計、測試了樹電環境檢測儀系統，將利用在活立木上發現的微弱生物電放大并且通過充電電路將放大后的生物電儲存起來，為微型傳感器設備供電[9]。北京林業大學的李小婉對活立木生物電能產生機理進行了分析，設計了一種活立木生物電能與太陽能的收集系統，通過對收集系統進行實地測試，確定了所設計電路能將采集到的活立木生物電能與太陽能存儲起來，并能應用于低功耗無線傳感器網絡節點中[10]。北京林業大學的尹鳳媛根據影響活立木生物電產生的因素進行分析，對活立木生物電收集的可行性進行了研究，設計并制作了活立木生物電能收集的電路，實現了為無線傳感網絡節點電池的供電[11]。北京林業大學郝志斌研究了活立木生物電能存儲并為無線傳感器節點供電的問題，分析了環境因子對活立木生物電的影響，實現了連續為無線傳感器網絡節點供電的問題[12]。徐慶研制了一種活立木生物電和環境因子的監測系統，并利用該系統對活立木生物電源參數進行了遠程監測[13]。

在實際的實驗過程中發現，相同時間、相同環境條件下的生物電量是不穩定的，研究活立木生物電能的周期性變化規律，則需要長時間、短間隔地對生物電能進行持續測量，并能夠即時通訊，使實時數據從硬件傳輸到用戶端。現有的活立木生物電檢測主要依賴于人工立地測量，無法持續的獲取實驗數據。

因此本文在現有研究的基礎上，設計了一種活立木生物電產生的智能移動終端查詢的實現方式，通過手機可即時查詢下位機系統實時監測的活立木生物電產生情況，實現便攜可移動，近遠距離的數據查詢。

為后續了解活立木生物電量產生規律、收集、查詢、存儲和利用的深入研究提供參考。

2活立木生物電監測原理

現有的活立木生物電的監測基本上包括兩個部分：一是立地的儀器布置進行電勢或電流的檢測和測量;二是利用多種信號采集功能的下位機系統實現遠程監測。

2.1活立木生物電信號的檢測

植物體內由于化學反應會使植物體內部、植物與環境之間產生產生微弱電勢差，其產生原因為陰陽離子分布不均，帶電粒子進行跨膜運輸[10]。根據電流或電勢測量的回路原理，生物電的檢測一般是分別在樹干中和附近土壤插入金屬電極，在兩個電極之間連接一個的電阻，使木質部和土壤之間形成閉合電路。將本文所設計查詢系統采集數據的兩個金屬夾分別夾在樹木和土壤的兩個金屬探針上，即可測得該活立木的生物電量。

2.2活立木生物電信號的傳輸和遠程監測

遠程查詢活立木生物電產生情況的移動終端查詢系統主要包括對活立木生物電信號進行測量及采集的下位機系統、進行無線通信遠程查詢的GSM系統和藍牙，以及對實時數據進行顯示以供用戶分析的上位機系統。

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木質部與土壤之間的電勢差，電勢差的測量量程可調節，并可將信號以電壓值傳送給單片機A/D轉換口，單片機得到轉換數據后，通過驅動程序控制周期性工作，提供多種傳感器接口和數字通信接口。

GSM數據傳輸模塊是一個類似于手機的通訊模塊， 可以發送短消息和語音等， 信號穩定， 且通訊距離不受周圍環境影響[14]。在進行單片機端硬件設計時，通過GSM采用串行異步通信接口與單片機鏈接，串行控制模塊可實現發送和接收短消息的功能， 幾乎滿足所有用戶的在空間尺寸上的要求。單片機與藍牙的連接方式為URAT連接，通過數據線、信號線、電源線以及天線來實現連接。在進行單片機端對藍牙基本數據傳輸模塊進行軟件設計時，采用的方式為嵌入式，編程語言為C語言，開發環境為Keil[15]。藍牙初始化和交互鏈接完成后進行處理數據，將傳輸完成的數據提取出來，通過液晶顯示器來進行相應的操作并發送到上位機軟件上。

3智能移動終端查詢系統的設計

3.1系統組成

基于系統功能，系統組成由單片機模塊、藍牙模塊、GSM模塊、編程端口和LCD液晶顯示等5個部分。單片機模塊作為整個系統的核心，控制下位機進行數據的獲取和采集，并能連接控制電流電壓采樣、放大電路部分，提供LCD液晶顯示模塊的控制信號等;藍牙模塊最大可傳輸距離為10 m，能實現近距離數據快速傳輸，與安卓手機進行通信以及時查詢實時數據;GSM模塊實現遠距離數據傳輸，當距離較遠時藍牙系統連接出現困難，即可采用第二種方案，即GSM模塊，實現手機與查詢系統的通信，其具有發送SMS短信、語音通話和GPRS數據傳輸等基于GSM網絡進行通信的所有基本功能[16]，可通過網絡通信功能實現任何距離的數據傳輸;編程端口與單片機進行串口通信，將程序下載到單片機里。LCD液晶顯示模塊進行電壓值和電流值的瞬時顯示。下文在硬件組成和軟件服務界面等方面介紹本系統的設計情況。終端查詢系統組成模塊如圖1所示，原理如圖2所示。

3.2下位機系統

下位機系統以STC89C52RC單片機作為核心，該單片機是宏晶科技出產的，與8051單片機指令代碼相互兼容。其主要功能是數據的中間轉發等。主要特性：

（1）可選擇12或6時鐘/機器周期，為8051的增強型。

（2）工作電壓：5.5～3.3 V。

（3）工作頻率范圍：0～40 MHz，實際工作頻率達到48 MHz。

（4）應用程序空間為8 K字節。

（5）RAM為512字節。

（6）32個通用I/O口，復位后為：P1/P2/P3/P4是準雙向口/弱上拉。

STC89C52RC單片機的工作模式：

（1）掉電模式：典型功耗<0.1 μA，可由外部中斷喚醒，中斷結束后在斷點處繼續執行主程序。

（2）空閑模式：典型功耗為2 mA。

（3）正常工作模式：典型功耗為4 Ma～7 mA。

（4）適用于水表、氣表等便攜設備。下位機系統框圖如圖3所示。

3.3藍牙近距離查詢系統

JDY-30透傳模塊是基于藍牙3.0協議標準，工作頻段為2.4 GHz范圍，具有信號強、數據傳輸快和性能穩定等特性。藍牙技術相對于其他無線通信技術，具備短距離、低功率和低功耗的特點[15]。

產品特點：

（1）支持藍牙SPP串口協議。

（2）內置PCB天線。

（3）支持UART接口。

（4）藍牙Class2。

（5）數據傳輸比BLE藍牙快、可達到 8 K 每秒以上的速率。

（6）支持與 SPP 主藍牙模塊連接通信（JDY-30為從 SPP 藍牙模塊）。

（7）支持與電腦SPP藍牙通信。

（8）支持Android手機SPP通信。技術規格：工作電壓2.2～4.2 V，工作溫度-40 ～ 85 ℃，天線PCB板載天線，平均電流喚醒模式19 MA。JDY-30藍牙模塊尺寸封裝圖如圖4所示，引腳圖如圖5所示。

3.4GSM模塊遠距離查詢系統

GSM模塊采用有方科技的M590E芯片，該芯片是全球第一款單芯片純數據GPRS模塊。提供短信和數據業務等功能，在各種工業和民用領域得到廣泛的應用。GSM模塊結構框圖如圖6所示。

在本模塊基礎上設計了單片機控制GSM發送短信的程序，單片機與 GSM 模塊一般采用串行異步通信接口，通信速度可設定，數據傳輸的可靠性較好[16]。采用C51語言進行編程設計。

4上位機查詢實現主界面

上位機查詢服務系統是由Android手機“藍牙串口”應用程序和手機自身藍牙功能，以及手機SIM卡短信等組成。下位機通過藍牙協議和GSM與上位機獲得通訊。

4.1藍牙模塊查詢服務軟件界面

當下位機保持良好供電時，在上位機進行藍牙連接請求，一旦請求通過，手機與下位機即可在程序驅動下進行通訊，在手機端藍牙串口APP主界面中，若無數據發送，則上位機此刻不接收數據，數據在下位機中暫存并在LCD液晶屏上顯示;若想查詢數據，在輸入欄中輸入“READ”并發送，此時單片機收到指令，驅動程序啟動，指示燈閃爍一次，單片機將數據通過藍牙模塊發送至手機，用戶即可在手機上實時接收到下位機檢測并處理的實時數據。并可多次查詢，每發送一個“READ”字符串，單片機即被驅動進行一次一組實時數據的發送。還可以通過下位機上的按鍵進行數據查詢，每按下一次按鍵，指示燈閃爍一次，手機端收到一次數據，按鍵操作和發送“READ”字符串具有相同效果，都可驅動單片機進行一次數據發送操作。上位機藍牙查詢程序流程圖如圖7所示，藍牙查詢軟件主界面如圖8所示。

4.2GSM查詢服務界面

首先將可正常使用的SIM卡放置在下位機GSM模塊中，并對下位機進行上電啟動。為驗證GSM模塊工作正常，可進行驗證，在手機端撥打其SIM卡號碼，持續一次響鈴的時間后自動掛斷電話，在此期間指示燈持續閃爍，即為工作正常。用手機自帶的短信服務對該號碼發送一條內容為“獲取數據”的短信，下位機收到短信后指示燈閃爍一次，驅動單片機通過GSM模塊發送數據，隨后手機端即可接收到一條內容為一組實時數據的短信，可進行短間隔多次查詢。也可通過下位機按鍵獲取短信，每按鍵一次即可收到一條數據短信，在效果上與發送短信查詢一致。短信的接收手機號碼在程序中編寫并已下載至單片機。上位機GSM程序流程圖如圖9所示，GSM查詢系統主界面如圖10所示。

5結束語

基于滿足生物電量智能移動終端查詢的需要，設計了本終端查詢系統。本系統設計主要由單片機下位機系統、藍牙、GSM通訊模塊及藍牙通訊app組成，以活立木表皮生物電量為測量對象，通過鐵釘電極傳輸至下位機，經采集電路、放大電路、A/D轉換電路和編程接口等模塊，將測得數據讀入并暫存至STC89C52RC單片機ROM中。當用戶在手機端發送“READ”或“獲取數據”指令時，驅動單片機將測得的實時數據以短消息的形式傳輸至手機，并可選擇在不同時間點多次發送讀取指令，同時在下位機LCD液晶屏幕上也有實時數據顯示。系統設計完成后對東北林區的落葉松進行了試驗測試，上下位機保持好通訊后數據可以快速地傳輸至手機，并與其他儀器實地測量結果進行比較，工作穩定，數據可靠，滿足設計要求，為用戶遠程查詢采集實時數據和不同時間、不同溫度下采集數據提供了便捷，為后續的數據深入分析提供了平臺、奠定了基礎。

【參考文獻】

[1]LOVE C J， ZHANG S G， MERSHIN A， et al. Source of sustained voltage difference between the xylem of a potted ficus benjamina tree and its soil[J]. PLOS ONE， 2008， 3（8）： e2963-e2967.