無線監測系統在森林防護中的應用與研究

穆文東，徐 琦，徐 浙，鄭晞慧，鄭東紅，姜舒君

（錢江源國家公園管理局，浙江 開化 324300）

隨著傳感器與計算機網絡技術的發展，用于森林安全防護[1]和危險預警[2]的監測裝備逐漸趨于自動化和智能化[3]。森林不但與人類的生存環境息息相關，而且對社會經濟、生命財產安全都有著重要的影響。傳統的森林監測依賴于人工巡視，不僅浪費人力、財力，而且無法實現監測數據的實時傳遞、動態分析等功能[4]。森林的狀態參數對于林業的宏觀調控有著重要的指導作用，同時也是完成整體生態評價[5]的關鍵依據。為此，文中對一種無線監測系統進行設計與研究，能夠適應各種復雜的環境特點和惡劣天氣。在無線網絡和通信技術的支持下，相關工作人員能夠及時獲取遠程采集信息，包括固定式監測臺和無人機巡航系統。通過硬件選型和軟件控制設計，系統能夠實現多用戶、長時間、共享性的信息交互，同時具備較強的抗干擾能力，可根據地理位置特征設定合理的采樣頻率，從而實現良好的經濟效益和社會效益。

1 系統總體設計

1.1 功能設計

無線監測系統的技術優勢在于實時性、可操作性、多功能性和交互性等[6]。為得到性價比較高、功能可靠、監測與數據傳輸能力強的森林監測系統，需要對整體的功能進行設計與限定。根據森林地理環境與林業安全需求，對森林監測系統的總體功能設計如下。

1） 具有充足的傳感器節點，能夠在較大范圍內實時獲取林業環境內的溫度、濕度和空氣成分等，結合數據交互模型和系統軟硬件處理技術，將森林內的多參數信息進行整合和處理，得出森林防護的安全指標，并且能夠準確定位和協同檢測。

2） 系統的檢測平臺具有多重性和層次性，在無線網絡、信號采集模塊、數據處理模塊等功能模塊的作用下，各個固定監測平臺和移動巡航單元能夠組成高效的一體式監測站。

3） 監測系統能夠設置合理的覆蓋區域，各個硬件元件具有較低的功耗和兼容性，能夠根據后續監測要求進行功能擴展。監測系統能夠獲得良好的精度，基于多信號融合構建森林評價模型[7]，確保無線監測功能的有效性。

1.2 系統設計原則

根據系統的功能內容和要求，為進一步確保系統的合理性和可靠性，設定系統設計原則如下。

1） 性價比原則。由于森林面積較大，在進行硬件設計和節點布局時應當充分考慮性價比原則，減少信號覆蓋的重疊范圍，在保證硬件資源得到充分利用的前提下，體現系統設計與應用的低成本和低功耗優勢。

2） 硬件與軟件的可靠性。依托硬件與軟件平臺，森林狀態監測系統實現信號或數據的采集、處理和傳輸，因此要求兩者之間具有良好的匹配性，從而確保終端數據的可靠性。此外，系統應當具備自檢功能，以便出現功能故障時能夠及時進行維修或維護，確保硬件具有良好的工作環境與狀態。

3） 系統執行標準化控制模式。為確保無線傳輸的實時性和穩定性，遠程通信基于標準化協議。在狀態診斷方面，擴建標準化數據庫，通過比對特性確定森林安全狀態和防護等級。

4） 功能拓展與兼容性。由于電氣技術飛速發展，硬件系統需進行升級，要求硬件設計時保留兼容性拓展模塊，不僅能基于數據平臺升級軟件控制流程，還不斷需要增加相關查詢功能，改善人機交互效果。由于森林環境往往較為復雜，部分地區存在較大的風載、電磁干擾、雷電甚至野生動物破壞等因素，因此需要確保固定監測平臺的安全性。

2 固定監測平臺設計

2.1 硬件選型與設計

固定監測臺的數量和分布位置可根據實際地理環境進行布局和優化，其結構如圖1 所示。為降低監測系統對森林自身環境的影響，優先采用集成度高、體積小的平臺。其中，硬件系統的核心處理元件選用AT89C51 單片機，能夠有效地連接各個功能模塊，而且具有功能拓展接口，性價比非常高，滿足設計要求。

圖1 固定監測平臺的結構

對于森林內的溫濕狀態監測，系統采用溫濕度傳感器模塊HTW-211 作為監測森林環境中氣溫和相對濕度的核心采集元件。該系列傳感器具有自主溫度補償功能，精度較高，而且外部設置有防護層，避免森林惡劣環境下的損傷，工作壽命較長。溫濕傳感數據是衡量和預測是否會發生火災的重要指標之一，也是關鍵的監測參數。對雷電災害的監測，系統選用EW5.0 雷電預警模塊。該模塊的有效監測范圍超過40 km，對于電磁場的感應較為靈敏，可將雷電災害的預測率保持在90%以上，實現自然載荷的充分防護，降低生命財產損失。

2.2 通信方案設計

由于森林環境普遍具有復雜性和多變性[8]，因此監測系統中的下位機受到的干擾因素較多，這對數據通信的穩定性和準確性有著明顯的影響。為此，系統采用復合型通信方案，既能夠通過GPRS 模塊實現無線網絡傳輸（硬件連接原理如圖2 所示），也可以基于RS-485/232 串行通信進行信號傳遞。森林監測系統中的通信協議能夠實現較高的數據傳輸效率和較低的誤碼率，而且具有多節點分布式控制功能。由于硬件選型的抗干擾能力較強，對各個功能模塊的芯片均具有良好的保護效果。

圖2 GPRS 模塊連接原理

在信號傳遞的偏差控制方面，系統采用綜合性能良好的數據轉換單元，確保處理器的精度和效率，同時提升整體硬件的性價比[9]。對于GPRS 模塊中的指令傳遞，以RS-232 端口為主，這對于降低誤碼率有著重要的作用。無線網絡通信的控制芯片型號為MAX232，硬件尺寸小，集成度非常高，接線電路較為簡潔，性價比較高。

2.3 軟件控制設計

對于森林狀態監測平臺，各個節點的初始化和中斷對于系統總體功能模塊的正常運行有著關鍵的作用。系統初始化的控制流程如圖3 所示，可以看出，每次初始化都會校驗RAM 數據，從而避免系統的假死或無效循環，確保被測數據的有效性。初始化程序完成后，各個功能子程序才能根據功能要求依次運行。由于軟件控制具有顯著的反饋特點，因此各個功能參數的監測和處理需要對應的曲線修正。當某個程序中斷時，其他各程序之間不受關聯性影響，確保參數的獨立性。由于傳感器存在補償偏差，因此在軟件中需要增加補償類型和補償依據，提高數據可靠性。主程序與子程序之間存在嚴格的內在聯系，當執行信號采集功能時，需要首先校驗控制指令的有效性。不同功能子程序對應的硬件校核原理不同，若校驗或者初始化不足，則無法確保監測系統的工作狀態處于正常水平。此外，對于各個元件的自身的工作狀態也需要進行測試，比如各個功能模塊的供電電壓、功率因數等。

圖3 系統初始化的控制流程

2.4 抗干擾設計

硬件電路的優化是實現和提升抗干擾效果的最有效手段。針對固定監測平臺的硬件組成原理，系統增設濾波電路，即在不降低數據采集模塊敏感度的前提下，將被測信號首先導入抗混疊濾波電路中。該信號處理方案適用于模數轉換電路的切換，對低頻信號，特別是具有非周期性的低頻率信號具有良好的處理效果。比如，在監測森林中的風壓和風速信號時，可將被測數據離散化，保證信號的頻譜變換過程中不會出現漏頻問題，對于風速變化規律的求解有著重要的作用。在信號輸出階段增加鎖相環電路，能夠將信號在放大、濾波等處理后保持穩定的相位偏差，在一定程度上降低信號的失真性。對于森林內振動信號的采集，可增加振蕩數據比較器，基于時域和頻率信號的特征，預測地震等信號源。

3 無人機巡航監測設計

3.1 巡航監測的網絡節點設置

無人機巡航監測作為固定監測平臺的重要補充，能夠有效地避免突發狀況，且能夠細化監測數據[10]。無人機巡航監測平臺主要由三部分組成：無人機巡航軌跡控制單元、無線網絡傳輸單元、數據采集與重構單元等，工作人員能夠在手機終端通過App 進行查看和控制，如圖4 所示。根據森林環境特點和固定監測平臺的功能范圍，設置無人機巡航監測網絡節點的工作條件或參數如下。

圖4 無人機巡航模式

1） 為保持同步性和匹配性，將地面固定監測端和空中巡航監測端采用相同的采樣參數和數據緩存條件，定位采用GPS 方式。

2） 無人機巡航過程中與固定端中的傳感單元保持關聯性，不能設置在同時段均處于待機或休眠狀態，且地面終端具有最高權限，能夠控制巡航路徑、速度和監測內容。

3） 無人機的通信結構采用多對一模式，即多無人機同時運行，有效數據均傳輸至特定的數據中心，再由數據中心向外二次發送，確保數據的可靠性和有效性。

3.2 數據程序控制方案

為確保無人機巡航過程中監測信號數據的安全性和可靠性，采用透傳模式，即不改變任何數據的內容和類型，比如圖像和聲音數據。該模式利于程序控制，無需對被測信號進行去幀處理，在對應的串口模塊中進行編碼、解碼設置即可。由于無線傳輸在長距離條件下存在發生誤碼率和強干擾的可能性，因此在程序控制中增加圖像處理模塊，優化通訊頻段，降低頻帶中的噪聲信息，并且減少發射器和基站位置的停留時間。在無人機硬件系統中，采用全數字調制解調技術對視頻信號進行壓制，能夠在保證清晰度的前提下，降低數據體積。此外，系統采用COFDM 調制方式控制有效功率，能夠在無人機運行速率70 km/h 條件下獲得高效的控制反饋信號，延遲時間低于200 mms。

4 結束語

森林生態環境的智能監測對于構建區域化安全防護、維護生態健康、優化定位性生態研究均有著重要意義。國內林業環境復雜多變，通過監測系統預防自然或人為災害是保護環境、節約生態資源的關鍵手段。將固定監測平臺與無人機巡視平臺進行協同工作，能夠獲得覆蓋面積更廣、參數定位更準確和數據更可靠性的應用效果。森林的無線監測除了可以實現日常的安全防護，還能得出多種參數的時域或頻域變化規律，為林業科學研究提供重要的數據，科學意義顯著。隨著傳感技術和無線網絡技術的不斷發展，森林生態環境監測系統將能夠在更低的成本下實現更好的性能。