树径及其环境信息远程动态监测系统的研究

张百杰，李文彬，王 虓，郝志斌

（北京林业大学工学院，北京 100083）

国内外、尤其是国内关于树木的生长规律特别是日变化、月变化等研究较少，这在一定程度上受到了测量精度和数据采集频率的影响。现在无线传感器网络正成为一种趋势，尤其是低功耗的无线传感器节点由于其功耗低、成本低、体积小、精度高等特点使得其成为远程数据采集的主流。但是目前将树径测量传感器和无线传感器网络结合的研究还很少，将无线传感器网络应用在温室大棚和林火监测上面的研究较为成熟[1-4]。笔者研究一种将立木胸径传感器和低功耗无线传感器网络节点相结合的系统，并且自行设计了太阳能供电模块，保证系统节点的供电。该系统定时对树木胸径的信息、林地温度、湿度以及烟雾传感器和火焰传感器等信息进行采集，并经网关节点上传到服务器，通过访问服务器对林地环境和树木胸径生长的信息进行实时远程监测，同时进行火灾远程动态监测和预警预报，对减少森林灾害具有重要意义。采集的数据建立的数据库，可为树木生长与环境因子之间的关系研究提供参考。

1 系统的组成

该系统主要由树径传感器、烟雾传感器、火焰传感器、紫外传感器、无线传感器网络节点（即普通传感器节点）、协调器节点、网关节点、太阳能供电系统组成。普通传感器节点与上述各传感器连接，采集的数据经过协调器节点向网关节点传送，最后通过服务器进行实时监测。其中，太阳能供电系统为无线传感器网络节点供电。具体可参见图4。

1.1 立木胸径测量传感器及测量原理

系统以低碳环保为目标，故对于传感器的要求是低功耗，反应灵敏、适合激励电压采集，精度高，经过综合考虑选择德国ECOMATIC公司的DC2树径生长量测量传感器[5-12]。

德国ECOMATIC公司的DC2树径生长量测量传感器，是基于直线位移检测原理，将树木胸径的变化通过固定长度的不锈钢刚性围绳（温度系数<1.4×10-6/K）反映到传感器的电阻变化上，具体见图1和图2。该传感器由于是电阻式的传感器，对于输入电压要求小；灵敏度高，响应快，可以使用激励电压进行数据采集，大大地降低了采集节点的功耗。传感器采集到的数据经过数学模型公式（1）转化为周长变化，进而计算出直径变化量。数学模型公式如下：

其中Ci为测定时树木的周长值，R0为初始标定的半径，V0为初始的传感器压缩量，式中的数值102为传感器自身长度参数，即弹簧处于自然状态时候测头端到树干的距离。在计算时候将Ri近似于Ri－1，通过数列的推导最后得出上面公式。计算的核心部分是刚性围绳的长度为定值（即图1中虚线长度减去其两切线之间圆弧的长度值和实线长度减去其切线中间圆弧长度值相等），整个计算和推导过程围绕该核心部分进行。该树径传感器不需要外部电源供电，工作温度范围较广，耐低温和高温，传感器的温度系数根据测量电路可以达到<0.1 μm/k。量程为15 mm，通过重新标定可以无限调大；质量轻，便于野外安装，同时对树木本身无损伤、不影响树木生长。在安装中，主要靠皮带的弹性将传感器固定在树干上面，具体安装图如图2：

图1 数学模型原理图

图2 树径传感器示意图

1.2 烟雾传感器、火焰传感器和紫外传感器

烟雾传感器选择MS5100烟雾传感器，根据森林火灾的监测目的，采用激励电压供电、同时不需要预热，经实验测量该传感器可以达到系统要求，快速地检测到林地的烟雾浓度；火焰传感器根据红外辐射的原理，感知火焰，监测林地范围内的火焰情况，配合烟雾传感器对火灾进行实时地监测和预警。紫外传感器，可以根据检测到紫外强度判断天气状况，配合采集节点上的温湿度传感器的数值，为树木的生长机理研究提供有价值的数据库，推进树木生长机理等基础研究。

1.3 无线传感器网络节点和采集板

该无线传感器网络的节点采用crossbow公司的IRIS节点和MDA300采集板进行数据的采集。IRIS节点由处理器XM2110和射频芯片RF230构成。XM2110基于一款低功耗的ATmega1281处理芯片。IRIS节点与数据采集板MDA300构成普通无线传感器网络节点，二者通过51针串口相连。IRIS节点工作在2.4 GHz、支持IEEE 802.15.4/ZigBee协议，具有更广的作用范围，传输距离较以往产品提高3倍，并且超低功耗。

MDA300采集板上集成了温、湿度传感器，具有12位分辨率。内置的温湿度传感器，可以检测节点系统的安全同时对环境的温湿度进行监测和上传数据，为树木生长因子的分析和生长规律的研究提供可靠的数据库。另外有2个2.5 V、1个3.3 V、1个5 V的激励电压口，给火焰传感器、树径和紫外等传感器提供外部激励电压，通过编程控制激励电压的产生频率和数据采集频率，大大减少节点的能量消耗。该节点可以电源提供3.3 V供电（太阳能）也可以采用AA电池供电。

1.4 节点的太阳能供电系统

节点的供电系统主要根据太阳能充电、锂电池供电的模式，设计了一个供电系统。具体见图3。

图3 太阳能供电系统图

上图是一个利用太阳能光电板+锂电池+稳压芯片构成不间断的低功耗电源系统。太阳能光电板从光/伏转换成微量的电能通过二极管，经由充放电控制电路对锂进行充电。同时也供稳压芯片提供电压输入，芯片输出3.3 V电压供给系统使用。二极管主要防止反向放电，充放电控制电路主要监测锂电池电压，当锂电池充满时候充电电路被断开，太阳能直接通过稳压芯片给节点供电；当锂电池电压过低时候断开放电电路，保护电池。稳压芯片为超低功耗、低压差的芯片，静态电流<1μA。这样的电路非常适合于低功耗的户外设备中使用，具有环保、高效的特点。其中锂电池选择为3.7 V，4 000 mAh，保证了系统在阳光不充足或者阴天等情况下长时间供电的顺利进行。

2 林地监测试验

该系统主要由普通传感器节点经过协调器节点向网关节点传送数据，网关节点再将数据打包通过GPRS网络传送到服务器上面，我们可以通过实时监测界面进行查看信息，获取信息。普通传感器节点连接各种传感器如树径传感器、火焰传感器和烟雾传感器和紫外传感器等，具体结构和功能见图4。

图4 系统的结构和功能框图

为了验证系统的可靠性，在实际部署中，用了5个节点，分别为标号为0、2、3、5、7，节点通过自组网的方式组成无线传感器网络，组网方式为网状网络。其中0号节点连接在MIB520上作为协调节点、协调节点安装在网关节点上，3和5号节点连接了树径传感器（见图5）、7号节点连接了烟雾浓度传感器。监控程序可以对每个节点的传感器数据如温度、相对湿度、烟雾浓度以及传感器的电压值（或者胸径值）等参数进行实时显示，设定温度、焰火和烟雾预警值以及超过预警值报警。其中树径生长量传感器的安装如图2所示安装，将IRIS节点和MDA300采集板连接好后装在塑料盒子里面并将天线外置，外面加上自行设计的防护盒，使节点上面的传感器既能采集数据又能防止尘土、雨水以及昆虫等进入。防护盒上面加太阳能采集板对节点电池充电，增加电池的寿命，保持系统正常运行。

图5 监测网络系统图

试验林地为学校森工楼南侧和西侧林地，选取的对象为1棵加拿大杨树和1颗英国梧桐。试验时间为2011年3月初至今。树径传感器在安装后需要记录原始标定值如英国梧桐的安装初始的电压701 mv、周长1 500 mm，加杨安装初始电压1 373 mv、周长970 mm。

3 试验数据分析

3.1 试验数据

通过网关可查看到实时监测的数据，对数据进行了分析，验证了其可靠性。烟雾传感器在普通的情况下一般电压值只有10 mv以下，当有烟雾的时候该数值迅速上升至几百毫伏，通过多次试验验证其灵敏性；火焰（红外辐射）传感器在检测到火焰时输出值迅速上升至1 800 mv以上，反应时间小于半秒，烟雾传感器配合火焰（红外辐射）传感器的应用可以更好地达到森林火灾预警的目的。同时，节点上的紫外传感器模块用于辅助测量天气状况，其安装在林地光照较好区域，一般一个林地安装1～2个节点即可，本试验安装一个；阴天时候输出为0左右，晴天电压值150～300 mv（具体值根据实际安装地点进行标定）。对于树径传感器的测量值，通过资料查考，验证了测量结果符合树木在一天和一段时间直径的变化以及外界干扰下（如林地灌溉或者下雨等）的变化规律。具体如图6所示。

图6 树径的日变化

从图6中可以看出，该树木直径的生长主要集中在一天中的19∶00～次日8∶00内，根据相关资料[13-14]解释，这段时间空气相对湿度较高，树木吸收水分，细胞的含水率较高使得树木的直径生长较快，而10∶00～17∶00时这段时间，空气的相对湿度迅速下降，树木的蒸腾作用、代谢速率等原因使得细胞的含水率下降，故曲线呈现下降趋势。

从图7中可以看出，4月22后英桐和加杨的变化量都呈现出不同程度的迅速增大趋势，而且数据回落不多，总趋势是增大，而在4月22前由于温湿度等影响，加杨和英桐的直径变化都在零线附近，几乎不增长。由此可以看出2011年4月下旬英桐和加杨呈现出开始生长的趋势，之前由于雨水较少，细胞含水率低，故稍有下降趋势，但是总体上是处于波动状态，这和一天中的温湿度有很大相关性。以上数据通过资料[15-16]的查考，证实该系统测量精确、可靠。由于树木生长较慢，年径变化量也超不过2 cm，故试验继续进行，其他数据和分析需要长期测量后分析。

图7 树径月变化量

其他相关分析比如树径和温湿度关系等曲线就不在此一一列出，温度和湿度传感器都经过校准，数据十分精确。

3.2 分析

该系统比较稳定，效果良好，基本达到了预期的效果。总结分析该系统有如下特点。

（1）树径生长量测量装置中采用的传感器是电阻传感器，而电阻式传感器相比于其他的电容式、容栅、光栅以及编码器等系列传感器具有原理简单、无需电源供电、干扰因素少，工艺方面采用国外先进导电塑料和线性修刻技术，使得该传感器的分辨率可以无限小，实际数据由采集板ADC的分辨率决定，经过一段时间的测量，树径生长量测量装置测量的数据较为精确，采集板12位的ADC分辨力可以达到7μm。

（2）传感器的输入可以通过采集板进行小电压供电，并且使用激励电压供电，进一步大大地减少了能量的消耗，同时太阳能供电系统的应用使得节点供电时间被大大地延长，达到低功耗、环保节能的目的。

（3）树径生长量的转化公式中的周长计算方法是经过严密的数学推导而来，其整个公式中只有Ri=Ri-1这一处近似（由于两次采集的时间间隔较短，树木的直径基本无变化），但是这种计算方式要求选定的树干接近圆形，越接近计算的结果越精确。

（4）该系统采用低功耗的工作在2.4 GHz、支持IEEE 802.15.4/ZigBee协议的IRIS节点，具有更广的作用范围，传输距离较以往产品提高三倍，并且具有超低功耗，相对以往产品休眠电流减半；并可以在应用程序的中修改节点采样频率，也可以通过MoteWorks自带软件MoteConfig限制节点的发射功率；同时由于系统增加了太阳能电池板的使用，从而给系统带来更长的电池寿命。

（5）同比于其他树径测量装置，该装置对树木无任何损伤，不影响树木的正常生长。

该系统虽然各方面性能良好，但是由于系统比较复杂，烟雾传感器和红外传感器需要外接，接线比较多，不利于长期使用，需做进一步改进。

4 结论

将树径传感装置、无线传感器网络以及太阳能供电系统有机地结合起来，建立了一个使用便捷、精度高、节能环保的监测系统。通过实际应用得出以下结论。

（1）此无线传感器网络应用在树径及其环境信息实时监测系统上是可靠的，特别是对人工林地或者试验林地环境中，进行树径和林地环境数据采集以及林地防火预警工作提供了一个确实可靠的系统和工具，向数字化林业迈进了一大步。

（2）该系统中树径传感器精度高、反应灵敏、体积小，可以最大地实现测量的精确度。

（3）该系统可以为树木生长机理以及生长因子相关关系的研究提供可靠的数据库。

（4）该网络稳定、可靠，绕过障碍物传输能力强，节点林间传输距离大于100 m，对于试验林地来说足够用，而且耗能低，两节AA电池可以连续使用3个月，现使用的太阳能供电模块预计可以保证至少2 a的连续供电。

下一步可以继续研究树高的测量方式和技术，实现树木生长量无线监测系统的建立，并同时将远程监测平台的界面优化，达到可以随时查看各种生长曲线等信息的要求。

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