基于无线传感器网络的森林碳汇地面监测系统的设计

方阳阳　王凤杰　兰鹏

摘要：为解决单纯依靠遥感技术进行森林碳汇监测存在的精度较低的问题，实现高精度的森林碳汇监测，利用基于ZigBee的无线传感器网络技术和GPRS通讯技术，设计了一种森林碳汇地面监测系统，可在森林中对二氧化碳浓度及其相关要素进行连续详实的监测，并结合上位机软件对数据进行处理。为应对恶劣的野外工作环境，系统还具有节点掉线重连功能及远程控制工作状态功能等。应用情况表明，系统可以可靠地应用于森林地面碳汇监测，并配合遥感技术实现高精度的森林碳汇监测，具有较高的应用价值。

关键词：森林碳汇监测；ZigBee；GPRS；上位机软件

中图分类号：S127：TP273+.5 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2015）01-0115-05

Abstract In order to solve the problem of low precision existing in forest carbon monitoring only by remote sensing technology， a forest carbon ground monitoring system was designed based on WSN and GPRS. This system could detect carbon dioxide concentration and related factors in forest continuously， and meanwhile， process the data combined with the PC software. The system also had the function of reconnection after dropped and remote controlling in response to the bad working environment. The application status showed that the system could be used for forest carbon ground monitoring reliably， and achieve high precision in forest carbon monitoring by cooperating with remote sensing technology， so it would have high application value.

Key words Forest carbon monitoring； ZigBee； GPRS； PC software

森林是陆地生态系统的主体，约占全球非冰盖和非冰层陆地面积的40%[1]。与陆地其他生态系统相比，森林拥有最高的生物量，是陆地生物光合产量的主体，也是全球碳循环的主体[2，3]。森林及其土壤所储存的碳总量高达1 146 Gt，几乎是陆地碳库总量的一半[4，5]。森林对于降低大气中温室气体浓度、减缓全球气候变暖，具有十分重要和独特的作用[6～8]。目前，随着遥感技术的普及，利用遥感技术和地理信息系统等先进手段可以测定从林分到区域等不同空间尺度的森林碳汇量，遥感技术已经成为快速获取森林碳汇量的重要手段[9，10]。但是，由于缺乏地面连续与详实的碳汇监测信息进行验证与辅助定量解译，致使单纯依靠遥感手段的森林碳汇监测的精度较低[11，12]。

基于此，利用无线传感器网络技术和GPRS通讯技术，设计了一种森林碳汇地面监测系统，以便获取连续详实的地面碳汇信息，辅助遥感技术进行数据源的解译验证及预处理，从而实现高精度的森林碳汇监测。

1 系统总体设计

森林碳汇监测系统由四个采集节点、一个中心节点和一台服务器组成，中心节点和采集节点之间利用ZigBee技术组成一个星型结构的无线传感器网络。采集节点利用携带的传感器采集周围环境中的温度、湿度、风速、风向、光照、CO2浓度等要素，并通过ZigBee无线发送至中心节点；中心节点对所有采集节点发送的数据进行汇总，再通过GPRS模块发送至远程服务器；远程服务器利用上位机软件实时显示接收到的数据，并将数据存储到数据库中。系统的总体结构如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 采集节点设计

采集节点由ZigBee模块、开关电源模块、电流电压转换模块、AD转换模块、基准电压芯片、DC-DC模块及各类型传感器组成；ZigBee模块既作为控制器控制传感器采集数据，又作为无线数传模块将采集的数据发送至中心节点；开关电源模块将AC 220V电源转换成需要的直流电源提供给节点的各个模块；电流电压转换模块将传感器输出的电流信号转换成电压信号，为AD转换做准备；AD转换模块使用ZigBee内部的14位ADC，将电压信号转换成程序可识别的数字信号；基准电压芯片为AD转换提供精准的参考电压；DC-DC模块将开关电源输出的DC 5 V转换成DC 3.3 V供ZigBee模块和数字传感器使用。图2为采集节点硬件组成。

2.2 中心节点设计

中心节点由ZigBee模块、GPRS模块和开关电源模块组成。中心节点的ZigBee模块只作为无线数传模块向采集节点发送指令并接收采集节点发送的数据；GPRS模块将中心节点收到的数据发送至远程服务器；开关电源模块为ZigBee模块和GPRS模块提供所需的电源。图3为中心节点硬件组成。

3 系统软件设计

3.1 ZigBee程序设计

ZigBee程序基于TI的SAMPLEAPP例程进行设计，包括应用层和传输层协议栈。

应用层主要根据具体应用由用户开发，系统ZigBee程序的设计主要在应用层中完成。在采集节点的ZigBee程序应用层中，编写了AD转换程序、数字式传感器读写程序、数据组播程序、看门狗程序等；在中心节点的ZigBee程序应用层中，编写了数据组播程序、串口通信程序、看门狗程序等。endprint

各个节点的ZigBee模块组成一个星型网络，采用组播方式传输数据，工作流程是：系统上电后，中心节点的ZigBee模块作为协调器建立网络，采集节点的ZigBee模块作为终端节点搜索并加入网络；网络建立后，中心节点启动一个定时器，轮流向各个采集节点发送指令，采集节点接收到指令后利用携带的传感器采集数据并发送给中心节点，其余时刻采集节点处于休眠状态；中心节点收到所有采集节点发送的数据后，将这些数据通过GPRS模块发送给服务器。中心节点和采集节点的工作流程分别如图4、5所示。

根据系统的实际需要，并考虑到恶劣的野外工作环境，对ZigBee程序进行了优化，主要有：

（1）优化了ZigBee模块的启动过程，使ZigBee模块搜索、加入网络的速度更快，成功率更高。

（2）为ZigBee模块加入了掉线重连功能。中心节点会保存自己的网络状态，掉线后自动恢复之前的网络状态；采集节点掉线后会自动重新搜索并加入网络。

（3）优化了数据传输过程，防止数据冲撞。在中心节点和采集节点的数据传输过程中，采集节点不会主动向中心节点发送数据，只有在中心节点向采集节点发送指令后才会向中心节点发送数据，避免了多个采集节点同时向中心节点发送数据可能造成的数据冲撞。

（4）可人为远程控制系统工作状态。通过GPRS向中心节点发送指令，用户可以远程控制系统的工作状态：不仅可以控制系统启动或停止工作，还可以控制中心节点向采集节点发送指令的频率，从而控制数据采集的频率。

3.2 上位机软件设计

上位机软件利用Microsoft Visual Studio 2008进行设计，具有数据实时显示、数据存储和数据分析等功能。上位机软件如图6所示。

（1）数据实时显示：在菜单栏中点击“实时数据”，就会弹出实时数据窗口；在实时数据窗口中，上面一栏为原始数据显示区，显示GPRS模块发送的原始数据，下面一栏为有效数据显示区，显示解译后的数据；点击实时数据窗口中的“参数设置”或者菜单栏中的“工具选项”，可以对串口参数以及数据库的连接进行设置。

（2）数据存储：上位机软件会将所有数据存储到SQL Server 2005数据库中，在菜单栏中点击“数据显示”，就会弹出数据库数据显示窗口，点击左侧数据列表，即可查看已存储到数据库中的数据。

（3）数据分析：在菜单栏中点击“数据分析”，就会弹出数据分析窗口，具有计算最大值、最小值、差值、平均值、方差以及查看数据走势等功能。

4 系统应用情况

系统于2013年4月安装到泰山监测站，投入实际运行，如图7所示。在运行过程中，当天气状况良好时，系统能够稳定可靠地进行工作，数据的采集、传输、显示、存储都运行正常；当出现大风大雨等恶劣天气时，系统有时会出现节点掉线、数据丢失的情况，但在天气转好后，掉线节点会自动重新加入网络，系统恢复正常工作。表明系统可以在森林中无人照料的情况下长期稳定的工作。

系统每20 min采集一次二氧化碳浓度、风速、风向、光照强度、空气温湿度等信息，在运行过程中采集了大量的数据，为下一步研究打下了良好的基础。表1为系统采集的部分数据。

5 结论

森林碳汇地面监测系统基于ZigBee技术与GPRS通讯技术进行设计，可在森林中对二氧化碳浓度及其相关要素进行连续详实的监测，并结合Microsoft Visual Studio 2008编写的上位机软件对数据进行处理，具有成本低、无需布线、部署灵活等特点。此外，为应对恶劣的野外工作环境，系统还具有下列特色功能：

（1）节点掉线重连功能。当因为天气或其它原因出现节点掉线时，掉线节点可以自动重新加入网络，使系统恢复正常工作。

（2）人为远程控制系统工作状态功能。系统是否工作、工作时数据的采集频率等都可以由用户远程进行控制，当天气比较恶劣、不适合系统工作时，用户可以通过GPRS向系统发送指令，降低系统的数据采集频率或使系统停止工作，对系统进行保护。

系统在泰山监测站进行了实际应用并取得良好效果，可以可靠地应用于森林地面碳汇监测，并配合遥感技术实现高精度的森林碳汇监测，具有较高的应用价值。通过加装其它类型的传感器，系统也可以应用于其它领域和场合。

参 考 文 献：

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