基于多传感器融合的珍稀树木立体监测系统设计1)

于慧伶 梁玉亮 庞振男 薛铮 朱伊枫

(东北林业大学，哈尔滨，150040)



基于多传感器融合的珍稀树木立体监测系统设计1)

于慧伶 梁玉亮 庞振男 薛铮 朱伊枫

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

针对现有的人员巡更存在的监管不力问题，基于物联网技术提出了一种多传感器融合的珍稀树木监测系统，采用温湿度传感器采集土壤水分与环境信息，融合热释红外传感器、震动与声音传感器实现防破坏保护；当周围环境发生异常时，控制模块与GPRS模块通信，完成现场情况的捕捉，并将图像发送至服务器；工作人员可以通过手机APP端获取树木周围的各项信息，实现对珍稀树木的立体式实时监测及保护功能。

珍稀树木保护；物联网；多传感器融合

珍稀树木属于品种稀有且濒临灭绝的树种，具有材质好、寿命较长、环境适应性强的特点，对其开展合理保护有利于充分发挥其生态功能、经济与人文价值。当前，生态环境破坏日益严重，我国众多名贵树木已濒临灭绝[1-2]。随着社会各行业的高速发展，人们对环境的保护意识也越来越强[3-4]，珍稀树木是具有重要经济文化价值的植物资源，我们应当重视其生长环境及对树木本身的防破坏与保护。目前，对珍稀树木的土壤监测主要通过探针探测仪来实现；而防破坏监测主要采用多点视频监控配合人工巡查方式进行，少数林区还通过植入RFID芯片完成珍贵树木的保护。大范围的视频防盗监测方法存在盲区且需要人力监控等缺点；植入RFID芯片的方法虽然可以在树木通过闸点时产生信号报警，但是，当RFID芯片被移除后，防盗系统将失效，而且该方法不能发现破坏行为，因而不能及时有效保护树木[5-7]。

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，目前已成功应用在多个行业[8-10]。该技术利用通信技术把传感器、控制器、机器、人员和物等通过新的方式联在一起，实现信息化、远程管理控制和智能化的网络。笔者提出了一种基于物联网的珍稀树木立体式监控保护系统，该系统利用多传感器、物联网技术与视频监控相结合，用户可以通过手机在APP端对树木的生长环境进行远程监测，同时可以在第一时间发现不法分子的盗伐、破坏行为，从而减轻工作人员的压力，有效保护珍稀树木的安全。

1 总体方案设计

本研究设计的物联网系统逻辑上可划分为现场控制站、服务器子系统和手机APP监测3个子系统，该系统的总体设计如图1所示。现场控制站是以单片机作为控制的核心，以GPRS模块作为信息的发送单元，通过采集温湿度、红外信号、震动信号以及声音信号组成了一种立体式监控系统，实时获取树木及周围的有关信息。现场控制站由温湿度检测模块、现场危险情况监测模块、视频监控模块以及GPRS模块组成，且各模块均安装在被保护的树木上。

图1 珍稀树木的物联网监控系统总体框架

2 系统功能与结构

2.1 系统的硬件结构

系统的硬件框图如图2所示，系统硬件部分主要由10个部分组成，包括主控芯片、声音传感器模块、震动传感器模块、热释电红外传感器模块、温湿度传感器模块、摄像头、闪光灯、GPRS模块、服务器以及上位机。

图2 系统的硬件框图

2.2 现场控制站

为了实现珍稀树木的立体式监控保护，现场控制站必须具备信息检测、视频监测等功能，通过融合多传感器的输出信号，实现现场状态的准确报警。

2.2.1 温湿度信息检测

土壤的温湿度对于树木的生长状况具有重要的影响。采用温湿度一体传感器SHT21对珍稀树木周围的土壤进行实时监测，传感器不但可以获取土壤附近湿度，而且可以判断环境温度，避免火灾对珍稀树木的破坏。传感器输出信号采用电流环传送技术，具有抗干扰能力强、传送距离远、测量精度高、响应快的特点。

2.2.2 现场危险情况信息检测

通过对珍稀树木周围环境考察，以及模拟人体实施破坏行为所产生的各种特征，选取了红外、震动、声音信号进行报警分析，通过各传感器的组合报警以提高报警的准确率。

热释电红外传感器(PIR)：人的体温在37 ℃附近，会辐射出10 μm的远红外线，热释电红外传感器鉴于该特征来进行人体检测。首先人发出的10 μm红外线通过PIR前段的菲尼尔透镜聚集到红外感应源上，然后信号经过PIR后端的运放放大后，产生模拟电压值信号，通过信号比较判断是否存在入侵隐患。

震动传感器：人在实施破坏及盗伐行为时会产生明显的机械震动信号，盗伐破坏行为产生的震动信号存在很大的随机性以及不确定性，为使震动信号能在第一时间被采集，选用一种灵敏的震动传感器(801S)。震动信号采用模拟量输出，在未检测到震动信号时，输出端输出低电压值；在检测到震动信号之后，输出高电压。

声音传感器：声音也是一项会产生明显变化的参数，通过声音传感器对珍稀树木周围环境的声音变化进行检测。该传感器信号以模拟量形式输出，响度越大传感器输出的模拟量值越大，为了排除周围噪声的影响，加入了噪声电阻或软件滤波。

2.2.3 视频监测

视频监控是利用传感器发出的警报信号触发摄像头记录现场信息，并抓拍现场图像传送到手机APP客户端。摄像头选择MT9V034，像素为752×480，全帧输出速度为60帧/s，该摄像头灵敏度达到4.8 V·lx-1·s-1，在光线较暗的条件下也可以清晰地成像，同时系统也会判断图像是否过暗，从而选择是否开启闪光灯进行补光以提高图像清晰度。

2.3 服务器子系统

服务器子系统主要包括Web、数据库和服务器。服务器负责与各个现场控制站通信，通过互联网获取各个现场控制站数据，并将其及时保存至数据库服务器中，Web负责将这些数据发布到互联网，工作人员通过手机APP远程查看信息和接收警报。

2.4 远程信息监测子系统

远程信息监测子系统可以采用PC机或方便的移动通信设备来实现，针对监控对象，系统上位机设计了APP参数监控软件，所有安装了监控保护系统的树木均可以通过此APP进行集中监测，实现了各项监测可视化。

3 系统软件设计

3.1 上位机软件

针对手机用户开发的APP软件界面如图3所示，该界面完成了对现场多棵珍稀树木的在线集中监测，当现场控制站判断出现异常情况时，会给出报警信息，同时记录下报警画面。

3.2 下位机编程

下位机采用C语言对STM32F103VET6单片机开发。控制系统的流程如图4所示。系统使用震动传感器、声音传感器，以及热释电红外传感器作为环境信息来源，采用多传感器融合的方法对周围环境的变化进行监测，从而降低了误判行为。当传感器接收到信号并判断存在破坏行为后，触发摄像头进行拍摄。系统可以对图像灰度直方图进行计算，如果较暗将开启闪光灯进行重新拍摄，提供清晰可靠的图像，危险情况产生时将环境信息和摄像头图像通过GPRS模块上传到服务器，上位机与服务器建立网络连接，监控人员可通过上位机看到监测系统的报警信息。

图3 物联网珍稀树木监测系统

3.3 专家系统设计

内嵌的专家系统主要用于对现场传感器的融合判断分析，进而提高报警的准确率。知识库采用正向推理，采用产生式规则表示。珍稀树木监测状态分为：正常、扰动、危险，相应的执行措施分别为策略1、策略2和策略3。策略1：当系统判断存在危险状态时，发出声光报警，并抓拍现场画面发送到上位机；策略2：若系统判断存在扰动状态时，系统将提高传感器采样频率，进而密切关注其变化；策略3：不采取动作。系统分别设置了振动上限M，声音上限N，人体感应情况上限O，温度下限P1和温度上限P2，湿度下限Q1和湿度上限Q2；m(t)表示振动强度模拟量数值，n(t)表示声音响度模拟量数值，o(t)表示热释电传感器模拟量数值，p(t)表示读取的数字信号温度值，q(t)表示读取的数字信号湿度值，专家规则如表1所示。

图4 监控流程图

序号振动情况声音情况人体感应情况温度情况湿度情况环境状况措施1M

4 结论与展望

介绍了基于物联网技术的珍稀树木立体式监测保护系统的硬件结构与软件开发过程。系统实现了用户与系统之间的无线通讯，利用温湿度传感器实现了珍惜树木土壤环境的监控，通过红外、震动、声音等传感器的融合使用完成了树木的破坏性保护。采用摄像头实现树木现场的整体宏观监控，系统通过制定多传感器融合的报警策略，不仅实现了对珍稀树木的远程立体式实时监控，同时，提高了报警准确率。此外，系统还具有成本低、参数可调整的特点。

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Three-dimensional Monitoring of Rare Tree Protection by the Internet of Things

Yu Huiling, Liang Yuliang, Pang Zhennan, Xue Zheng, Zhu Yifeng

(Northeast Forestry University, Harbin 150040 P. R. China)

Journal of Northeast Forestry University，2016,44(12)：91-93.

By the internet of things, we introduced a multi-sensor fusion method to monitor the rare trees, which used temperature and humidity sensors to monitor soil information, and employed pyro electric infrared sensors, vibration and sound sensors to achieve security protection. When something is unusual in the surroundings, control module will communicate with GPRS module, and sends the environment information to the server. Stuff can get the information around the trees through the mobile APP to achieve real-time monitoring for the rare trees.

Rare trees protection； The internet of things； Multi-sensor fusion

1)国家级大学生创新训练计划项目(201610225048、201510225096)。

于慧伶，女，1980年10月生，东北林业大学信息与计算机工程学院，副教授。E-mail：yhl2016@163.com。

2016年5月23日。

S76；TP732

责任编辑：戴芳天。