活立木生物电智能移动终端查询系统的设计

李冰雪　梁振宗　高珊　孙琳琳　陈路　黄文慧

摘要：为能够对活立木生物电产生情况进行有效的监测，设计一种能远程查询活立木生物电产生情况的移动终端查询系统，该系统主要包括对活立木生物电信号进行测量及采集的下位机系统、进行无线通信远程查询的蓝牙和GSM系统，以及对实时数据进行显示以供用户分析的上位机系统，通过铁钉电极传输至下位机，经采集电路、放大电路、A/D转换电路和编程接口等模块，将测得数据读入并暂存至STC89C52RC单片机ROM中，用户在手机端可通过指令驱动单片机将测得的实时数据以短消息的形式传输至手机，实现对数据的实时监测。试验测试和应用结果表明，该系统能够准确监测活立木生物电量产生情况，并能将数据实时传输至用户手机端，工作稳定。该系统体积较小，便于携带和安装，利用了现代智能手机终端的便捷性，提高了活立木生物电量数据获取的效率，且具有可移动性、快速性，为了解活立木生物电量产生规律、收集、查询、存储和利用的深入研究提供参考。

关键词：生物电;活立木;移动终端;蓝牙;GSM

中图分类号：S712;TP274文献标识码：A文章编号：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树木的韧皮部、木质部和叶片等部位和邻近土壤之间形成的一个持续的电势差或微弱的电流[1]。这种电势差大小通常在几十至几百毫伏之间，在两个电极之间连接一个电阻或负载，就会形成连续的电流[2]。在大数据背景下，利用基于物联网技术的无线传感器网络对活立木生物电产生的信息进行采集和远程终端监测，则是林业智能化的体现和要求。无线传感器网络技术在林业方面虽尚在起步阶段，但能扩展传统资源管理等能力有很大的发展空间[3]。移动终端查询系统作为通讯设备推动了各个领域智能化发展，如今的智能移动终端查询在物流查询、林业数据采集、农作物生长监测、移动执法和移动商务等生产生活的各个方面都起到了很大的作用。目前，活立木生物电监测系统研究已有成效，但对装置的便携性及观察的即时性仍有待探究，利用智能移动终端监测系统进行活立木生物电产生和存储的远程监测还未见报导。

1生物电的产生和监测研究现状

1.1现有的生物电产生规律研究进展

活立木生物电的产生受多种因素的影响，与树木液流、光合作用和土壤pH等因素有着密切的关系。

早期学者在观察到活立木生物电能的存在后，发现活立木生物电的大小的日变化与太阳辐射之间存在一定的关系[4]。法国学者Morat发现树液的存在是活立木生物电能产生的主要原因且活立木生物电的电势差的变化与季节有关[5]。同样，匈牙利学者通过5 a的连续试验观察，发现活立木生物电的变化与液流密度的变化有关，且电势差的变化相对于液流通量的变化呈指数变化，并得出活立木的电势差受蒸腾作用的影响[6]。也有研究表明电势差的产生是液流、光合作用和环境因素共同作用的结果，提出活立木生物电产生是电荷从导电液流沟道向电阻木质部墙扩散过程[2]。Christopher J.Love等人得出活立木与其周围的土壤之间电势差是由木质部和土壤之间pH值的变化产生的[1]。北京林业大学的冯超通过实验亦证明此条结论，得出木的木质部和其生长土壤之间pH值差值是影响活立木生物电能大小的重要因素，同时研究了活立木与土壤之间生物电能的发电电路模型[7]，也有研究证明木质部和土壤之间的电压与土壤pH之间符合Nernst方程[8]。

1.2現有的生物电存储和远程监测的研究进展

最早的成型的活立木生物电存储体系的研究来自于美国麻省理工大学的研究团队，国内从事生物电产生、存储和应用的研究领队是北京林业大学李文彬教授和阚江明教授的团队，相关研究已经取得一定的进展。

2008年，麻省理工大学成立了一家名为Voltree Power的公司，该公司的研发人员针对森林监测中的无线传感器节点供电问题设计、测试了树电环境检测仪系统，将利用在活立木上发现的微弱生物电放大并且通过充电电路将放大后的生物电储存起来，为微型传感器设备供电[9]。北京林业大学的李小婉对活立木生物电能产生机理进行了分析，设计了一种活立木生物电能与太阳能的收集系统，通过对收集系统进行实地测试，确定了所设计电路能将采集到的活立木生物电能与太阳能存储起来，并能应用于低功耗无线传感器网络节点中[10]。北京林业大学的尹凤媛根据影响活立木生物电产生的因素进行分析，对活立木生物电收集的可行性进行了研究，设计并制作了活立木生物电能收集的电路，实现了为无线传感网络节点电池的供电[11]。北京林业大学郝志斌研究了活立木生物电能存储并为无线传感器节点供电的问题，分析了环境因子对活立木生物电的影响，实现了连续为无线传感器网络节点供电的问题[12]。徐庆研制了一种活立木生物电和环境因子的监测系统，并利用该系统对活立木生物电源参数进行了远程监测[13]。

在实际的实验过程中发现，相同时间、相同环境条件下的生物电量是不稳定的，研究活立木生物电能的周期性变化规律，则需要长时间、短间隔地对生物电能进行持续测量，并能够即时通讯，使实时数据从硬件传输到用户端。现有的活立木生物电检测主要依赖于人工立地测量，无法持续的获取实验数据。

因此本文在现有研究的基础上，设计了一种活立木生物电产生的智能移动终端查询的实现方式，通过手机可即时查询下位机系统实时监测的活立木生物电产生情况，实现便携可移动，近远距离的数据查询。

为后续了解活立木生物电量产生规律、收集、查询、存储和利用的深入研究提供参考。

2活立木生物电监测原理

现有的活立木生物电的监测基本上包括两个部分：一是立地的仪器布置进行电势或电流的检测和测量;二是利用多种信号采集功能的下位机系统实现远程监测。

2.1活立木生物电信号的检测

植物体内由于化学反应会使植物体内部、植物与环境之间产生产生微弱电势差，其产生原因为阴阳离子分布不均，带电粒子进行跨膜运输[10]。根据电流或电势测量的回路原理，生物电的检测一般是分别在树干中和附近土壤插入金属电极，在两个电极之间连接一个的电阻，使木质部和土壤之间形成闭合电路。将本文所设计查询系统采集数据的两个金属夹分别夹在树木和土壤的两个金属探针上，即可测得该活立木的生物电量。

2.2活立木生物电信号的传输和远程监测

远程查询活立木生物电产生情况的移动终端查询系统主要包括对活立木生物电信号进行测量及采集的下位机系统、进行无线通信远程查询的GSM系统和蓝牙，以及对实时数据进行显示以供用户分析的上位机系统。

下位机系统具有多种信号采集功能，可同时用于采集活立木木质部与土壤之间的电势差，电势差的测量量程可调节，并可将信号以电压值传送给单片机A/D转换口，单片机得到转换数据后，通过驱动程序控制周期性工作，提供多种传感器接口和数字通信接口。

GSM数据传输模块是一个类似于手机的通讯模块， 可以发送短消息和语音等， 信号稳定， 且通讯距离不受周围环境影响[14]。在进行单片机端硬件设计时，通过GSM采用串行异步通信接口与单片机链接，串行控制模块可实现发送和接收短消息的功能， 几乎满足所有用户的在空间尺寸上的要求。单片机与蓝牙的连接方式为URAT连接，通过数据线、信号线、电源线以及天线来实现连接。在进行单片机端对蓝牙基本数据传输模块进行软件设计时，采用的方式为嵌入式，编程语言为C语言，开发环境为Keil[15]。蓝牙初始化和交互链接完成后进行处理数据，将传输完成的数据提取出来，通过液晶显示器来进行相应的操作并发送到上位机软件上。

3智能移动终端查询系统的设计

3.1系统组成

基于系统功能，系统组成由单片机模块、蓝牙模块、GSM模块、编程端口和LCD液晶显示等5个部分。单片机模块作为整个系统的核心，控制下位机进行数据的获取和采集，并能连接控制电流电压采样、放大电路部分，提供LCD液晶显示模块的控制信号等;蓝牙模块最大可传输距离为10 m，能实现近距离数据快速传输，与安卓手机进行通信以及时查询实时数据;GSM模块实现远距离数据传输，当距离较远时蓝牙系统连接出现困难，即可采用第二种方案，即GSM模块，实现手机与查询系统的通信，其具有发送SMS短信、语音通话和GPRS数据传输等基于GSM网络进行通信的所有基本功能[16]，可通过网络通信功能实现任何距离的数据传输;编程端口与单片机进行串口通信，将程序下载到单片机里。LCD液晶显示模块进行电压值和电流值的瞬时显示。下文在硬件组成和软件服务界面等方面介绍本系统的设计情况。终端查询系统组成模块如图1所示，原理如图2所示。

3.2下位机系统

下位机系统以STC89C52RC单片机作为核心，该单片机是宏晶科技出产的，与8051单片机指令代码相互兼容。其主要功能是数据的中间转发等。主要特性：

（1）可选择12或6时钟/机器周期，为8051的增强型。

（2）工作电压：5.5～3.3 V。

（3）工作频率范围：0～40 MHz，实际工作频率达到48 MHz。

（4）应用程序空间为8 K字节。

（5）RAM为512字节。

（6）32个通用I/O口，复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉。

STC89C52RC单片机的工作模式：

（1）掉电模式：典型功耗<0.1 μA，可由外部中断唤醒，中断结束后在断点处继续执行主程序。

（2）空闲模式：典型功耗为2 mA。

（3）正常工作模式：典型功耗为4 Ma～7 mA。

（4）适用于水表、气表等便携设备。下位机系统框图如图3所示。

3.3蓝牙近距离查询系统

JDY-30透传模块是基于蓝牙3.0协议标准，工作频段为2.4 GHz范围，具有信号强、数据传输快和性能稳定等特性。蓝牙技术相对于其他无线通信技术，具备短距离、低功率和低功耗的特点[15]。

产品特点：

（1）支持蓝牙SPP串口协议。

（2）内置PCB天线。

（3）支持UART接口。

（4）蓝牙Class2。

（5）数据传输比BLE蓝牙快、可达到 8 K 每秒以上的速率。

（6）支持与 SPP 主蓝牙模块连接通信（JDY-30为从 SPP 蓝牙模块）。

（7）支持与电脑SPP蓝牙通信。

（8）支持Android手机SPP通信。技术规格：工作电压2.2～4.2 V，工作温度-40 ～ 85 ℃，天线PCB板载天线，平均电流唤醒模式19 MA。JDY-30蓝牙模块尺寸封装图如图4所示，引脚图如图5所示。

3.4GSM模块远距离查询系统

GSM模块采用有方科技的M590E芯片，该芯片是全球第一款单芯片纯数据GPRS模块。提供短信和数据业务等功能，在各种工业和民用领域得到广泛的应用。GSM模块结构框图如图6所示。

在本模块基础上设计了单片机控制GSM发送短信的程序，单片机与 GSM 模块一般采用串行异步通信接口，通信速度可设定，数据传输的可靠性较好[16]。采用C51语言进行编程设计。

4上位机查询实现主界面

上位机查询服务系统是由Android手机“蓝牙串口”应用程序和手机自身蓝牙功能，以及手机SIM卡短信等组成。下位机通过蓝牙协议和GSM与上位机获得通讯。

4.1蓝牙模块查询服务软件界面

当下位机保持良好供电时，在上位机进行蓝牙连接请求，一旦请求通过，手机与下位机即可在程序驱动下进行通讯，在手机端蓝牙串口APP主界面中，若无数据发送，则上位机此刻不接收数据，数据在下位机中暂存并在LCD液晶屏上显示;若想查询数据，在输入栏中输入“READ”并发送，此时单片机收到指令，驱动程序启动，指示灯閃烁一次，单片机将数据通过蓝牙模块发送至手机，用户即可在手机上实时接收到下位机检测并处理的实时数据。并可多次查询，每发送一个“READ”字符串，单片机即被驱动进行一次一组实时数据的发送。还可以通过下位机上的按键进行数据查询，每按下一次按键，指示灯闪烁一次，手机端收到一次数据，按键操作和发送“READ”字符串具有相同效果，都可驱动单片机进行一次数据发送操作。上位机蓝牙查询程序流程图如图7所示，蓝牙查询软件主界面如图8所示。

4.2GSM查询服务界面

首先将可正常使用的SIM卡放置在下位机GSM模块中，并对下位机进行上电启动。为验证GSM模块工作正常，可进行验证，在手机端拨打其SIM卡号码，持续一次响铃的时间后自动挂断电话，在此期间指示灯持续闪烁，即为工作正常。用手机自带的短信服务对该号码发送一条内容为“获取数据”的短信，下位机收到短信后指示灯闪烁一次，驱动单片机通过GSM模块发送数据，随后手机端即可接收到一条内容为一组实时数据的短信，可进行短间隔多次查询。也可通过下位机按键获取短信，每按键一次即可收到一条数据短信，在效果上与发送短信查询一致。短信的接收手机号码在程序中编写并已下载至单片机。上位机GSM程序流程图如图9所示，GSM查询系统主界面如图10所示。

5结束语

基于满足生物电量智能移动终端查询的需要，设计了本终端查询系统。本系统设计主要由单片机下位机系统、蓝牙、GSM通讯模块及蓝牙通讯app组成，以活立木表皮生物电量为测量对象，通过铁钉电极传输至下位机，经采集电路、放大电路、A/D转换电路和编程接口等模块，将测得数据读入并暂存至STC89C52RC单片机ROM中。当用户在手机端发送“READ”或“获取数据”指令时，驱动单片机将测得的实时数据以短消息的形式传输至手机，并可选择在不同时间点多次发送读取指令，同时在下位机LCD液晶屏幕上也有实时数据显示。系统设计完成后对东北林区的落叶松进行了试验测试，上下位机保持好通讯后数据可以快速地传输至手机，并与其他仪器实地测量结果进行比较，工作稳定，数据可靠，满足设计要求，为用户远程查询采集实时数据和不同时间、不同温度下采集数据提供了便捷，为后续的数据深入分析提供了平台、奠定了基础。

【参考文献】

[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.