基于嵌入式的竹林碳汇数据监测系统

侯志康，杨玉泉，韩斌

（浙江农林大学信息工程学院，杭州 311300）

森林生态系统作为陆地生态系统的主体，占全球陆地碳库总储量的77%，其通过同化作用吸收二氧化碳，以生物量的形式将其固定在植被和土壤中，使森林成为陆地生态系统最重要的碳汇或碳库［1-3］，对吸收温室气体、缓解气候变化、维护生态平衡有十分重要的作用。因此，世界气象等组织开展了广泛的林业碳汇计量研究，总结出多种计量方法，如植物生物量和土壤碳储量清单调查、大气CO2浓度反演、卫星遥感、生态系统模型模拟以及碳通量观测等。

基于碳通量观测的方法有微气象学法和箱式法2种［4］。其中，微气象学方法主要有涡度相关法、质量平衡法、能量平衡法、空气动力学法等［5，6］；箱式法则分静态箱法和动态箱法2种。微气象学的代表方法是涡度相关法，是在植被层上方直接测量CO2浓度与涡流速度，以浓度与风速的协方差求算通量的方法［7］。基于涡度相关通量观测弥补了生物量清查法［8，9］、地面同化箱和卫星遥感等测定方法在时间上的不连续、积累数据费时等方面的不足，可以在较短时间内获得大量高时间分辨率的CO2通量和环境变化数据，为开展不同时间尺度的碳通量变化及其环境响应机理研究提供方便。涡度相关技术作为小尺度生态系统观测方法，适用于区域碳汇监测。

综合考虑地上和地下部分竹林生态系统碳循环过程，基于微气象学和涡旋相关法，研发一套区域竹林碳汇监测系统［10-13］，以实现长期对竹林生态系统CO2通量的测定，经过后期一系列中介过程（二阶距量变换、坐标轴旋转、能量守恒闭合等）实现估算植被层、土壤等不同生态系统组分的碳过程。进行科学准确的竹林碳汇计量，对于正确认识和全面了解气候变化背景下的竹林生态功能、合理开发竹林资源、加强竹林生态系统综合管理具有重要的科学和现实意义。

1 系统方案

1.1 竹林碳通量监测方法

区域竹林生态系统固碳量包括竹林本身固碳量、竹林地表固碳量、空气中所固定含碳化合物的碳储量以及竹林土壤固碳量等，可由式（1）表示。

式中，C竹林总固碳量；FC空气固碳量；FCO2竹林固碳量；F竹林地表固碳量；FT竹林土壤固碳量。

林下植物吸收与转化的碳绝大部分分解为土壤有机质，形成碳沉降，其通过公式（2）计算。

式中，FC竹林地表碳总量；Sij竹林面积；Cij竹林碳密度；α竹林碳转换系数。

森林土壤固碳量的估算采用土壤剖面实测法，各类土壤的总碳量通过公式（3）计算。

式中，Ft土壤碳储量；Si土壤各亚类面积；Dt土壤平均厚度；Rt土壤平均容重；r转换系数，即Bemmelem换算系数（0.58 g C/g SOC）。

因此，区域竹林生态系统碳汇监测需要考虑地上、地表及地下3个层次。涡度相关法可以测定竹林生态系统的CO2交换量，但需经过一系列中间换算过程来估算植被层、土壤等不同生态系统组分的呼吸量。

1.2 系统设计

根据上述通量的实时远程监测要求，系统由现场嵌入式数据采集终端和远程监控中心构成。根据系统工作要求，地表上架设7层智能节点，用来采集各层CO2浓度、气温、风速、风向、光照度等地上的微气象参数，每个节点之间采用Zigbee协议将采集数据通过Zigbee路由器无线传输给基站。终端主节点负责自动采集地表及地下的土壤相关参数（土壤碳通量监测仪提供），并将节点上传的数据一起封装、存储，通过GPRS网络上传给碳汇监测中心，碳汇监测中心负责完成数据显示、处理、分析与统计。嵌入式数据采集终端定时采集观测区域的碳汇监测数据，基于Zigbee通信协议发送自身或转发其他节点上的感知数据，并最终将数据发送回远程监控中心。远程监控中心完成数据处理、统计分析及管理。系统方案如图1所示。

图1 系统结构框架

2 系统硬件设计

该系统采用天嵌公司的TQ210开发板作为主控模块，主控芯片采用基于Cortex-A8构架的三星S5PV210，其主频可达1 GHz，拥有丰富的外设功能并支持多种操作系统。本研究基于Linux操作系统进行功能开发。

嵌入式数据采集终端主要采集竹林生态系统中各层高的CO2浓度、大气温湿度、风速、风向等环境数据，本地数据通信采用基于Zigbee协议无线传感网络，通过Zigbee协调器把采集数据汇聚到嵌入式平台，由嵌入式平台将数据通过远程GPRS通信模块上传到系统监控中心，从而节省通信资源，提高可靠性［10-13］。

该系统中的B530-CO2浓度传感器模块、Zigbee通信模块、FR-WD风向传感器模块、FR-WS风速传感器模块、GTM-900-GPRS通信模块、AT24C02存储模块、RH-T土壤湿度传感器接口电路、LM35D土壤温度传感、DHT11大气温湿度传感器模块等模块，其与主控模块及CC2530模块的接口电路分别如图2至图10所示。

图2 B530模块接口

图3 Zigbee协调器模块接口

图4 FR-WD传感器接口

图5 FR-WS模块接口

图6 GTM-900模块接口

图7 AT24C02模块接口

图8 土壤湿度传感器模块接口

图9 LM35D模块接口

图10 DHT11模块接口

3 系统软件设计

系统软件设计采用模块化设计方法，系统软件包括基于嵌入式的数据采集平台软件和监控中心应用软件构成，基于嵌入式的数据采集平台软件由环境因子采集模块、基于Zigbee的本地通信模块、竹林碳汇数据采集模块、Qt数据采集应用软件等部分组成，其软件整体框架如图11所示。该平台应用软件需要提供良好的GUI，以便操作；负责接收基于Zigbee协议的本地竹林碳汇数据并将数据打包封装后按自定义的数据格式通过GPRS网络上传给监控中心平台的数据库，通信参数可设置；能实时存储采集的数据并存入数据库；能在触摸屏上显示实时数据及设备相关工作信息。具体软件子系统如图12所示。

图11 系统软件框架

图12 基于嵌入式的数据采集平台软件子系统

3.1 嵌入式主控系统软件设计

嵌入式主控系统软件主要实现的功能：提供良好的GUI，方便操作；接收Zigbee网络发送的采集数据并存入系统数据库（根据系统要求和成本考虑，该主控系统定时发送采集数据）；将采集数据封装打包后发送到远程监控中心；在触摸屏上实时显示相关数据以及系统工作参数设置等。系统工作过程是操作系统启动后，初始化各种硬件设备，并在初始化GPRS远程通讯功能后，开启各线程并启动定时器任务，实现与远程监控中心通信。嵌入式主控系统软件及其主要线程软件流程如图13、图14所示。

图13 嵌入式主控软件流程

图14 主要线程软件流程

3.2 基于Zigbee的本地通信模块程序设计

碳汇数据采集系统由基于Zigbee的冠层、地表及地下的智能数据采集系统采集相关数据并发送到嵌入式硬件平台，再将数据封装打包后由该平台向远程监控中心发送数据。其中，数据采集系统中的Zigbee网络协调器负责接收Zigbee网络设备节点发送来的数据，统一封装打包发送给平台，网络设备节点执行发送任务，网络协调器执行接收任务。基于Zigbee的本地数据采集流程如图15所示。

图15 基于Zigbee的本地通信软件流程

3.3 本地数据库程序设计

根据系统的功能分析、系统对用户操作及权限设置等各方面的要求，在数据库表设计的过程中采用一库多表的方式建立一个数据库来满足用户的要求。数据库的逻辑设计主要是将E-R图抽象为关系数据库中的表，它是整个数据库中最重要的部分，能够反映各实体及其之间的联系。本地数据库含用户登录表、数据采集信息表、管理员表等。其中用户表主要记录该系统用户数据，登录用户可以通过登录本地数据库进行基本信息查询。其主要的字段有用户编号、用户名、密码3个字段，用户可以通过输入用户名以及密码进入系统，其主要结构如表1所示。

表1 本地数据库用户

根据系统设计要求，本地数据库存储各个传感器发送的数据，主要包括CO2浓度、大气温湿度、风速、风向、土壤湿度、土壤温度等数据，数据库字段的设计如表2所示。

表2 本地数据库数据采集

3.4 基于嵌入式的数据采集平台GUI设计

嵌入式系统需要有良好的人机交互功能，系统操作方便，显示直观明了，根据系统要求，该主体交互界面主要由系统主控、远程通信、本地通信及数据实时显示等交互界面构成。GUI架构如图16所示。

图16 基于Zigbee的本地通信软件架构

3.5 监控中心应用软件设计

监控中心软件开发以ubuntu作为系统开发平台，跨平台的QT Creator作为集成开发环境，用C++开发了一个基于Socket的服务系统，实现了基于Internet网络的远程数据采集及监控功能［14，15］。主要功能模块有用户注册登录、数据实时显示、数据统计分析及管理员等模块组成。注册模块需要输入个人姓名、密码、手机、邮箱及个人中心等信息以完成用户注册。登陆模块提供给注册用户登陆系统，根据已注册的账号输入正确密码才能进入系统界面。数据实时显示模块是系统主界面，具有远程通信控制功能，可以远程控制嵌入式数据采集终端发送数据，可以实时显示嵌入式数据采集终端发送的各种碳汇数据并提供数据统计分析及数据库接口。数据统计分析模块可以自定义显示不同时间区域、不同参数类型的数据并输出统计数据便于分析处理。软件主架构如图17所示，监控中心数据库E-R关系如图18所示。

图17 远程监控中心软件架构

图18 远程监控中心数据库E-R结构

4 系统调试及结果

4.1 嵌入式数据采集系统调试及结果

4.1.1 操作系统调试 嵌入式系统采用Linux操作系统。测试Linux操作系统运行过程是先运行u-boot，由u-boot引导启动内核，然后加载操作系统，最后运行应用程序。

4.1.2 本地通信模块调试 本地通信模块由一个Zigbee协调器和多个设备节点组成。系统工作前，需进行Zigbee组网。首先，打开Zigbee协调器，等待设备节点的自动接入网络。然后，打开Zigbee设备节点，若组网指示显示则表示该设备节点已经组网成功，可以从相应传感器读取数据，发送给协调器。

4.1.3 远程通信模块调试 嵌入式操作系统通过UART串口控制远程通信模块发送实时采集到的数据。远程通信模块主要实现了GPRS模块的初始化，GPRS模块设置好相应的IP和端口号后，基于TCP协议实现与远程监控中心的通信。

4.1.4 数据传输测试 当以上步骤都正常完成后，可以运行系统应用软件，启动数据传输功能后，系统显示如图19所示。

图19 嵌入式系统运行

4.2 远程监控中心软件调试与结果

4.2.1 远程监控中心——系统注册 系统注册界面由个人信息输入框组成。只要正确地输入所有的信息，系统会自动帮用户注册一个新的账号，注册成功后，可以在登录界面中登录。

4.2.2 远程监控中心——系统登录 系统登录由账号输入框、密码输入框、登录按钮，注册按钮组成。点击注册按钮，可以进入注册界面，可以注册新账号。在账号输入框输入已申请的账号，在密码框输入正确的密码，验证成功后即可进入主界面，进行浏览及查询。

4.2.3 远程监控中心——数据实时显示子系统 该子系统由账号信息、在线客户端数量显示、服务器及数据采集控制、采集数据显示、数据分析统计、数据库模块及通信设置等部分组成。

4.2.4 远程监控中心——数据统计分析子系统 该子系统可以实时显示嵌入式数据采集终端发送的各种碳汇数据并提供数据统计分析及数据库接口。数据统计分析模块可以自定义显示不同时间区域、不同参数类型的数据并输出统计数据便于分析处理。该模块由统计时间设置、统计数据设置、终端节点编号设置、数据输出设置等部分组成。

5 小结

基于微气象学原理搭建了一套基于Linux操作系统的嵌入式碳汇数据采集系统，利用Zigbee和GPRS无线模块实现碳汇数据在本地节点与后台服务器之间的远程传输功能，利用Qt编写了远程监控中心软件。系统实现了竹林碳汇监测数据的自动无线监测与采集，系统人机交互友好，利用远程监控中心的数据库系统结合现有统计模型可以实现竹林碳汇计量功能。为搭建竹林碳排放及碳汇定量监测平台、实时发布区域碳收支信息奠定基础；为全球碳收支平衡提供依据。今后将根据需要将智能采集数据进行深度统计分析碳汇数据，为政府及有关部门提供决策依据，以提高森林碳汇的管理效率和水平。