无线监测系统在森林防护中的应用与研究

穆文东，徐 琦，徐 浙，郑晞慧，郑东红，姜舒君

（钱江源国家公园管理局，浙江 开化 324300）

随着传感器与计算机网络技术的发展，用于森林安全防护[1]和危险预警[2]的监测装备逐渐趋于自动化和智能化[3]。森林不但与人类的生存环境息息相关，而且对社会经济、生命财产安全都有着重要的影响。传统的森林监测依赖于人工巡视，不仅浪费人力、财力，而且无法实现监测数据的实时传递、动态分析等功能[4]。森林的状态参数对于林业的宏观调控有着重要的指导作用，同时也是完成整体生态评价[5]的关键依据。为此，文中对一种无线监测系统进行设计与研究，能够适应各种复杂的环境特点和恶劣天气。在无线网络和通信技术的支持下，相关工作人员能够及时获取远程采集信息，包括固定式监测台和无人机巡航系统。通过硬件选型和软件控制设计，系统能够实现多用户、长时间、共享性的信息交互，同时具备较强的抗干扰能力，可根据地理位置特征设定合理的采样频率，从而实现良好的经济效益和社会效益。

1 系统总体设计

1.1 功能设计

无线监测系统的技术优势在于实时性、可操作性、多功能性和交互性等[6]。为得到性价比较高、功能可靠、监测与数据传输能力强的森林监测系统，需要对整体的功能进行设计与限定。根据森林地理环境与林业安全需求，对森林监测系统的总体功能设计如下。

1） 具有充足的传感器节点，能够在较大范围内实时获取林业环境内的温度、湿度和空气成分等，结合数据交互模型和系统软硬件处理技术，将森林内的多参数信息进行整合和处理，得出森林防护的安全指标，并且能够准确定位和协同检测。

2） 系统的检测平台具有多重性和层次性，在无线网络、信号采集模块、数据处理模块等功能模块的作用下，各个固定监测平台和移动巡航单元能够组成高效的一体式监测站。

3） 监测系统能够设置合理的覆盖区域，各个硬件元件具有较低的功耗和兼容性，能够根据后续监测要求进行功能扩展。监测系统能够获得良好的精度，基于多信号融合构建森林评价模型[7]，确保无线监测功能的有效性。

1.2 系统设计原则

根据系统的功能内容和要求，为进一步确保系统的合理性和可靠性，设定系统设计原则如下。

1） 性价比原则。由于森林面积较大，在进行硬件设计和节点布局时应当充分考虑性价比原则，减少信号覆盖的重叠范围，在保证硬件资源得到充分利用的前提下，体现系统设计与应用的低成本和低功耗优势。

2） 硬件与软件的可靠性。依托硬件与软件平台，森林状态监测系统实现信号或数据的采集、处理和传输，因此要求两者之间具有良好的匹配性，从而确保终端数据的可靠性。此外，系统应当具备自检功能，以便出现功能故障时能够及时进行维修或维护，确保硬件具有良好的工作环境与状态。

3） 系统执行标准化控制模式。为确保无线传输的实时性和稳定性，远程通信基于标准化协议。在状态诊断方面，扩建标准化数据库，通过比对特性确定森林安全状态和防护等级。

4） 功能拓展与兼容性。由于电气技术飞速发展，硬件系统需进行升级，要求硬件设计时保留兼容性拓展模块，不仅能基于数据平台升级软件控制流程，还不断需要增加相关查询功能，改善人机交互效果。由于森林环境往往较为复杂，部分地区存在较大的风载、电磁干扰、雷电甚至野生动物破坏等因素，因此需要确保固定监测平台的安全性。

2 固定监测平台设计

2.1 硬件选型与设计

固定监测台的数量和分布位置可根据实际地理环境进行布局和优化，其结构如图1 所示。为降低监测系统对森林自身环境的影响，优先采用集成度高、体积小的平台。其中，硬件系统的核心处理元件选用AT89C51 单片机，能够有效地连接各个功能模块，而且具有功能拓展接口，性价比非常高，满足设计要求。

图1 固定监测平台的结构

对于森林内的温湿状态监测，系统采用温湿度传感器模块HTW-211 作为监测森林环境中气温和相对湿度的核心采集元件。该系列传感器具有自主温度补偿功能，精度较高，而且外部设置有防护层，避免森林恶劣环境下的损伤，工作寿命较长。温湿传感数据是衡量和预测是否会发生火灾的重要指标之一，也是关键的监测参数。对雷电灾害的监测，系统选用EW5.0 雷电预警模块。该模块的有效监测范围超过40 km，对于电磁场的感应较为灵敏，可将雷电灾害的预测率保持在90%以上，实现自然载荷的充分防护，降低生命财产损失。

2.2 通信方案设计

由于森林环境普遍具有复杂性和多变性[8]，因此监测系统中的下位机受到的干扰因素较多，这对数据通信的稳定性和准确性有着明显的影响。为此，系统采用复合型通信方案，既能够通过GPRS 模块实现无线网络传输（硬件连接原理如图2 所示），也可以基于RS-485/232 串行通信进行信号传递。森林监测系统中的通信协议能够实现较高的数据传输效率和较低的误码率，而且具有多节点分布式控制功能。由于硬件选型的抗干扰能力较强，对各个功能模块的芯片均具有良好的保护效果。

图2 GPRS 模块连接原理

在信号传递的偏差控制方面，系统采用综合性能良好的数据转换单元，确保处理器的精度和效率，同时提升整体硬件的性价比[9]。对于GPRS 模块中的指令传递，以RS-232 端口为主，这对于降低误码率有着重要的作用。无线网络通信的控制芯片型号为MAX232，硬件尺寸小，集成度非常高，接线电路较为简洁，性价比较高。

2.3 软件控制设计

对于森林状态监测平台，各个节点的初始化和中断对于系统总体功能模块的正常运行有着关键的作用。系统初始化的控制流程如图3 所示，可以看出，每次初始化都会校验RAM 数据，从而避免系统的假死或无效循环，确保被测数据的有效性。初始化程序完成后，各个功能子程序才能根据功能要求依次运行。由于软件控制具有显著的反馈特点，因此各个功能参数的监测和处理需要对应的曲线修正。当某个程序中断时，其他各程序之间不受关联性影响，确保参数的独立性。由于传感器存在补偿偏差，因此在软件中需要增加补偿类型和补偿依据，提高数据可靠性。主程序与子程序之间存在严格的内在联系，当执行信号采集功能时，需要首先校验控制指令的有效性。不同功能子程序对应的硬件校核原理不同，若校验或者初始化不足，则无法确保监测系统的工作状态处于正常水平。此外，对于各个元件的自身的工作状态也需要进行测试，比如各个功能模块的供电电压、功率因数等。

图3 系统初始化的控制流程

2.4 抗干扰设计

硬件电路的优化是实现和提升抗干扰效果的最有效手段。针对固定监测平台的硬件组成原理，系统增设滤波电路，即在不降低数据采集模块敏感度的前提下，将被测信号首先导入抗混叠滤波电路中。该信号处理方案适用于模数转换电路的切换，对低频信号，特别是具有非周期性的低频率信号具有良好的处理效果。比如，在监测森林中的风压和风速信号时，可将被测数据离散化，保证信号的频谱变换过程中不会出现漏频问题，对于风速变化规律的求解有着重要的作用。在信号输出阶段增加锁相环电路，能够将信号在放大、滤波等处理后保持稳定的相位偏差，在一定程度上降低信号的失真性。对于森林内振动信号的采集，可增加振荡数据比较器，基于时域和频率信号的特征，预测地震等信号源。

3 无人机巡航监测设计

3.1 巡航监测的网络节点设置

无人机巡航监测作为固定监测平台的重要补充，能够有效地避免突发状况，且能够细化监测数据[10]。无人机巡航监测平台主要由三部分组成：无人机巡航轨迹控制单元、无线网络传输单元、数据采集与重构单元等，工作人员能够在手机终端通过App 进行查看和控制，如图4 所示。根据森林环境特点和固定监测平台的功能范围，设置无人机巡航监测网络节点的工作条件或参数如下。

图4 无人机巡航模式

1） 为保持同步性和匹配性，将地面固定监测端和空中巡航监测端采用相同的采样参数和数据缓存条件，定位采用GPS 方式。

2） 无人机巡航过程中与固定端中的传感单元保持关联性，不能设置在同时段均处于待机或休眠状态，且地面终端具有最高权限，能够控制巡航路径、速度和监测内容。

3） 无人机的通信结构采用多对一模式，即多无人机同时运行，有效数据均传输至特定的数据中心，再由数据中心向外二次发送，确保数据的可靠性和有效性。

3.2 数据程序控制方案

为确保无人机巡航过程中监测信号数据的安全性和可靠性，采用透传模式，即不改变任何数据的内容和类型，比如图像和声音数据。该模式利于程序控制，无需对被测信号进行去帧处理，在对应的串口模块中进行编码、解码设置即可。由于无线传输在长距离条件下存在发生误码率和强干扰的可能性，因此在程序控制中增加图像处理模块，优化通讯频段，降低频带中的噪声信息，并且减少发射器和基站位置的停留时间。在无人机硬件系统中，采用全数字调制解调技术对视频信号进行压制，能够在保证清晰度的前提下，降低数据体积。此外，系统采用COFDM 调制方式控制有效功率，能够在无人机运行速率70 km/h 条件下获得高效的控制反馈信号，延迟时间低于200 mms。

4 结束语

森林生态环境的智能监测对于构建区域化安全防护、维护生态健康、优化定位性生态研究均有着重要意义。国内林业环境复杂多变，通过监测系统预防自然或人为灾害是保护环境、节约生态资源的关键手段。将固定监测平台与无人机巡视平台进行协同工作，能够获得覆盖面积更广、参数定位更准确和数据更可靠性的应用效果。森林的无线监测除了可以实现日常的安全防护，还能得出多种参数的时域或频域变化规律，为林业科学研究提供重要的数据，科学意义显著。随着传感技术和无线网络技术的不断发展，森林生态环境监测系统将能够在更低的成本下实现更好的性能。