王廣勝 朱睦楠 汪思龍 顏紹馗 尹攀

(湖北生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢，430000) (中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所)

在森林水循環(huán)方面，森林對林外降雨通過林冠截留、樹干徑流、穿透雨、蒸散、徑流等因素來調(diào)節(jié)和分配森林生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)途徑[1-3]。在森林水文中，樹干徑流指被林冠層截留的雨水經(jīng)過樹葉、樹枝沿著樹干流向地面的雨水[4]。雖然在森林水分平衡中占得比重小，卻起到將部分雨水進(jìn)行匯集作用，能將冠層養(yǎng)分通過樹干徑流方式直接匯入樹根區(qū)域，有利于樹木生長[5]。目前用于監(jiān)測樹干徑流的常用的方法有兩種，第一種為塑料桶承接法，沿樹干下來的雨水經(jīng)過繞樹U型橡膠管匯集到一定體積的密閉塑料桶，每次降雨過后，由人工去測量塑料桶內(nèi)匯集雨水體積，這種方法工作量大，人工誤差也大，特別是在南方森林雨季時期，經(jīng)常降雨量過大，樹干匯集的雨水體積超過塑料桶體積造成數(shù)據(jù)無法準(zhǔn)確測量。第二種方法為翻斗式雨量計法，將收集桶更換為翻斗式雨量計進(jìn)行直接計數(shù)測量雨水體積[6]。然而，這種翻斗式雨量計翻斗容積不適合計量樹干匯集的雨水，長時間放置野外容易造成堵塞。同時一套翻斗式雨量儀器系統(tǒng)只能監(jiān)測一棵樹，容易造成成本過高，無法達(dá)到多棵樹同時在線監(jiān)測的效果，不適合廣泛使用。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要是物品與物品之間信息通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相連接通信和控制，它的核心技術(shù)包括智能傳感器技術(shù)、射頻識別(RFID)技術(shù)、全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)等[7]。隨著這些技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)逐步應(yīng)用于中國森林生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測和預(yù)警中，例如物候監(jiān)測、樹干胸徑監(jiān)測、土壤水分監(jiān)測、氣象監(jiān)測等[8]。

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在樹干徑流監(jiān)測方面還不完善情況下，自行研發(fā)一套樹干徑流自動監(jiān)測系統(tǒng)，在降雨過程中能準(zhǔn)確的將每棵監(jiān)測樹木的徑流原始數(shù)據(jù)收集傳送到嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行處理儲存，利用4G移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將儲存數(shù)據(jù)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫進(jìn)行后臺處理，最終在終端界面將數(shù)據(jù)實時在線顯示出來，有效的降低人力和物力成本，大幅度提升了數(shù)據(jù)質(zhì)量。

1 系統(tǒng)總體框架

本文研究的樹干徑流自動監(jiān)測系統(tǒng)由翻斗式水量傳感器、數(shù)據(jù)采集和處理模塊、無線通信模塊、服務(wù)器、客戶端等構(gòu)成(圖1)。

數(shù)據(jù)采集、存儲與傳輸系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括翻斗式傳感器、處理器、無線通信等。處理器接收來自傳感器發(fā)來的脈沖信號，并進(jìn)行初步處理和存儲進(jìn)移動儲存卡(SD)中，無線通信模塊讀取SD卡中數(shù)據(jù)通過分組無線服務(wù)技術(shù)(GPRS)上傳到服務(wù)器，以達(dá)到實時在線上傳數(shù)據(jù)的效果。

圖1 系統(tǒng)總體框架

網(wǎng)絡(luò)無線通信系統(tǒng)：利用全球移動通信系統(tǒng)(GSM)的無線分組交換技術(shù)，在GSM協(xié)議構(gòu)架的基礎(chǔ)上增加了支持分組交換的協(xié)議，而實現(xiàn)基于分組的無線通信服務(wù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸,采集終端采集的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼封裝，經(jīng)4G網(wǎng)絡(luò)無線通信系統(tǒng)傳輸，傳送到云數(shù)據(jù)服務(wù)器中心。

數(shù)據(jù)管理中心：下位機(jī)以GSON的格式發(fā)送數(shù)據(jù)，服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后，進(jìn)行分類，分析及匯總，相關(guān)人員在客戶機(jī)或移動設(shè)備可以請求對應(yīng)的數(shù)據(jù)，并以圖表的形式展現(xiàn)，達(dá)到對樹干徑流實時在線監(jiān)測。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 野外監(jiān)測系統(tǒng)硬件平臺

數(shù)據(jù)采集平臺核心部件是STM32F407VGT6微控制器(圖2)，它采用32位ARMCortex-M4F內(nèi)核、1MB Flash、192KB RAM、LQFP100封裝、工作頻率最高可達(dá)到72 MHz。板上的ST-LINK/V2可以單獨使用自己的目標(biāo)板，其接口是SWD接口。整套電路板采用太陽能12 V穩(wěn)定供電。

圖2 STM32F407VGT6微控制器

GPRS模塊是主控芯片和后臺服務(wù)器端的硬件橋梁，以IP包的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。其和主控芯片串口分別連接TX、RX、GND，采用RS232通信接口傳輸數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)按協(xié)議幀格式串行傳送，以字節(jié)為傳送單位，采用波特率9 600 bps、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無奇偶校驗位的串口配置，按照此協(xié)議發(fā)送AT指令至GPRS模塊(圖3)。

圖3 GPRS模塊電路

翻斗式水量傳感器為自主設(shè)計組裝完成。根據(jù)野外長期監(jiān)測樹干徑流數(shù)據(jù)情況來設(shè)計翻斗最適合量程，經(jīng)過設(shè)計畫圖后由3D打印技術(shù)打印，把不同的翻斗經(jīng)過實驗室人工標(biāo)定選擇出翻轉(zhuǎn)一次為15 mL的翻斗。利用磁鐵—干簧管式距離磁控開關(guān)將信號接入微控制器的接口(圖4)。

圖4 傳感器接口電路

設(shè)置人工監(jiān)測數(shù)據(jù)對照，主要包括每棵樹獨立安裝一個計數(shù)器，同時每棵樹下安裝經(jīng)過翻斗計量流出后用于收集水的塑料大桶。

2.2 室內(nèi)數(shù)據(jù)顯示終端平臺

服務(wù)器用python實現(xiàn)，以GSON的格式接收數(shù)據(jù)，服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后，判定是否合法判斷他說進(jìn)行分類，分析及匯總，相關(guān)人員在客戶機(jī)或移動設(shè)備可以請求對應(yīng)的數(shù)據(jù)，并以圖表的形式展現(xiàn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)的接收和采集程序設(shè)計

數(shù)據(jù)采集我們采用了微控制器(STM32F407)內(nèi)部的中斷控制器外設(shè)。首先是在程序啟動之后對微控制器中斷外設(shè)進(jìn)行初始化為高低電平觸發(fā)中斷方式，初始化各個對應(yīng)引腳，初始化系統(tǒng)RTC時鐘以同步服務(wù)器時間，初始化數(shù)據(jù)緩存BUF，初始化設(shè)備外設(shè)SD存儲卡等工作。當(dāng)外部量水翻斗磁控開關(guān)信號對應(yīng)觸發(fā)中斷引腳有高低電平產(chǎn)生時，微控制器會發(fā)生中斷響應(yīng)，程序指針會跳轉(zhuǎn)到事先設(shè)定好的中斷響應(yīng)地址執(zhí)行匯編程序，再通過判斷微控制器內(nèi)部外設(shè)寄存器的值來區(qū)分是那個中斷源產(chǎn)生的中斷，再跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷處理函數(shù)執(zhí)行c代碼程序。在c代碼程序中我們主要是對數(shù)據(jù)緩存BUF累加計數(shù)，同時標(biāo)記每次數(shù)據(jù)的對應(yīng)時間。與此類推，每個電磁開關(guān)傳感器通過每個LM393電壓比較器接到微控制器的各個中斷引腳，以同樣的方式記錄采集數(shù)據(jù)，以此來完成對沿樹干匯集水量數(shù)據(jù)的采集(圖5)。

圖5 數(shù)據(jù)接收和采集流程圖

3.2 數(shù)據(jù)的處理、存儲、發(fā)送程序設(shè)計

數(shù)據(jù)的處理主要對每個數(shù)據(jù)采集通道所累加的數(shù)據(jù)緩存變量重組。數(shù)據(jù)重組是取各個通道的累加變量的數(shù)據(jù)和此刻的RTC時間進(jìn)行“打包處理”(整合到一個結(jié)構(gòu)體以方便存儲和發(fā)送)。具體過程表現(xiàn)為程序一開始先初始化整個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體變量data_count，data_time為零，初始化“程序運行時間標(biāo)記變量(i1、i2、i3)”為零，接著開始進(jìn)行邏輯判斷1，判斷內(nèi)容為：此時刻的RTC時間(比如取單位為秒)減去i1的值是否大于一個自定義變量K1(此變量為周期控制變量，如K1等于60，就是周期為60 s)。如果邏輯判斷1結(jié)果為真則執(zhí)行如下：將上述的“各個采集通道的數(shù)據(jù)緩存變量”數(shù)值拷貝到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體中，假設(shè)采集通道的數(shù)據(jù)緩存變量為count，結(jié)構(gòu)體對應(yīng)的變量為data_count，則直接另count=data_count。類似的把此時刻的RTC時間也拷貝進(jìn)上述結(jié)構(gòu)體里，同時以同樣的方式處理其他數(shù)據(jù)通道。最后把i1的值變成此時RTC時間的值以做下一個周期判斷，之后進(jìn)行邏輯判斷2。上述如果邏輯判斷1為假則直接進(jìn)行邏輯判斷2，邏輯判斷2的判斷內(nèi)容，此時刻的RTC時間值減去i2的值是否大于K2(其中K2與前面的K1性質(zhì)類似)。如果判斷2為真則運行：把在判斷1為真時所打包好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體內(nèi)容存入SD卡內(nèi)，存儲完后把i2的值變成此時RTC時間的值以做下一個周期判斷，之后執(zhí)行邏輯判斷3。如果邏輯判斷2為假則直接執(zhí)行邏輯判斷3程序。邏輯判斷3的判斷內(nèi)容，此時刻的RTC時間值減去i3的值是否大于K3(其中K3與前面的K1、K2性質(zhì)類似)。如果判斷3為真，則執(zhí)行如下程序：將邏輯判斷1為真時所打包好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體內(nèi)容轉(zhuǎn)換成json數(shù)據(jù)格式，再將此數(shù)據(jù)包通過GPRS模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器上，最后把i3的值變成此時RTC時間的值以做下一個周期判斷，之后進(jìn)行邏輯判斷1，如果邏輯判斷3為假則直接執(zhí)行邏輯判斷1，如此循環(huán)下去。在本設(shè)備設(shè)計中，我們定義的K1、K2、K3都等于60，其目的為每60 s(一分鐘)存儲和發(fā)送一次數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)的存儲，設(shè)備外設(shè)設(shè)計有一塊8G內(nèi)存miniSD卡，微控制器可以自由的往SD卡內(nèi)寫入數(shù)據(jù)，在本程序設(shè)計中我們是以定時的方式往SD卡內(nèi)寫入上述所“打包”好的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)會存儲在SD卡內(nèi)，數(shù)據(jù)包過各個傳感器通道的變量計數(shù)值和對應(yīng)的時間點的值，以方便工作人員對數(shù)據(jù)的二次分析等。

數(shù)據(jù)的發(fā)送，數(shù)據(jù)的發(fā)送主要是把數(shù)據(jù)從我們的設(shè)備通過GPRS模塊發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上的服務(wù)器，以實時獲取到每個地區(qū)每個傳感器設(shè)備的數(shù)據(jù)。同時數(shù)據(jù)打發(fā)送包過數(shù)據(jù)的處理，數(shù)據(jù)發(fā)送過程，此處的數(shù)據(jù)處理主要是對上述的各個中斷通道的數(shù)據(jù)計數(shù)值、通過微控制器計算到的降雨量數(shù)據(jù)和對應(yīng)各個時間點的值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，把它們轉(zhuǎn)換成json格式的數(shù)據(jù)再通過GPRS模塊把數(shù)據(jù)發(fā)送到特定的服務(wù)器上。在發(fā)送數(shù)據(jù)程序設(shè)計上同數(shù)據(jù)存儲也是定時發(fā)送，以send_time變量控制發(fā)送周期單位是分鐘(圖6)。

圖6 數(shù)據(jù)的處理、存儲、發(fā)送流程圖

3.3 數(shù)據(jù)在服務(wù)器和終端換算和顯示程序設(shè)計

服務(wù)器端使用python編寫服務(wù)器，使用多線程技術(shù)監(jiān)聽各個站點，一旦連接，回一個握手信號開始接受數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)進(jìn)行一個判斷，符合json格式和內(nèi)部協(xié)議要求，連接數(shù)據(jù)庫，并把它寫入mysql數(shù)據(jù)庫.用戶需要什么數(shù)據(jù)則在客戶端發(fā)個post請求，服務(wù)器收到信息則以回調(diào)函數(shù)顯示在客戶端(圖7)。

695snamesid02019/4/20 0:006696snamesid12019/4/21 0:004697snamesid22019/4/21 0:006698snamesid32019/4/21 0:002699snamesid42019/4/21 0:007700snamesid02019/4/21 0:309701snamesid12019/4/21 0:304702snamesid22019/4/21 0:307703snamesid32019/4/21 0:305704snamesid42019/4/21 0:3011705snamesid02019/4/21 1:0015706snamesid12019/4/21 1:009707snamesid22019/4/21 1:0011708snamesid32019/4/21 1:009709snamesid42019/4/21 1:0019710snamesid02019/4/21 1:3026711snamesid12019/4/21 1:3021712snamesid22019/4/21 1:3018713snamesid32019/4/21 1:3020714snamesid42019/4/21 1:3029715snamesid02019/4/21 2:0020716snamesid12019/4/21 2:0017717snamesid22019/4/21 2:0011718snamesid32019/4/21 2:0016719snamesid42019/4/21 2:0021721snamesid02019/4/21 2:3011722snamesid12019/4/21 2:3012723snamesid22019/4/21 2:308724snamesid32019/4/21 2:3010725snamesid42019/4/21 2:3014

圖7數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)截圖

4 調(diào)試與結(jié)果

4.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性測試

測試地點在中國科學(xué)院會同森林生態(tài)實驗站實驗林場的杉木人工林樣地內(nèi)，選取林內(nèi)5棵杉木樹，編號由1到5并估算樹冠投影面積，杉木1樹冠投影面積7 m2、杉木2樹冠投影面積6 m2、杉木3樹冠投影面積5 m2、杉木4樹冠投影面積6 m2、杉木5樹冠投影面積9 m2。將自動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置為每半小時采集一次數(shù)據(jù)，同時在對應(yīng)的5棵樹分別安裝5個計數(shù)器用于驗證系統(tǒng)是否會丟失數(shù)據(jù)。隨機(jī)選取數(shù)據(jù)庫中2019年4月21日記錄的一部分降雨時段過后人工讀取計數(shù)器數(shù)據(jù)(杉木1計數(shù)96次、杉木2計數(shù)80次、杉木3計數(shù)67次、杉木4計數(shù)70次、杉木5計數(shù)112次)與系統(tǒng)數(shù)據(jù)累計情況一致(表1)，表明系統(tǒng)對磁控開關(guān)計數(shù)準(zhǔn)確并且運行穩(wěn)定正常。

表1 自動監(jiān)測系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)

注：時間為2019年4月21日的00:00-04:00。

4.2 數(shù)據(jù)精度測試

系統(tǒng)利用轉(zhuǎn)換公式得出每棵樹的水量和人工在塑料桶測量的水量進(jìn)行比較(表2),兩者偏差不大于10%，在允許范圍內(nèi)，滿足使用要求，表明系統(tǒng)精度可靠。

表2 自動監(jiān)測系統(tǒng)與人工測量值比較

4.3 兩種不同監(jiān)測方式的樹干徑流數(shù)據(jù)結(jié)果表現(xiàn)

隨著降雨的進(jìn)行，自動監(jiān)測系統(tǒng)所計算的樹干徑流數(shù)據(jù)每半個小時產(chǎn)生一個結(jié)果，能夠真實地反映出降雨對樹干徑流影響的時段變化(表3)。傳統(tǒng)的人工監(jiān)測只能等雨停過后，到現(xiàn)場記錄、換算樹干徑流總數(shù)據(jù)。樹干徑流人工觀測時段數(shù)據(jù)為杉木1的樹干徑流0.217 1 mm、杉木2的樹干徑流0.211 7 mm、杉木3的樹干徑流0.216 0 mm、杉木4的樹干徑流0.166 7 mm、杉木5的樹干徑流0.178 9 mm。

表3 樹干徑流自動監(jiān)測系統(tǒng)換算數(shù)據(jù)

注：時間為2019.04.21的00:00-04:00。

5 結(jié)論

本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計出森林樹干徑流自動監(jiān)測系統(tǒng)，通過微控制器(STM32F407)接受并處理翻斗式傳感器磁控開關(guān)信號，對有效數(shù)據(jù)先進(jìn)行存儲入SD卡后在野外信號通暢條件下利用SIM900A模塊以4G方式上傳到服務(wù)器，工作人員通過客戶端口直接獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行實時在線觀測分析。與傳統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)方式相比，不難發(fā)現(xiàn)自動監(jiān)測系統(tǒng)能夠完成描述一場降雨過程中的不同時段樹干徑流變化過程細(xì)節(jié)分量和全時段總量，而人工監(jiān)測只能體現(xiàn)出一個全時段總量。因此，樹干徑流自動監(jiān)測系統(tǒng)能為科研工作者在研究降雨、風(fēng)速、溫度等氣候因素與樹干徑流之間關(guān)聯(lián)情況提供更有效的數(shù)據(jù)。經(jīng)過野外復(fù)雜環(huán)境長期測試以及人工數(shù)據(jù)比較，系統(tǒng)整體表現(xiàn)安全可靠、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，節(jié)約了大量人力和物力成本，具有很強的推廣應(yīng)用性。