穆文東，徐 琦，徐 浙，鄭晞慧，鄭東紅，姜舒君

（錢江源國家公園管理局，浙江 開化 324300）

隨著傳感器與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，用于森林安全防護(hù)[1]和危險預(yù)警[2]的監(jiān)測裝備逐漸趨于自動化和智能化[3]。森林不但與人類的生存環(huán)境息息相關(guān)，而且對社會經(jīng)濟(jì)、生命財產(chǎn)安全都有著重要的影響。傳統(tǒng)的森林監(jiān)測依賴于人工巡視，不僅浪費(fèi)人力、財力，而且無法實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時傳遞、動態(tài)分析等功能[4]。森林的狀態(tài)參數(shù)對于林業(yè)的宏觀調(diào)控有著重要的指導(dǎo)作用，同時也是完成整體生態(tài)評價[5]的關(guān)鍵依據(jù)。為此，文中對一種無線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計與研究，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境特點(diǎn)和惡劣天氣。在無線網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的支持下，相關(guān)工作人員能夠及時獲取遠(yuǎn)程采集信息，包括固定式監(jiān)測臺和無人機(jī)巡航系統(tǒng)。通過硬件選型和軟件控制設(shè)計，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多用戶、長時間、共享性的信息交互，同時具備較強(qiáng)的抗干擾能力，可根據(jù)地理位置特征設(shè)定合理的采樣頻率，從而實現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 功能設(shè)計

無線監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢在于實時性、可操作性、多功能性和交互性等[6]。為得到性價比較高、功能可靠、監(jiān)測與數(shù)據(jù)傳輸能力強(qiáng)的森林監(jiān)測系統(tǒng)，需要對整體的功能進(jìn)行設(shè)計與限定。根據(jù)森林地理環(huán)境與林業(yè)安全需求，對森林監(jiān)測系統(tǒng)的總體功能設(shè)計如下。

1） 具有充足的傳感器節(jié)點(diǎn)，能夠在較大范圍內(nèi)實時獲取林業(yè)環(huán)境內(nèi)的溫度、濕度和空氣成分等，結(jié)合數(shù)據(jù)交互模型和系統(tǒng)軟硬件處理技術(shù)，將森林內(nèi)的多參數(shù)信息進(jìn)行整合和處理，得出森林防護(hù)的安全指標(biāo)，并且能夠準(zhǔn)確定位和協(xié)同檢測。

2） 系統(tǒng)的檢測平臺具有多重性和層次性，在無線網(wǎng)絡(luò)、信號采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊等功能模塊的作用下，各個固定監(jiān)測平臺和移動巡航單元能夠組成高效的一體式監(jiān)測站。

3） 監(jiān)測系統(tǒng)能夠設(shè)置合理的覆蓋區(qū)域，各個硬件元件具有較低的功耗和兼容性，能夠根據(jù)后續(xù)監(jiān)測要求進(jìn)行功能擴(kuò)展。監(jiān)測系統(tǒng)能夠獲得良好的精度，基于多信號融合構(gòu)建森林評價模型[7]，確保無線監(jiān)測功能的有效性。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計原則

根據(jù)系統(tǒng)的功能內(nèi)容和要求，為進(jìn)一步確保系統(tǒng)的合理性和可靠性，設(shè)定系統(tǒng)設(shè)計原則如下。

1） 性價比原則。由于森林面積較大，在進(jìn)行硬件設(shè)計和節(jié)點(diǎn)布局時應(yīng)當(dāng)充分考慮性價比原則，減少信號覆蓋的重疊范圍，在保證硬件資源得到充分利用的前提下，體現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用的低成本和低功耗優(yōu)勢。

2） 硬件與軟件的可靠性。依托硬件與軟件平臺，森林狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)信號或數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸，因此要求兩者之間具有良好的匹配性，從而確保終端數(shù)據(jù)的可靠性。此外，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備自檢功能，以便出現(xiàn)功能故障時能夠及時進(jìn)行維修或維護(hù)，確保硬件具有良好的工作環(huán)境與狀態(tài)。

3） 系統(tǒng)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)化控制模式。為確保無線傳輸?shù)膶崟r性和穩(wěn)定性，遠(yuǎn)程通信基于標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議。在狀態(tài)診斷方面，擴(kuò)建標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫，通過比對特性確定森林安全狀態(tài)和防護(hù)等級。

4） 功能拓展與兼容性。由于電氣技術(shù)飛速發(fā)展，硬件系統(tǒng)需進(jìn)行升級，要求硬件設(shè)計時保留兼容性拓展模塊，不僅能基于數(shù)據(jù)平臺升級軟件控制流程，還不斷需要增加相關(guān)查詢功能，改善人機(jī)交互效果。由于森林環(huán)境往往較為復(fù)雜，部分地區(qū)存在較大的風(fēng)載、電磁干擾、雷電甚至野生動物破壞等因素，因此需要確保固定監(jiān)測平臺的安全性。

2 固定監(jiān)測平臺設(shè)計

2.1 硬件選型與設(shè)計

固定監(jiān)測臺的數(shù)量和分布位置可根據(jù)實際地理環(huán)境進(jìn)行布局和優(yōu)化，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。為降低監(jiān)測系統(tǒng)對森林自身環(huán)境的影響，優(yōu)先采用集成度高、體積小的平臺。其中，硬件系統(tǒng)的核心處理元件選用AT89C51 單片機(jī)，能夠有效地連接各個功能模塊，而且具有功能拓展接口，性價比非常高，滿足設(shè)計要求。

圖1 固定監(jiān)測平臺的結(jié)構(gòu)

對于森林內(nèi)的溫濕狀態(tài)監(jiān)測，系統(tǒng)采用溫濕度傳感器模塊HTW-211 作為監(jiān)測森林環(huán)境中氣溫和相對濕度的核心采集元件。該系列傳感器具有自主溫度補(bǔ)償功能，精度較高，而且外部設(shè)置有防護(hù)層，避免森林惡劣環(huán)境下的損傷，工作壽命較長。溫濕傳感數(shù)據(jù)是衡量和預(yù)測是否會發(fā)生火災(zāi)的重要指標(biāo)之一，也是關(guān)鍵的監(jiān)測參數(shù)。對雷電災(zāi)害的監(jiān)測，系統(tǒng)選用EW5.0 雷電預(yù)警模塊。該模塊的有效監(jiān)測范圍超過40 km，對于電磁場的感應(yīng)較為靈敏，可將雷電災(zāi)害的預(yù)測率保持在90%以上，實現(xiàn)自然載荷的充分防護(hù)，降低生命財產(chǎn)損失。

2.2 通信方案設(shè)計

由于森林環(huán)境普遍具有復(fù)雜性和多變性[8]，因此監(jiān)測系統(tǒng)中的下位機(jī)受到的干擾因素較多，這對數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性有著明顯的影響。為此，系統(tǒng)采用復(fù)合型通信方案，既能夠通過GPRS 模塊實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸（硬件連接原理如圖2 所示），也可以基于RS-485/232 串行通信進(jìn)行信號傳遞。森林監(jiān)測系統(tǒng)中的通信協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)較高的數(shù)據(jù)傳輸效率和較低的誤碼率，而且具有多節(jié)點(diǎn)分布式控制功能。由于硬件選型的抗干擾能力較強(qiáng)，對各個功能模塊的芯片均具有良好的保護(hù)效果。

圖2 GPRS 模塊連接原理

在信號傳遞的偏差控制方面，系統(tǒng)采用綜合性能良好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元，確保處理器的精度和效率，同時提升整體硬件的性價比[9]。對于GPRS 模塊中的指令傳遞，以RS-232 端口為主，這對于降低誤碼率有著重要的作用。無線網(wǎng)絡(luò)通信的控制芯片型號為MAX232，硬件尺寸小，集成度非常高，接線電路較為簡潔，性價比較高。

2.3 軟件控制設(shè)計

對于森林狀態(tài)監(jiān)測平臺，各個節(jié)點(diǎn)的初始化和中斷對于系統(tǒng)總體功能模塊的正常運(yùn)行有著關(guān)鍵的作用。系統(tǒng)初始化的控制流程如圖3 所示，可以看出，每次初始化都會校驗RAM 數(shù)據(jù)，從而避免系統(tǒng)的假死或無效循環(huán)，確保被測數(shù)據(jù)的有效性。初始化程序完成后，各個功能子程序才能根據(jù)功能要求依次運(yùn)行。由于軟件控制具有顯著的反饋特點(diǎn)，因此各個功能參數(shù)的監(jiān)測和處理需要對應(yīng)的曲線修正。當(dāng)某個程序中斷時，其他各程序之間不受關(guān)聯(lián)性影響，確保參數(shù)的獨(dú)立性。由于傳感器存在補(bǔ)償偏差，因此在軟件中需要增加補(bǔ)償類型和補(bǔ)償依據(jù)，提高數(shù)據(jù)可靠性。主程序與子程序之間存在嚴(yán)格的內(nèi)在聯(lián)系，當(dāng)執(zhí)行信號采集功能時，需要首先校驗控制指令的有效性。不同功能子程序?qū)?yīng)的硬件校核原理不同，若校驗或者初始化不足，則無法確保監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)處于正常水平。此外，對于各個元件的自身的工作狀態(tài)也需要進(jìn)行測試，比如各個功能模塊的供電電壓、功率因數(shù)等。

圖3 系統(tǒng)初始化的控制流程

2.4 抗干擾設(shè)計

硬件電路的優(yōu)化是實現(xiàn)和提升抗干擾效果的最有效手段。針對固定監(jiān)測平臺的硬件組成原理，系統(tǒng)增設(shè)濾波電路，即在不降低數(shù)據(jù)采集模塊敏感度的前提下，將被測信號首先導(dǎo)入抗混疊濾波電路中。該信號處理方案適用于模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的切換，對低頻信號，特別是具有非周期性的低頻率信號具有良好的處理效果。比如，在監(jiān)測森林中的風(fēng)壓和風(fēng)速信號時，可將被測數(shù)據(jù)離散化，保證信號的頻譜變換過程中不會出現(xiàn)漏頻問題，對于風(fēng)速變化規(guī)律的求解有著重要的作用。在信號輸出階段增加鎖相環(huán)電路，能夠?qū)⑿盘栐诜糯?、濾波等處理后保持穩(wěn)定的相位偏差，在一定程度上降低信號的失真性。對于森林內(nèi)振動信號的采集，可增加振蕩數(shù)據(jù)比較器，基于時域和頻率信號的特征，預(yù)測地震等信號源。

3 無人機(jī)巡航監(jiān)測設(shè)計

3.1 巡航監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)置

無人機(jī)巡航監(jiān)測作為固定監(jiān)測平臺的重要補(bǔ)充，能夠有效地避免突發(fā)狀況，且能夠細(xì)化監(jiān)測數(shù)據(jù)[10]。無人機(jī)巡航監(jiān)測平臺主要由三部分組成：無人機(jī)巡航軌跡控制單元、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸單元、數(shù)據(jù)采集與重構(gòu)單元等，工作人員能夠在手機(jī)終端通過App 進(jìn)行查看和控制，如圖4 所示。根據(jù)森林環(huán)境特點(diǎn)和固定監(jiān)測平臺的功能范圍，設(shè)置無人機(jī)巡航監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作條件或參數(shù)如下。

圖4 無人機(jī)巡航模式

1） 為保持同步性和匹配性，將地面固定監(jiān)測端和空中巡航監(jiān)測端采用相同的采樣參數(shù)和數(shù)據(jù)緩存條件，定位采用GPS 方式。

2） 無人機(jī)巡航過程中與固定端中的傳感單元保持關(guān)聯(lián)性，不能設(shè)置在同時段均處于待機(jī)或休眠狀態(tài)，且地面終端具有最高權(quán)限，能夠控制巡航路徑、速度和監(jiān)測內(nèi)容。

3） 無人機(jī)的通信結(jié)構(gòu)采用多對一模式，即多無人機(jī)同時運(yùn)行，有效數(shù)據(jù)均傳輸至特定的數(shù)據(jù)中心，再由數(shù)據(jù)中心向外二次發(fā)送，確保數(shù)據(jù)的可靠性和有效性。

3.2 數(shù)據(jù)程序控制方案

為確保無人機(jī)巡航過程中監(jiān)測信號數(shù)據(jù)的安全性和可靠性，采用透傳模式，即不改變?nèi)魏螖?shù)據(jù)的內(nèi)容和類型，比如圖像和聲音數(shù)據(jù)。該模式利于程序控制，無需對被測信號進(jìn)行去幀處理，在對應(yīng)的串口模塊中進(jìn)行編碼、解碼設(shè)置即可。由于無線傳輸在長距離條件下存在發(fā)生誤碼率和強(qiáng)干擾的可能性，因此在程序控制中增加圖像處理模塊，優(yōu)化通訊頻段，降低頻帶中的噪聲信息，并且減少發(fā)射器和基站位置的停留時間。在無人機(jī)硬件系統(tǒng)中，采用全數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)對視頻信號進(jìn)行壓制，能夠在保證清晰度的前提下，降低數(shù)據(jù)體積。此外，系統(tǒng)采用COFDM 調(diào)制方式控制有效功率，能夠在無人機(jī)運(yùn)行速率70 km/h 條件下獲得高效的控制反饋信號，延遲時間低于200 mms。

4 結(jié)束語

森林生態(tài)環(huán)境的智能監(jiān)測對于構(gòu)建區(qū)域化安全防護(hù)、維護(hù)生態(tài)健康、優(yōu)化定位性生態(tài)研究均有著重要意義。國內(nèi)林業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變，通過監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)防自然或人為災(zāi)害是保護(hù)環(huán)境、節(jié)約生態(tài)資源的關(guān)鍵手段。將固定監(jiān)測平臺與無人機(jī)巡視平臺進(jìn)行協(xié)同工作，能夠獲得覆蓋面積更廣、參數(shù)定位更準(zhǔn)確和數(shù)據(jù)更可靠性的應(yīng)用效果。森林的無線監(jiān)測除了可以實現(xiàn)日常的安全防護(hù)，還能得出多種參數(shù)的時域或頻域變化規(guī)律，為林業(yè)科學(xué)研究提供重要的數(shù)據(jù)，科學(xué)意義顯著。隨著傳感技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，森林生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)將能夠在更低的成本下實現(xiàn)更好的性能。