CN102721435B

CN102721435B - 基于无线传感器网络的森林环境效益监测系统

Info

Publication number: CN102721435B
Application number: CN201110363971.9A
Authority: CN
Inventors: 周国模; 吴晓平; 莫路锋; 周宇峰
Original assignee: Zhejiang A&F University ZAFU
Current assignee: Zhejiang A&F University ZAFU
Priority date: 2011-11-15
Filing date: 2011-11-15
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2031-11-15
Also published as: CN102721435A

Abstract

本发明公开了一种基于WSN的土壤表面CO₂通量监测系统，所述监测系统包括硬件系统和软件系统；所述硬件系统包括电路器件和机械器件；所述电路器件包含TelosB模块、CO₂传感器测量模块、显示模块、主控制电路模块、光电开关感应模块；所述机械器件包括太阳能充电板、顶盖、支撑中盖、测量室基座，所述测量室包括至少带一个气门的气室；所述软件系统包括中央控制系统、气室控制系统、测量控制系统、数据处理系统、网络管理系统；所述中央控制系统控制所述气室控制系统、测量控制系统、数据处理系统、网络管理系统；所述气室控制系统侦测到气室完全关闭后，启动测量控制系统，通过数据处理系统在所述显示模块显示实时的CO₂浓度及测量时间；一次测量完成后，气室控制系统控制所述气室打开，所述显示模块的显示界面回到初始界面，等待下次测量的开始命令；所述数据处理系统把测量数据发送给网络管理系统，并接收来自网络管理系统的指令。本发明的技术适合应用于需要自动采集、自动处理海量信息的CO₂通量监测领域。

Description

基于无线传感器网络的森林环境效益监测系统

技术领域

本发明涉及一种土壤表面CO₂通量、温度、湿度和分贝监测系统，属于大气环境监测技术领域，尤其是一种在复杂环境下基于无线传感器网络的森林环境效益监测系统。

背景技术

土壤呼吸在一定程度上反映了土壤养分转化和供应的能力，是土壤质量和肥力的重要生物学指标和土壤健康状况的指示因子。因而，土壤表面二氧化碳通量做比较精确的测定，对准确地进行陆地生态系统的碳核算，实施联合国气候变化框架公约，具有实质而重要的意义。现有技术领域不存在能够自动采集、自动处理海量信息的CO₂通量监测软件和硬件产品，也不存在公开发表的文献。

基于WSN(WirelessSensorNetwork)的土壤表面碳通量监测系统由多个土壤碳通量测量器组成，且都工作在野外环境，要实现机械构件的自动化启闭操作需要比其他领域的WSN节点设备耗费更多的电能，因此碳通量监测系统设计对能耗具有很高的要求，其软件和硬件设计更加复杂。在每个器件的选用和电路设计中，能耗、效率、协同性都是必须考虑的因素。现有技术领域不存在能实现上述设计需求和应用需求的软件、硬件产品，也不存在公开发表的文献。

此外，在城市高温的夏季，沥青和水泥路面周围的温度常常要比农村相同地区的温度高2～8度。树木遮挡马路、建筑物等，通过土壤水分蒸发、蒸腾作用使周围的空气降温。不仅如此，还可以使周围的空气湿度增加。树木遮挡马路、建筑物等还可以降低城市噪音，起到隔噪音作用。目前对森林环境效益监测一股采用特殊的仪器用人工方法逐点进行，不能进行大范围、实时和连续的测量，测量的准确性较低，范围较小，时效性较差。现有技术领域不存在能够通过WSN网络自动采集、自动处理海量信息的森林环境效益监测软件和硬件产品，也不存在公开发表的文献。

此外，为了解决气候变暖问题，发达国家推动全球建立了一套二氧化碳排放权交易系统，简称“碳交易”系统。它是一种向各国分配二氧化碳排放配额，并把配额投放到市场上进行交易，从而降低二氧化碳排放量的一种市场化环境保护体系。

碳交易市场发展非常迅猛。例如，2005年京都议定书正式生效后，全球碳交易市场出现了飞速增长的态势。2007年，全球碳交易量从2006年的16亿吨跃升到27亿吨，上升68.75％。碳交易成交额增长非常迅猛。例如，2007年，全球碳交易金额达400亿欧元，比2006年的220亿欧元上升了81.8％。2010年，全球碳交易额已超过930亿欧元。到2020年，全球碳交易额预计将达到3.5万亿美元，可能超过石油行业，成为全球第一大能源交易市场。

一些国家或地区强制推广碳交易，将极大地促进碳交易市场的扩张。例如，根据欧盟法律，从2012年1月起，全球航空业被纳入欧盟碳排放交易机制，开辟欧盟航线的外国航空公司全部被纳入这一机制。为此，中国国航在2012年预计需要向欧盟缴纳约3400万欧元的二氧化碳排放量购买费用。为了抵制不公平的碳交易体制，中国的国航、南航、东航正酝酿与中航协一起，共同向欧盟提起诉讼。

碳交易不但已成为贸易壁垒，而且在全球已演化为核心的经济、政治问题。发达国家认为，中国是制造业大国，中国基本上占据了60％多的CDM市场份额，因此发达国家对中国提出了越来越多的环境保护约束，对中国的国家碳配额提出了非常苛刻的要求。

实际上，中国的碳排放在很大程度上是为发达国家提供消费品和工业品；而且，中国拥有非常庞大的地下碳库，尤其中国有世界上最大的竹林，对气碳的土壤固化能力非常强。

尽管中国是世界上工业气碳的最大排放国，但中国也可能是世界上最大的气碳植被土壤固化国，可能拥有世界上最大的地下碳库。如果这个大规模、高速度消耗气碳的地下碳库真的存在，而且拥有比北美、西欧、日本等发达地区拥有的植被环境更强大、更快速的气碳消耗能力，那么中国应当在碳交易全球配额体系中拥有主导性话语权。

目前，公开发表的文献，以及公开销售、展示的土壤碳通量监测设备不能满足我国土壤碳通量测量的需求，不能为我国地下碳库的土壤碳通量测量提供技术支持。其主要技术缺陷如：

现有的土壤碳通量监测设备、系统、方法都不能实现无人远程监测，而且没有出现自动化的联网监测产品，不能采集广域野外环境的碳通量海量数据。与水文、雨雪等地球或大气环境的自动化联网监测实践不同，碳通量的大范围监测设备需要进行一系列的机械操作，机械故障多，测量环境的自动化创建难度大，设备耗电量大，其软件创新和硬件集成的难度很大。现有设备只能单机本地测量，必须由测量人员在现场激发测量装置，并当场抄录测量数据，远未实现测量室的远程启闭控制。

截至目前，国内外没有出现能够完全无人看护、数据无线共享、远程响应机械操作、随时监控自身设备状态、具有自我电量维持管理功能的碳通量测量系统。更没有相关文献发表。

现有设备只能在现场关闭测量室，而且测量室仅仅为碳通量测量设备提供气门，仅能实现测量室内外的大气交换。为了获取精确的测量数据，测量室内外需要具有相同的温度、湿度、水文、大气环境。这就需要实现测量室的整体性开启与关闭，而不仅是设置气门。实现该整体性启闭的远程电力控制系统并未出现在碳通量检测设备与无线传感器网络设备中。

现有设备的土壤碳通量数据采集方式非常单一，获取的数据不能为广域、定时、采样分析提供数据支撑，更不能实现智能化、多样化的数据采集操作。

而且，现有设备每台的价格高达数十万元人民币，从费用上不能满足大量设备的智能布网需求。现有设备的耗电量大，设备自持周期太短，更不能获取太阳能，无法实现大量设备的智能化布网。

总之，现有设备应用的土壤碳通量监测系统、方法、网络都需要进行大规模革新，从而为建立新的土壤碳通量监测机制提供基础性硬件、软件技术，为我国地下碳库的土壤碳通量测量提供技术支持。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于无线传感器网络的森林环境效益监测系统，该系统通过无线传感器网络的多跳机制，对复杂环境和场所的土壤碳通量、温度、湿度和分贝进行统一监控，不但能够提高碳通量、温度、湿度和分贝测量的准确性，而且能够克服大范围碳通量、温度、湿度和分贝实时、精确监测难度大的问题，使其能够适用于各类森林环境效益监测系统复杂环境。

本发明的内容是：设计一种基于无线传感器网络的森林环境效益监测系统，所述监测系统包括硬件系统和软件系统，并配载到一个土壤表面CO₂通量监测测量节点上；所述硬件系统包括电路器件和机械器件；所述电路器件包含TelosB模块、CO₂传感器测量模块、显示模块、主控制电路模块、光电开关感应模块；所述机械器件包括太阳能充电板、顶盖、支撑中盖、测量室基座，所述测量室包括至少带一个气门的气室；所述软件系统包括中央控制系统、气室控制系统、测量控制系统、数据处理系统、网络管理系统；所述中央控制系统控制所述气室控制系统、测量控制系统、数据处理系统、网络管理系统；所述气室控制系统侦测到气室完全关闭后，启动测量控制系统，通过数据处理系统在所述显示模块显示实时的CO₂浓度及测量时间；一次测量完成后，气室控制系统控制所述气室打开，所述显示模块的显示界面回到初始界面，等待下次测量的开始命令；所述数据处理系统把测量数据发送给网络管理系统，并接收来CO₂自网络管理系统的指令；

每个土壤表面CO₂通量监测测量节点一次完整的测量过程如下：

CO₂传感器预热100秒；电机正转，位移传感器每0.1秒采样一次，判断测量室是否关闭；CO₂浓度、温湿度、电源电压采样3分钟，同时LCD输出显示值，CC2420发送数据；电机反转，位移传感器每0.1秒采样一次，判断测量室是否完全开启。

所述监测服务器通过无线方式连接到所述监测系统，还连接到处于大气环境中不同位置的温度、湿度和分贝监测装置，所述温度、湿度和分贝监测装置包括电源模块、微处理器以及与该微处理器连接的湿度监测传感器、温度监测传感器、分贝监测传感器、无线射频收发模块；所述电源模块通过太阳能充电并为整个温度、湿度和分贝监测装置提供电能；所述温度、湿度和分贝监测装置通过各自的无线射频收发模块相互连接并通讯；所述的湿度监测传感器可以监测大气湿度；所述的温度监测传感器可以监测环境温度；所述的分贝监测传感器可以监测环境中的分贝；或者，所述温度、湿度和分贝监测装置与所述监测系统共享通用模块，包括管理电源、通讯、数据集成、外壳防护的模块。

所述监测服务器是PC，该PC的信号收发接口连接有无线信号收发装置。

所述微处理器是msp430。

所述无线射频收发模块是基于射频芯片CC2420的ZigBee无线通信集成电路。

所述温度监测传感器由温度信号采集模块、温度信号处理转换模块、信号收发控制模块和整流抗干扰电路组成，所述温度信号采集模块的信号输出端与温度信号处理转换模块的信号输入端连接，温度信号处理转换模块的信号输出端连接有信号收发控制模块的信号输入端，信号收发控制模块的信号输出端连接到整流抗干扰电路的输入端，所述整流抗干扰电路的信号输出端为作为整个温度传感器模块的信号输出端连接到微处理器上。

所述湿度监测传感器由湿度信号采集模块、湿度信号处理转换模块、信号收发控制模块和整流抗干扰电路组成，所述湿度信号采集模块的信号输出端与湿度信号处理转换模块的信号输入端连接，湿度信号处理转换模块的信号输出端连接有信号收发控制模块的信号输入端，信号收发控制模块的信号输出端连接到整流抗干扰电路的输入端，所述整流抗干扰电路的信号输出端为作为整个湿度传感器模块的信号输出端连接到微处理器上。

所述分贝监测传感器由分贝信号采集模块、分贝信号处理转换模块、模数转换模块和信号收发控制模块组成，所述分贝信号采集模块的信号输出端与分贝信号处理转换模块的信号输入端连接，分贝信号处理转换模块的信号输出端连接有数模转换模块的信号输入端，模数转换模块的信号输出端连接到信号收发控制模块的输入端，信号收发控制模块的信号输出端连接到整流抗干扰电路的输入端，所述整流抗干扰电路的输出端为作为整个分贝传感器模块的信号输出端连接到微处理器上。

所述电源模块由太阳能充电模块、稳压电路、控制电路和蓄电池组成，所述的太阳能充电模块接受光照并充电，太阳能充电模块的输出端连接到稳压电路的输入端，稳压电路的输出端连接到控制电路的输入端，控制电路的输出端连接到蓄电池的输入端，蓄电池的输出端连接到温度传感器模块、湿度传感器模块、分贝传感器模块和无线射频收发模块上以提供电能。

具体而言，本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

本基于无线传感器网络的森林环境效益监测系统，包括监测服务器，其特征在于：所述监测服务器通过无线方式连接有多个处于大气环境中不同位置的温度、湿度和分贝监测装置，所述温度、湿度和分贝监测装置包括电源模块、微处理器以及与该微处理器连接的湿度传感器模块、温度传感器模块、分贝传感器模块和无线射频收发模块；所述电源模块通过太阳能充电并为整个温度、湿度和分贝监测装置提供电能；所述多个温度、湿度和分贝监测装置通过各自的无线射频收发模块相互连接并通讯；所述的湿度传感器模块可以监测大气湿度；所述的温度传感器模块可以监测环境温度；所述的分贝传感器模块可以监测环境中的分贝。

所述微处理器是msp430。

所述温度传感器模块由温度信号采集模块、温度信号处理转换模块、信号收发控制模块和整流抗干扰电路组成，所述温度信号采集模块的信号输出端与温度信号处理转换模块的信号输入端连接，温度信号处理转换模块的信号输出端连接有信号收发控制模块的信号输入端，信号收发控制模块的信号输出端连接到整流抗干扰电路的输入端，所述整流抗干扰电路的信号输出端作为整个温度传感器模块的信号输出端连接到微处理器上。

所述湿度传感器模块由湿度信号采集模块、湿度信号处理转换模块、信号收发控制模块和整流抗干扰电路组成，所述湿度信号采集模块的信号输出端与湿度信号处理转换模块的信号输入端连接，湿度信号处理转换模块的信号输出端连接有信号收发控制模块的信号输入端，信号收发控制模块的信号输出端连接到整流抗干扰电路的输入端，所述整流抗干扰电路的信号输出端作为整个湿度传感器模块的信号输出端连接到微处理器上。

所述分贝传感器模块由分贝信号采集模块、分贝信号处理转换模块、模数转换模块和信号收发控制模块组成，所述分贝信号采集模块的信号输出端与分贝信号处理转换模块的信号输入端连接，分贝信号处理转换模块的信号输出端连接有数模转换模块的信号输入端，模数转换模块的信号输出端连接到信号收发控制模块的输入端，信号收发控制模块的信号输出端连接到整流抗干扰电路的输入端，所述整流抗干扰电路的输出端作为整个分贝传感器模块的信号输出端连接到微处理器上。

所述温度、湿度和分贝监测装置配置到一个无线传感器节点中，所述无线传感器节点包括一个土壤碳通量监测装置，所述温度、湿度和分贝监测装置与所述土壤碳通量监测装置共享电路控制、太阳能充电、通讯、数据处理、保护性外壳等模块，或者，所述温度、湿度和分贝监测装置，与所述土壤表面CO₂通量监测测量节点拥有各自的电路控制、太阳能充电、通讯、数据处理、保护性外壳等模块；所述土壤碳通量监测装置包括硬件系统和软件系统；所述硬件系统包括电路器件、机械器件；其特征在于，所述电路器件包括至少一个无线传感器网络接入模块；所述无线传感器网络接入模块包括微控制单元、无线收发器；所述电路器件还包括至少一个CO₂传感器测量模块；所述CO₂传感器测量模块包括至少一个红外二氧化碳传感器；所述电路器件还包括至少一个主控制电路，所述主控制电路包括稳压电路、CO₂传感器驱动电路、电机驱动电路。

所述电路器件还包括至少一个显示模块，所述显示模块包括至少一个液晶、LED或OLED显示模块。

所述电路器件还包括至少一个温湿度传感器测量模块，所述温湿度传感器测量模块将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上，输出完全标定的数字信号；所述温湿度传感器测量模块还包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。

所述电机驱动电路用于控制CO₂测量室的打开与关闭；所述电机的工作由H桥电路控制，实施测量前，提供高电控制电机正转，关闭测量室；测量完毕后，提供高电平控制电机反转，打开测量室。

所述监测系统的机械器件包括太阳能充电板、顶盖、测量室，所述测量室包括测量室基座、固定中盖和滑动盖围成的空间，所述滑动盖开启后，出现通风口。

所述测量室内部部署有弹簧、垫圈、滑动盖、电路板支架，所述弹簧在测量启动前，用于密闭所述测量室，当滑动向下移动直到紧触垫圈，停止移动，测量室关闭，而在整个测量过程中，弹簧处于压缩状态，弹簧给垫圈向上的作用力，提高测量室的密封性。

所述滑动盖通过至少一个丝杆和固定槽实施启闭，滑动盖的上下移动通过所述丝杆实现；丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的一种传动结构；所述滑动盖与固定中盖用固定槽相对固定，两者无法进行相对的圆周运动，通过丝杆将回转运动转变为直线运动：电路驱动电机转动，电机带动丝杆，丝杆使得滑动盖上下移动，完成所述测量室的启闭。

所述监测系统的软件系统包括集成控制子系统、通讯子系统、电力管理子系统、机械控制子系统、信息采集子系统、设备监测与维护子系统、数据处理子系统、指令响应子系统；所述通讯子系统用于控制所述无线传感器网络接入模块；所述信息采集子系统用于控制所述CO₂传感器测量模块；所述设备监测与维护子系统用于控制所述显示模块；所述信息采集子系统还可控制所述温湿度传感器测量模块；所述集成控制子系统用于控制所述主控制电路模块；所述电力管理子系统用于控制所述各电源模块；所述机械控制子系统用于控制所述机械器件的运行；所述数据处理子系统用于控制所述数据传输电路；所述指令响应子系统能接收互联网、无线传感器网络，或者其他有线或无线通信网络发来的指令，通过所述集成控制子系统要求相关电路器件、机械器件或者软件子系统作出操作或信号响应。

所述电机驱动电路用于控制CO₂测量室的整体打开与关闭；所述测量室的整体打开操作用于为所述测量室提供与测量室外完全相同的温度、湿度、水文、大气环境。所述CO₂测量室的整体打开方式包括，单侧平移式展开、两侧平移式展开、开合式打开、翻开式打开、翻盖式打开。所述单侧平移式展开包括测量室上方的部件整体性向一侧移开，使雨水可以垂直落入测量室内部的土壤；两侧平移式展开包括测量室上方的部件分成至少2部分各自整体性向不同的方向平移式移开；开合式打开包括测量室上方的部件分成至少2部分开合式展开，使雨水可以垂直落入测量室内部的土壤；翻开式打开包括测量室上方的部件向外侧翻开，使雨水可以垂直落入测量室内部的土壤；翻盖式打开包括测量室上方的部件作为盖体翻开，使雨水可以垂直落入测量室内部的土壤。

所述监测系统的软件系统包括轻量级线程技术模块、主动消息通信技术模块、事件驱动模式技术模块、组件化编程技术模块；其应用子程序设置为包括无线通讯子程序、显示子程序、温湿度传感子程序、电机驱动子程序、位移检测子程序、电源电压检测子程序、CO₂传感子程序。

监测系统的监测方法，包括如下步骤：

S1.部署两个以上无线传感器节点，启用至少一个无线传感器网络；

S2.把S1中的无线传感器网络接入局域网，或互联网，或电信网，或广电网，或所述网络的融合网络；

S3.把至少一个远程网络终端接入S2中的所述网络；所述终端包括手机、计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑、智能上网设备；

S4.S3中的网络终端从所述S1中的无线传感器节点接收信息，或者向所述S1中的无线传感器节点发送指令。

所述无线传感器网络包括至少一个人机登陆界面，所述远程网络终端通过所述人机登陆界面的鉴权认证后，在其获得的授权范围内访问所述无线传感器网络。

所述碳通量监测方法包括六种碳通量测量方式：

(1)单次测量：即在仪器现场，按动启动按键，从显示屏人工读取测量结果，实现单次测量；

(2)定时测量：即通过服务器远程设定定时时间，定时测量碳通量值。

(3)随机指定区域测量：即通过服务器远程发送随机测量命令，无线传感器网络中的节点把所述命令发送给指定区域内的一个或者多个测量节点，采集指定区域内的碳通量：

(4)随机全网测量：即通过服务器远程发送随机测量命令，无线传感器网络中的节点把所述命令发送给网络中有效的全部测量节点，采集整个网络覆盖区域内的碳通量：

(5)人机界面数据库指令指定区域测量：即通过一个人机界面设定数据库参数，数据库根据设定的参数生成测量命令，所述无线传感器网络发来的环境信息满足所述参数时，所述测量命令向所述服务器发出并执行，服务器远程发送所述测量命令，无线传感器网络中的节点把所述命令发送给指定区域内的一个或者多个测量节点，采集指定区域内的碳通量，所述参数包括温度、湿度、高度、位置、风速、时间、降雨量、植被密度、植被类型；

(6)人机界面数据库指令全网测量：即通过一个人机界面设定数据库参数，数据库根据设定的参数生成测量命令，所述无线传感器网络发来的环境信息满足所述参数时，所述测量命令向所述服务器发出并执行，服务器远程发送所述测量命令，无线传感器网络中的节点把所述命令发送给网络中有效的全部测量节点，采集整个网络覆盖区域内的碳通量，所述参数包括温度、湿度、高度、位置、风速、时间、降雨量、植被密度、植被类型。

上述(3)～(6)种为四种备选测量方式。

所述的碳通量监测方法每个测量节点一次完整的测量过程包括如下步骤：

S1.完全关闭测量室；

S2.CO₂传感器预热；

S3.测量CO₂浓度；

S4.显示或发送CO₂浓度数据并把该数据与测量时间、地点数据，以及测量CO₂浓度时获取的温度、湿度数据同时显示或发送；

S5.打开测量室，使测量室内部获得与外部相同的温度、湿度、水文、大气环境。

如前所述，本发明的大范围土壤碳通量监测系统包含硬件系统和软件系统；其中硬件系统包括电路器件、机械器件两部分。

电路器件包括无线传感器网络接入模块、CO₂传感器测量模块、显示模块、温湿度传感器测量模块、主控制电路模块，具体如下：

1、无线传感器网络接入模块。所述电路器件包括至少一个无线传感器网络接入模块(如TelosB模块)、CO₂传感器测量模块、主控制电路模块；还可包括显示模块、温湿度传感器测量模块。

所述无线传感器网络接入模块包括微控制单元、无线收发器，以及USB转换器、低能耗电量管理器组成。所述无线传感器网络接入模块与CO₂传感器测量模块、显示模块、温湿度传感器测量模块、主控制电路模块组成的一台测试仪相当于无线网络中的一个节点，它具有感知CO₂浓度、温湿度，处理信息，通信的能力。所述节点具有质量轻、体积小、成本低的特点；因为它是在野外环境下工作，低能耗也是最重要的特点之一。所述节点通过无线传感器网络接入互联网，将数据发送至用户的计算机、笔记本电脑、平板电脑、智能上网设备或者手机上。这样，用户可不必身临节点所处的环境，就能获得该环境中的一些有用信息。

2、CO₂传感器测量模块。所述电路器件包括至少一个CO₂传感器测量模块。所述CO₂传感器测量模块包括至少一个红外二氧化碳传感器，其预留易插拔插针，方便用户与其他设备连接使用；并且，所述CO₂传感器测量模块的输出接口多样，易于数据传输读取，适合多种场合安装和拆卸。

3、显示模块。所述电路器件可包括一个显示模块。所述显示模块包括至少一个液晶、LED或OLED显示模块。其显示模式包括光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等。

4、温湿度传感器测量模块。所述电路器件可包括一个温湿度传感器测量模块。所述温湿度传感器测量模块将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上，输出完全标定的数字信号；所述温湿度传感器测量模块还包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。

每个传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定，校准系数以程序形式储存在OTP内存中，用于内部的信号校准。

两线制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集成变得快速而简单。其默认分辨率为14bit(温度)和12bit(湿度)，但是在一些要求测量速度极高或者功耗极低的应用下，分辨率可降低为12it(温度)和8it(湿度)。这能保证实现设计的低功耗目标：在休眠状态下，功率消耗仅2uW、电流为0.3uA(最大为1.5uA)；测量状态下功率消耗为3mW，电流为0.55mA(最大为1mA)；所述温湿度传感器测量模块相对湿度测量精度典型值为±2％RH，温度测量精度典型值为±0.3℃。

5、主控制电路。所述电路器件包括至少一个主控制电路。所述主控制电路包括稳压电路、CO₂传感器驱动电路、电机驱动电路、数据传输电路(调压)、电源监测电路、电源指示电路等，具体包括：

I)所述稳压电路为微功耗的稳压器的电压输入范围为4.5V～24V；提供33V或5V的固定电压输出和可调电压输出(1.25V～VIN)。

II)所述CO₂传感器驱动电路利用三极管的开关功能，在需要进行CO₂测量时，产生控制信号，输出12V工作电压，用两个三极管并联产生足够大的驱动电流驱动CO₂传感器工作。

III)所述电机控制电路用于控制CO₂测量室的打开与关闭；所述电机的工作由H桥电路控制，实施测量前，提供高电平控制电机正转，关闭测量室；测量完毕后，提供高电平控制电机反转，打开测量室；即可完成一次CO₂浓度的测量。

所述电机转动时，电流的大小与电机所受阻力有关，当所述电机驱动滑动盖(具体见下文的机械器件模块)向下移动时，流过电机的电流会发生变化，当滑动盖碰到密封圈(具体见下文的机械器件模块)时，电机运动遇到阻力，电流加大；继续提供高电平，电机继续工作，电流将继续增加，而CO₂测量室的密封性将越来越好；本发明设定电流增到一定的大小时，测量室的密封性达到CO₂浓度测试需求；此时，电机停止工作，开始密闭环境下对土壤CO₂浓度的测量，系统预设一定时间的封闭采样测量时间，本发明优选为2-4分钟，再优选为3分钟。

封闭测量完成后，需打开测量室时，所述电机需反转；电机反转过程中并没有遇到阻碍，所以其电流保持在一定范围内，没有太大波动。至于何时停止电机的反转？本发明设定一定时间的电机反转时间，该时间届满时，所述电机停止反转，所述反转时间优选为3-20秒，再优选为5-10秒；在所述反转停止前，滑动盖移开，恢复测量室的通风环境。

IV)所述数据传输电路用于把CO₂传感器采集到的数据传送给无线传感器网络接入模块，由后者进行处理和传输。

V)所述电源电压监测电路用于监测电源电压。

他)所述电源指示电路用于指示电源。

所述主控制电路还包括或连接到太阳能充电电路、测量室未密封报警电路、位移传感器控制电路等。

VII)所述太阳能充电电路用于启动太阳能充电模块。

VII)所述测量室未密封报警电路用于本发明硬件器件的设备报警。测量启动前，所述设备要进行测量室的密封动作；如果密封不到位，所述报警电路启动报警操作，包括启动蜂鸣器，或者发送远程故障信号。

IX)所述位移传感器控制电路用于利用位移传感器控制滑动盖的移动距离。本发明采用直线位移传感器实现该功能。

本发明的机械器件包括太阳能充电板、顶盖、固定中盖、测量室基座等。

其中，测量室包括测量室基座、固定中盖和滑动盖围成的空间，滑动盖开启后，出现通风口；测量室基座内径为5-40cm，优选为10-30cm，再优选为20cm。

测量室内部可见弹簧、垫圈、滑动盖、电路板支架等。所述弹簧主要功能是：测量前，关闭测量室，当滑动盖向下移动直到紧触垫圈，停止移动，测量室关闭，而在整个测试过程中，弹簧处于压缩状态，弹簧给垫圈向上的作用力，能保证测量室更好的密封性。所述垫圈同样是为了提高测量室的密封性，从而提高测量精度。

顶盖拆除后，可见电池支架、电机与位移传感器支架、CO₂传感器固定装置；下部设置有滑动盖、丝杆、固定槽。滑动盖的上下移动通过所述丝杆实现；丝杆是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的一种传动结构，这种运动具有很小的摩擦力。

在整个机械器件中，由于滑动盖与固定中盖用固定槽相对固定了，两者无法进行相对的圆周运动，因此可通过丝杆将回转运动转变直线运动：电路驱动电机转动，电机带动丝杆，丝杆使得滑动盖上下移动，完成测量室的打开与关闭。

本碳通量监测软件系统包括轻量级线程技术模块、主动消息通信技术模块、事件驱动模式技术模块、组件化编程技术模块。轻量级线程技术模块和主动消息通信技术模块能提高无线传感器网络的性能，发挥硬件的特点，大大降低其功耗，并且简化了应用程序的开发难度。根据系统硬件的组成，将系统的应用子程序设置为包括无线通讯子程序、显示子程序、温湿度传感子程序、电机驱动子程序、位移检测子程序、电源电压检测子程序、CO₂传感子程序。

本发明实现碳通量测量的方式主要有6种：

1、单次测量：即在仪器现场，按动启动按键，从显示屏人工读取测量结果，实现单次测量一次；

2、定时测量：即通过服务器远程设定定时时间，定时测量碳通量值；

3、随机指定区域测量：即通过服务器远程发送随机测量命令，无线传感器网络中的节点把所述命令发送给指定区域内的一个或者多个测量节点，采集指定区域内的碳通量：

4、随机全网测量：即通过服务器远程发送随机测量命令，无线传感器网络中的节点把所述命令发送给网络中有效的全部测量节点，采集整个网络覆盖区域内的碳通量；

5、人机界面数据库指令指定区域测量：即通过一个人机界面设定数据库参数，数据库根据设定的参数生成测量命令，所述无线传感器网络发来的环境信息满足所述参数时，所述测量命令向所述服务器发出并执行，服务器远程发送所述测量命令，无线传感器网络中的节点把所述命令发送给指定区域内的一个或者多个测量节点，采集指定区域内的碳通量，所述参数包括温度、湿度、高度、位置、风速、时间、降雨量、植被密度、植被类型等；

6、人机界面数据库指令全网测量：即通过一个人机界面设定数据库参数，数据库根据设定的参数生成测量命令，所述无线传感器网络发来的环境信息满足所述参数时，所述测量命令向所述服务器发出并执行，服务器远程发送所述测量命令，无线传感器网络中的节点把所述命令发送给网络中有效的全部测量节点，采集整个网络覆盖区域内的碳通量，所述参数包括温度、湿度、高度、位置、风速、时间、降雨量、植被密度、植被类型等。

所述第一种碳通量测量方式在现有技术中已经出现，但是公开发表的文献与公开销售、展示的产品中，没有出现或包含第2-6种测量方式；能够实现第2-6种测量方式的方法、仪器或者设备也没有公开发表，或者公开销售、展示。

每个测量节点一次完整的测量过程如下：

1.CO₂传感器预热100秒；研究发现，对该传感器先预热，可以提高测量值的精确度。研究测定CO₂的预热时间为至少20秒，优选为不低于100秒。

2.电机正转，位移传感器每0.1秒采样一次，判断测量室是否关闭；

3.CO₂浓度、温湿度、电源电压采样3分钟，同时LCD输出显示值，CC2420发送数据；

4.电机反转，位移传感器每0.1秒采样一次，判断测量室是否完全开启。

从应用子系统看，本发明的应用程序可包含集成控制子系统、通讯子系统、电力管理子系统、机械控制子系统、信息采集子系统、设备监测与维护子系统、数据处理子系统、指令响应子系统。所述通讯子系统用于控制所述无线传感器网络接入模块；所述信息采集子系统用于控制所述CO₂传感器测量模块；所述设备监测与维护子系统用于控制所述显示模块；所述信息采集子系统还可控制所述温湿度传感器测量模块；所述集成控制子系统用于控制所述主控制电路模块；所述电力管理子系统用于控制所述各电源模块；所述机械控制子系统用于控制所述机械器件的运行；所述数据处理子系统用于控制所述数据传输电路；所述指令响应子系统能接收互联网、无线传感器网络，或者其他有线或无线通信网络发来的指令，通过所述集成控制子系统要求相关电路器件、机械器件或者软件子系统做出操作或信号响应。

本发明的有益效果是，它可以帮助用户在野外恶劣、长期无人看守环境下进行土壤碳通量监测设备节点的大量、快速部署，并在全自动的远程环境下采集、无线发送海量数据，还能全自动地响应远程指令，随时启动或停止测量进程。其测量精度高，测量范围广，测量速快，自动化水平高，具有广阔的科研、商业应用前景。本发明的土壤碳通量监测系统由多个土壤碳通量测量器或节点组成，且都工作在野外环境，因此系统设计对能耗具有很高的要求。本发明在机械、电路器件的选用和电路设计、机械驱动中，最大化地解决了能耗问题，比国外需要人工抄取数据，不能无线联网的同类设备可持续工作3倍以上的时间；在应用太阳能充电的情况下，本发明的能耗优势更加明显。

本发明还具有以下有益效果：

本发明通过森林环境效益监测系统对城市森林环境中的温度、湿度和分贝的信息进行测量；采用无线射频收发模块与温度监测传感器模块、湿度监测传感器模块和分贝监测传感器模块通过微处理器连接，将收集到的信息发送给监测服务器；监测服务器将各个森林环境效益监测装置的数据组织在一起对整个被监控区域的温度、湿度和分贝的情况进行监测。由于本发明通过无线传感器网络的多跳机制，对复杂环境和复杂场所的温度、湿度和分贝进行统一监控，并在监测服务器上利用分析算法提高温度、湿度和分贝测量的准确性，克服了城市森林中的温度、湿度和分贝实时、精确监测难度大的问题，适用于各类复杂环境。

附图说明

图1是TelosB模块与主电路的端口设置图。

图2是稳压电路原理图。

图3是CO₂传感器驱动电路原理图。

图4是电机控制电路原理图。

图5是数据传输电路原理图。

图6是电源电压监测电路原理图。

图7是电路指示电路原理图。

图8是太阳能充电电路图。

图9是测量室未密封报警电路图。

图10是位移传感器电路图。

图11是机械器件外观图。(其中，101是太阳能充电板；102是显示屏；103是顶盖；104是固定中盖；105是通风口；106是测量室基座)。

图12是机械器件内视图。(其中，201是电路板支架；202是滑动盖；203是垫圈；204是弹簧)。

图13是机械器件解剖图。(其中，301是电池支架；302是电机、位移传感器支架；303是CO₂传感器固定位置；203是垫圈)。

图14是机械器件制动机构图。(其中，401是滑动盖；402是丝杆；403是固定槽；104是固定中盖)。

图15是单次测量流程图。

图16是定时测量流程图。

图17是主程序流程图。

图18为系统结构框图；

图19为温度、湿度和分贝检测装置结构框图；

图20为温度传感器模块结构框图；

图21为湿度传感器模块结构框图；

图22为分贝传感器模块结构框图；

图23为电源模块结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

实施例1

本实施例的大范围土壤碳通量监测系统包含硬件和软件编程；其中硬件设计包括电路设计和机械设计两大块：

一、电路设计

电路设计包含TelosB模块、CO₂传感器测量模块、显示模块、温湿度传感器测量模块、主控制电路模块。现对各模块进行介绍：

1、TelosB模块

TelosB是CrossBow(柯思博)公司Telos系列节点的Rev.B。在无线传感器网络中，每一个实体元素叫做传感器节点。TelosB就是其中一种节点。范围土壤碳通量监测系统最终需要接入无线传感器网络。每一个由CO₂传感器测量模块、温湿度测量模块以及TelosB等模块组成的一台测试仪相当于无线网络中的一个节点，它具有感知CO₂浓度、温湿度，处理信息，通信的能力。节点具有质量轻、体积小、成本低的特点，因其是工作在野外环境下，低能耗也是最重要的特点之一。节点可以将数据发送至用户的本地计算机上。这样，用户可不必身临节点所处的环境，就能获得该环境中一些有用信息。TelosB主要具有以下技术参数：

通信电波：2.4GHz无线电，250Kbps高速数据传输；

MAC协议：IEEE802.15.4；

与其他IEEE802.15.4设备的互通性；

MCU：8MHz的MSP430(10KRAM，48K闪存)；

具有ADC、DAC模块、电源电压监测和DMA控制器；

内置天线(集成在电路板内)；

集成湿度、温度、光感应器；

极低的电流消耗；

极短的唤醒时间(＜6us)；

硬件链路层可加密认证；

通过USB接口编程和收集数据；

外围扩展16脚，可用SMA接口进行天线连接；

操作系统：TinyOS；

TelosB主要由微控制单元，无线收发器，以及USB转换器组成；选用关键器件为MSP430F1611、CC2420和FT232BM；

I)MSP430F1611

TelosB模块的低功耗特性与其微处理器(MSP430F1611)有很大的关系。MSP430F1611具有10KB的RAM，48KB的闪存和128B的信息存储；它是一个16位的单片机，采用了精简指令集(RISC)结构，使得它具有极低的工作和休眠电流，这也保证了TelosB能工作很长时间。MSP430有一个内部DCO数字振荡器时钟系统，频率可达8MHz，6us内就能从休眠状态唤醒(室温下一股仅需292ns。当DCO关闭时，MSP430还可以使用一个32468Hz的晶体振荡器。DCO的频率会随着电压和温度变化，但是它可以通过32KHz的振荡器校正。MSP还具有8个外部ADC和8个内部ADC端口，内部的ADC端口可以进行电源电压监测；除此之外，它还具有很多的片内外设：SPI、UART、数字I/O端口、看门狗等等；MSP430F1611还具有一个2端口的12位DAC模块、电源电压监测和3端口的DMA控制器。以下表格是它的典型操作参数：

参数类型	MIN	NOM	MAX	UNIT
					程序执行电压	1.8		3.6	V
闪存编辑电压	2.7		3.6	V
					工作环境温度	-40		85	℃
最低晶振频率		32.768		kHz
					Vcc＝3V，1MHz时有效电流		500	600	uA
休眠电流(低功率模式)		2.6	3.0	uA
					唤醒时间			6	us

II)CC2420

CC2420是ChipconAs公司推出的首款符合2.4GHzIEEE802.15.4标准的射频收发器。该器件包括众多额外功能，是第一款适用于ZigBee产品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF03技术，以0.18umCMOS工艺制成只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。这也保证了TelosB低功耗的要求。CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250kbps可以实现多点对多点的快速组网。其主要性能参数如下：

工作频带范围：2.400～2.4835GHz；

采用IEEE802.15.4规范要求的直接序列扩频方式；

数据速率达250kbps，码片速率达2MChip/s；

采用O-QPSK调制方式；

超低电流消耗(RX：19.7mA，TX：17.4mA)高接收灵敏度(-99dBm)；抗邻频道干扰能力强(39dB)；

内部集成有VCO、LNA、PA以及电源整流器，低电压供电(2.1～3.6V)；

输出功率编程可控；

IEEE802.15.4MAC层硬件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测、16bitCRC校验、电源检测、完全自动MAC层安全保护(CTR，CBC-MAC，CCM)；

与控制微处理器的接口配置容易(4总线SPI接口)；

开发工具齐全提供有开发套件和演示套件；

采用QLP-48封装，外形尺寸只有7×7mm。

III)FT232BM

USB是现代化接口并可以通过USB总线直接给设备供电，它的接口轻巧并能使大量数据在其中传输；因此本实施例通过FT232BM把USB接口应用到TelosB上。TelosB利用一个USB控制器实现主机和FTDI的通信。主机上必须安装FTDI驱动，安装后，TelosB就像是一个WINDOWS设备管理器下的一个COM端口，TelosB的许多微控制块就能同时通过USB端口连接到一台电脑。FT232BM的主要特点如下：

支持USB端口到串行端口通信；

支持RS232标准串行端口及RS422/RS485介面；

虚拟串口驱动程序VCP支持：

-Windows98andWindows98SE

-Windows2000/ME/XP

-MACOS-8andOS-9

-MACOS-X

-Linux2.40

USB驱动程序D2XX支持

-Windows98andWindowS98SE

-Windows2000/ME/XP

完全兼容USBV1.1及USBV2.0规范；

提供384Byte的接收缓存和128Byte的发送缓存；

USB全速连接12Mb/s；

USB总线直接取电，无需外接电源；

支持自动握手协议；

高达1Mbps(RS232)或者3Mbps(RS422/RS485)的传输速率；

符合TIA/EIA的RS422/RS485标准；

支持远程唤醒和电源管理；

可支持点到多点(RS485)。

2、CO₂传感器测量模块

此模块采用B-530红外二氧化碳传感器，它是目前最小、最轻的NDIR技术CO₂传感器模块，预留有易插拔插针，非常方便用户与其他设备连接使用；并且，H-550输出接口多样(I²C、模拟量)，易于传输读取，适合多种场合安装和拆卸。其主要参数如下：

工作环境：0～50℃；

工作湿度范围：0～95％RH；

检测方法：NDIR；

测量范围：0～10，000ppm；

检测精度：±30ppm±5％读数；

采样时间：3秒；

响应时间(90％)：≤30秒；

尺寸：50Wx25.5Hx66D(mm)；

使用寿命：10年以上；

电源输入：DC9V～18V±10％；

消耗电流：平均值为25mA，峰值为130mA；

信号输出：模拟量DC0.5-4.5线性输出；

信号输出：数字量ASC码串行数据，TTL电平38400，N，8，1；

3、显示模块

液晶显示模块采用Qcl2864B汉字图形点阵液晶；它可显示汉字及图形，内置8129个中文汉字(16X16点阵)、128个字符(8X16点阵)及64X256点阵显示RAM(GDRAM)。其主要技术参数和显示特征如下：

电源：VDD3.3V～+5V(内置升压电路，无需负压)；

显示内容：128列×64行；

显示颜色：黄绿屏，蓝屏；

显示角度：6:00钟直视；

LCD类型：CSTN(功耗小)，设计中需外加光源照明；

与MCU接口：8位并口或串行；

配置LED背光；

多种软件功能：光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等。

4、温湿度传感器测量模块

设计中采用数字温湿度传感器SHT1x家族(包括SHT10、SHT11和SHT15)的SHT15，属于贴片封装系列，适用于回流焊接。传感器将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上，输出完全标定的数字信号。传感器采用CMOSens技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。每个传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定，校准系数以程序形式储存在OTP内存中，用于内部的信号校准。两线制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集成变得快速而简单。它的默认分辨率为14bit(温度)和12bit(湿度)，但是在一些要求测量速度极高或者功耗极低的应用下，分辨率可降低为12it(温度)和8it(湿度)。这保证设计中低功耗的要求。其损耗也是非常低的：一股在休眠状态下，功率消耗仅2uw、电流为0.3uA(最大为1.5uA)；测量状态下功率消耗为3mW，电流为0.55mA(最大为1mA)；SHT15相对湿度测量精度典型值为±2％RH，温度测量精度典型值为±0.3℃。

5、主控制电路

主控制电路由稳压电路，CO₂传感器驱动电路、电机驱动电路、数据传输电路(调压)、电源监测电路、电源指示电路等组成；图1是TelosB模块与主电路的端口设置图。

I)稳压电路

本实施例采用maxl836(AANY)芯片进行稳压，它是一种微功耗的稳压器，具体参数如下：

电压输入范围为4.5V～24V；

可提供3.3V或5V的固定电压输出和可调电压输出(1.25V～V_IN)；

输出电流最大可达125mA；

内部P沟道MOSFET；

效率高达90％；

静态电流12uA；

关机电流3uA；

最大100％占空比提供低压降；

限流和过温保护；

6脚SOT23封装。

II)CO₂传感器驱动电路

III)电机控制电路

CO₂测量室的打开与关闭由电机控制，电机的工作又由H桥电路控制，进入测量前，由TelosB2的ADC6端口提供高电平控制电机正转，关闭测量室；测量完毕后，由ADC7端口提供高电平控制电机反转，打开测量室；即可完成一次CO₂浓度的测量。

图4是电机控制电路原理图。测量室应关闭(或打开)到什么程度，通过R22来进行辅助控制，具体过程：R22为一精密电阻(15Q)，用TelosB的AD端口可以检测R22两端电压，借此，可得知电机的电流大小；我们知道电机转动时，电流的大小与电机所受阻力有关，当电机驱动滑动盖(具体见机械设计模块)向下移动时，流过电机的电流会发生变化，当滑动盖碰到密封圈(详见机械设计模块)时，电机运动遇到阻力，电流加大；P6.6继续提供高电平，电机继续工作，电流将继续增加，而CO₂测量室的密封性将越来越好；我们设定电流增到一定的大小Im时测量室的密封性达到CO₂浓度测试需求此时TelosB的AD端监测到R22的电压为R*Im，同时立即将P6.6端口置为低电平。电机停止工作，进行密闭环境下土壤CO₂浓度的测量，为时3分钟。

测量完成后(3分钟后)，需打开测量室，电机需反转，只需将P6.7置为高电平；而电机反转过程中并没有遇到阻碍，所以其电流保持在一定范围内，没有太大波动。至于何时停止电机的反转，即何时将P6.7置为低电平，只须设定某一时间T(电机反转时间)，在T时刻内，滑动盖能上移，恢复测量室的通风环境。

IV)数据传输电路

图5是数据传输电路原理图。

CO₂传感器采集到的数据TXD经过以上电路后传送给TelosB的RXMCU端口，后由TelosB进行处理和传输。

V)电源电压监测电路

图6是电源电压监测电路原理图。

TelosB的端口ADC3把监测到的电源电压值传送至TelosB然后经TelosB处理传输至服务器。

他)电源指示电路

图7是电路指示电路原理图。

VII)太阳能充电电路

图8是太阳能充电电路原理图。

VIII)测量室未密封报警电路

图9是测量室未密封报警电路原理图。

测量前，要进行测量室的密封动作；如果密封不到位，TelosB的P2.6就会输出高电平，Q12导通，蜂鸣器报警。

IX)利用位移传感器控制滑动盖移动距离

这只是本实施例中的一种实现手段。在III)电机控制电路中，发明人已介绍过通过测量精密电阻R22的电压实现控制滑动盖移动的距离；同样，通过位移传感器也能实现该功能，我们采用通用型直线位移传感器：图10为其连接电路。

图10：位移传感器电路原理图。

通用型直线位移传感器的技术参数如下：

耐磨寿命：＞100X106次；

线性精度误差：＜0.05％；

重复性误差：＜0.005mm；

最大移动速度：10m/s；

最大容许电压：DC60V/5KΩ～20KΩ；

DC36V/2KΩ～4KΩ：

DC24V/1KΩ。

二、机械设计

本实施例的测量器形状如图11，主要组成如图12-14所示，包括太阳能充电板，顶盖，固定中盖，测量室基座等。图11是机械器件外观图。其中，测量室是由测量室基座、固定中盖和滑动盖(上图中未显示出)围成的空间；测量室基座内径为20cm。

图12是所述测量器，即机械器件的内视图。

弹簧主要功能是：测量前，关闭测量室，当滑动盖向下移动直到紧触垫圈，停止移动，测量室关闭，而在整个测试过程中，弹簧处于压缩状态，弹簧给垫圈向上的作用力，能保证测量室更好的密封性。

垫圈同样是为了密封性良好。

图13是机械器件解剖图；图14是制动机构图。

滑动盖的上下移动通过丝杆实现；丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的一种传动结构，这种运动具有很小的摩擦力。在整个机构中，由于滑动盖与固定中盖用固定槽相对固定了，两者无法进行相对的圆周运动，因此可以通过丝杆将回转运动转变直线运动：电路驱动电机转动，电机带动丝杆，丝杆使得滑动盖上下移动，完成测量室的打开与关闭。

三、软件设计

本实施例的软件优选加州大学伯克利分校开发的TinyOS操作系统平台，以NesC语言语法规则书写。本实施例启用的TinyOS操作系统包括轻量级线程技术模块、主动消息通信技术模块、事件驱动模式技术模块、组件化编程技术模块。轻量级线程技术模块和主动消息通信技术模块能提高无线传感器网络的性能，发挥硬件的特点，大大降低其功耗，并且简化了应用的开发。根据系统硬件的组成，将系统的应用子程序设置为无线通讯子程序、显示子程序、温湿度传感子程序、电机驱动子程序、位移检测子程序、电源电压检测子程序、CO2传感子程序。

本实施例的软件所实现碳通量测量的主要方式有6种：1、单次测量：即在仪器现场，按动启动按键，从显示屏人工读取测量结果，实现单次测量一次；2、定时测量：即通过服务器远程设定定时时间，定时测量碳通量值；3、随机指定区域测量：即通过服务器远程发送随机测量命令，无线传感器网络中的节点把所述命令发送给指定区域内的一个或者多个测量节点，采集指定区域内的碳通量；4、随机全网测量：即通过服务器远程发送随机测量命令，无线传感器网络中的节点把所述命令发送给网络中有效的全部测量节点，采集整个网络覆盖区域内的碳通量；5、人机界面数据库指令指定区域测量：即通过一个人机界面设定数据库参数，数据库根据设定的参数生成测量命令，所述无线传感器网络发来的环境信息满足所述参数时，所述测量命令向所述服务器发出并执行，服务器远程发送所述测量命令，无线传感器网络中的节点把所述命令发送给指定区域内的一个或者多个测量节点，采集指定区域内的碳通量，所述参数包括温度、湿度、高度、位置、风速、时间、降雨量、植被密度、植被类型等.6、人机界面数据库指令全网测量：即通过一个人机界面设定数据库参数，数据库根据设定的参数生成测量命令，所述无线传感器网络发来的环境信息满足所述参数时，所述测量命令向所述服务器发出并执行，服务器远程发送所述测量命令，无线传感器网络中的节点把所述命令发送给网络中有效的全部测量节点，采集整个网络覆盖区域内的碳通量，所述参数包括温度、湿度、高度、位置、风速、时间、降雨量、植被密度、植被类型等。

每个测量节点一次完整的测量过程如下：

1.CO₂传感器预热100秒；研究发现，对该传感器先预热，可以提高测量值的精确度。研究测定的预热时间为至少20秒，本实施例设定为100秒。

流程图主要如下：图15是单次测量流程图。图16是定时测量流程图。图17是主程序流程图。

实施例2

本实施例的大范围土壤碳通量监测系统包含硬件系统和软件系统；其中硬件系统包括电路器件、机械器件两部分。

本实施例的大范围土壤碳通量监测硬件系统的电路器件包括无线传感器网络接入模块、CO₂传感器测量模块、显示模块、温湿度传感器测量模块、主控制电路模块，具体如下：

1、无线传感器网络接入模块。所述电路器件包括一个无线传感器网络接入模块、CO₂传感器测量模块、显示模块、温湿度传感器测量模块、主控制电路模块。

所述无线传感器网络接入模块包括微控制单元、无线收发器，以及USB转换器、低能耗电量管理器。所述无线传感器网络接入模块与CO₂传感器测量模块、显示模块、温湿度传感器测量模块、主控制电路模块组成的一台测试仪相当于无线网络中的一个节点，它具有感知CO₂浓度、温湿度，处理信息，通信的能力。所述节点具有质量轻、体积小、成本低的特点；因为它是在野外环境下工作，低能耗也是最重要的特点之一。所述节点通过无线传感器网络接入互联网，将数据发送至用户的计算机、笔记本电脑、平板电脑、智能上网设备或者手机上。这样，用户可不必身临节点所处的环境，就能获得该环境中的一些有用信息。

2、CO₂传感器测量模块。所述电路器件包括一个CO₂传感器测量模块。所述CO₂传感器测量模块包括至少一个红外二氧化碳传感器，其预留易插拔插针，方便用户与其他设备连接使用；并且，所述CO₂传感器测量模块的输出接口多样，易于数据传输读取，适合多种场合安装和拆卸。

3、显示模块。所述电路器件包括一个显示模块。所述显示模块包括至少一个液晶、LED或OLED显示模块。其显示模式包括光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等。

4、温湿度传感器测量模块。所述电路器件包括一个温湿度传感器测量模块。所述温湿度传感器测量模块将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上，输出完全标定的数字信号；所述温湿度传感器测量模块还包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。

每个传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定，校准系数以程序形式储存在0TP内存中，用于内部的信号校准。

两线制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集成变得快速而简单。其默认分辨率为14bit(温度)和12bit(湿度)，但是在一些要求测量速度极高或者功耗极低的应用下，分辨率可降低为12it(温度)和8it(湿度)。这能保证实现设计的低功耗目标：在休眠状态下，功率消耗仅2uW、电流为03uA(最大为1.5uA)；测量状态下功率消耗为3mW，电流为0.55mA(最大为1mA)；所述温湿度传感器测量模块相对湿度测量精度典型值为±2％RH，温度测量精度典型值为±0.3℃。

I)所述稳压电路为微功耗的稳压器的电压输入范围为4.5V～24V；提供3.3V或5V的固定电压输出和可调电压输出(1.25V～V_IN)。

图2为稳压电路原理图。

图3为CO₂传感器驱动电路原理图。

该电路设计主要利用三极管的开关功能。在需要进行CO₂测量时，由TelosB1的4脚P3.4产生一个控制信号，使得Q3、Q4、Q5导通，输出CO₂传感器的工作电压12V，使其工作。采用Q4、Q5(Y2)两个三极管并联产生足够大的驱动电流驱动二氧化碳传感器工作。

所述电机转动时，电流的大小与电机所受阻力有关，当所述电机驱动滑动盖(具体见下文的机械器件模块)向下移动时，流过电机的电流会发生变化，当滑动盖碰到密封圈(具体见下文的机械器件模块)时，电机运动遇到阻力，电流加大；继续提供高电平，电机继续工作，电流将继续增加，而CO₂测量室的密封性将越来越好；本实施例设定电流增到一定的大小时，测量室的密封性达到CO₂浓度测试需求；此时，电机停止工作，开始密闭环境下对土壤CO₂浓度的测量，系统预设3分钟的封闭采样测量时间。

封闭测量完成后，需打开测量室时，所述电机需反转；电机反转过程中并没有遇到阻碍，所以其电流保持在一定范围内，没有太大波动。至于何时停止电机的反转？本实施例设定20秒的电机反转时间，该时间届满时，所述电机停止反转；在所述反转停止前，滑动盖移开，恢复测量室的通风环境。

V)所述电源电压监测电路用于监测电源电压。

他)所述电源指示电路用于指示电源。

VII)所述太阳能充电电路用于启动太阳能充电模块。

VIII)所述测量室未密封报警电路用于本实施例硬件器件的设备报警。测量启动前，所述设备要进行测量室的密封动作；如果密封不到位，所述报警电路启动报警操作，包括启动蜂鸣器，或者发送远程故障信号。

IX)所述位移传感器控制电路用于利用位移传感器控制滑动盖的移动距离。本实施例采用直线位移传感器实现该功能。

本实施例的机械器件包括太阳能充电板101、顶盖103、固定中盖104、测量室基座106等。

其中，测量室包括测量室基座、固定中盖和滑动盖202围成的空间，滑动盖开启后，出现通风口105；测量室基座内径为20cm。

测量室内部可见弹簧204、垫圈203、滑动盖、电路板支架等。所述弹簧主要功能是：测量前，关闭测量室，当滑动盖向下移动直到紧触垫圈，停止移动，测量室关闭，而在整个测试过程中，弹簧处于压缩状态，弹簧给垫圈向上的作用力，能保证测量室更好的密封性。所述垫圈同样是为了提高测量室的密封性，从而提高测量精度。

顶盖拆除后，可见电池支架301、电机与位移传感器支架302、CO₂传感器固定装置303；下部设置有滑动盖401、丝杆402、固定槽403。滑动盖的上下移动通过所述丝杆实现；丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的一种传动结构，这种运动具有很小的摩擦力。

本实施例的大范围土壤碳通量监测软件系统包括集成控制子系统、通讯子系统、电力管理子系统、机械控制子系统、信息采集子系统、设备监测与维护子系统、数据处理子系统、指令响应子系统。所述通讯子系统用于控制所述无线传感器网络接入模块；所述信息采集子系统用于控制所述CO₂传感器测量模块；所述设备监测与维护子系统用于控制所述显示模块；所述信息采集子系统还可控制所述温湿度传感器测量模块；所述集成控制子系统用于控制所述主控制电路模块；所述电力管理子系统用于控制所述各电源模块；所述机械控制子系统用于控制所述机械器件的运行；所述数据处理子系统用于控制所述数据传输电路；所述指令响应子系统能接收互联网、无线传感器网络，或者其他有线或无线通信网络发来的指令，通过所述集成控制子系统要求相关电路器件、机械器件或者软件子系统作出操作或信号响应。本实施例的电机驱动电路控制CO₂测量室的整体打开与关闭；所述测量室的整体打开操作用于为所述测量室提供与测量室外完全相同的温度、湿度、水文、大气环境。所述CO₂测量室的整体打开方式为单侧平移式展开。所述单侧平移式展开包括测量室上方的部件整体性向一侧移开，使雨水可以垂直落入测量室内部的土壤；测量室上方的部件可以包含测量室的外壁。

本实施例的大范围土壤碳通量监测方法，包括如下步骤：

S1.在100平方公里范围内每隔30米部署1个无线传感器节点，并使之联网，启用无线传感器网络；

S2.把S1中的无线传感器网络接入互联网；

S3.把远程网络终端接入S2中的所述网络；所述终端包括手机、计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑、智能上网设备；

所述的一种大范围土壤碳通量监测方法，其特征在于，所述碳通量监测方法包括如下六种碳通量测量方式：

本实施例的大范围土壤碳通量监测应用程序中，包括如下4种备选的碳通量测量子程序：

(3)随机指定区域测量程序：即通过服务器远程发送随机测量命令，无线传感器网络中的节点把所述命令发送给指定区域内的一个或者多个测量节点，采集指定区域内的碳通量；

(4)随机全网测量程序：即通过服务器远程发送随机测量命令，无线传感器网络中的节点把所述命令发送给网络中有效的全部测量节点，采集整个网络覆盖区域内的碳通量：

(5)人机界面数据库指令指定区域测量程序：即通过一个人机界面设定数据库参数，数据库根据设定的参数生成测量命令，所述无线传感器网络发来的环境信息满足所述参数时，所述测量命令向所述服务器发出并执行，服务器远程发送所述测量命令，无线传感器网络中的节点把所述命令发送给指定区域内的一个或者多个测量节点，采集指定区域内的碳通量，所述参数包括温度、湿度、高度、位置、风速、时间、降雨量、植被密度、植被类型：

(6)人机界面数据库指令全网测量程序：即通过一个人机界面设定数据库参数，数据库根据设定的参数生成测量命令，所述无线传感器网络发来的环境信息满足所述参数时，所述测量命令向所述服务器发出并执行，服务器远程发送所述测量命令，无线传感器网络中的节点把所述命令发送给网络中有效的全部测量节点，采集整个网络覆盖区域内的碳通量，所述参数包括温度、湿度、高度、位置、风速、时间、降雨量、植被密度、植被类型。

本实施例的大范围土壤碳通量监测方法中，每个测量节点一次完整的测量过程包括如下步骤：

S1.本地接到测量命令后，或者接到无线传感器网络发来的远程测量命令后，自动关闭测量室，并使关闭密实、严整；

S2.CO₂传感器预热20秒；

S3.测量CO₂浓度，同时测量温度、湿度；

S5.自动打开测量室，使测量室内部获得与外部相同的温度、湿度、水文、大气环境。

所述传感器预热可以在测量室关闭操作开始的同时启动，或者在设备检测到测量室关闭密实、严整后启动。

实施例3

参见图18和图19，该种基于无线传感器网络的森林环境效益监测系统，包括一台监测服务器(2)和若干个温度、湿度和分贝监测装置(1)。该监测服务器(2)通过无线方式连接有多个处于大气环境中不同位置的温度、湿度和分贝监测装置(1)，该种温度、湿度和分贝监测装置(1)包括电源模块(3)、微处理器(7)以及与该微处理器连接的温度传感器模块(4)、湿度传感器模块(5)、分贝传感器模块(6)和无线射频收发模块(8)。其中电源模块(3)由太阳能供电并为整个温度、湿度和分贝监测装置(1)提供电能，所述多个温度、湿度和分贝监测装置(1)通过各自的无线射频收发模块(8)相互连接并通讯。以上的监测服务器(2)可以采用PC实现，该PC的信号收发接口连接有无线信号收发装置，用于与其他温度、湿度和分贝监测装置(1)进行无线通信。

如图20所示：上述的温度传感器模块(4)由温度信号采集模块(10)、温度信号处理转换模块(9)、信号收发控制模块(12)和整流抗干扰电路(11)组成。温度信号采集模块(10)的信号输出端与温度信号处理转换模块(9)的信号输入端连接，温度信号处理转换模块(9)的信号输出端连接有信号收发控制模块(12)的信号输入端，信号收发控制模块(12)的信号输出端连接到整流抗干扰电路(11)的输入端，整流抗干扰电路(11)的信号输出端为作为整个温度传感器模块(4)的信号输出端连接到微处理器(7)上。

如图21所示：上述的湿度传感器模块(5)由湿度信号采集模块(13)、湿度信号处理转换模块(14)、信号收发控制模块(15)和整流抗干扰电路(16)组成。湿度信号采集模块(13)的信号输出端与温度信号处理转换模块(14)的信号输入端连接，湿度信号处理转换模块(14)的信号输出端连接有信号收发控制模块(15)的信号输入端，信号收发控制模块(15)的信号输出端连接到整流抗干扰电路(16)的输入端，整流抗干扰电路(16)的信号输出端为作为整个湿度传感器模块(5)的信号输出端连接到微处理器(7)上。

如图22所示：上述的分贝传感器模块(6)由分贝信号采集模块(17)、分贝信号处理转换模块(18)、模数转换模块(19)、信号收发控制模块(20)和整流抗干扰电路(21)组成。分贝信号采集模块(17)的信号输出端与分贝信号处理转换模块(18)的信号输入端连接，分贝信号处理转换模块(18)的信号输出端连接有模数转换模块(19)的信号输入端，模数转换模块(19)的信号输出端连接到信号收发控制模块(20)的输入端，信号收发控制模块(20)的信号输出端连接到整流抗干扰电路(21)的输入端，整流抗干扰电路(21)的输出端为作为整个分贝传感器模块(6)的信号输出端连接到微处理器(7)上。

如图23所示：上述的电源模块(3)由太阳能充电模块(22)、稳压电路(23)、控制电路(24)和蓄电池(25)组成。太阳能充电模块(22)接受光照并充电，太阳能充电模块(22)的输出端连接到稳压电路(23)的输入端，稳压电路(23)的输出端连接到控制电路(24)的输入端，控制电路(24)的输出端连接到蓄电池(25)的输入端，蓄电池(25)的输出端连接到温度传感器模块(4)、湿度传感器模块(5)、分贝传感器模块(6)和无线射频收发模块(8)上。

综上所述，本发明是一种用于对森林环境进行温度、湿度和分贝监测的无线传感器网络系统。本发明包含多个自组织多跳无线传感器网络，这些网络节点通过无线方式与后台处理系统(即监测服务器(2))关联，组成森林环境效益监测系统。在温度、湿度和分贝监测装置(1)上电之后，其处于一个网络节点上，该温度、湿度和分贝监测装置(1)会尝试与其他已经接入网络的温度、湿度和分贝监测装置(1)进行通信，并根据网络定义的数据传输路由方式纳入网络，并建立自身路由表信息。路由表指明了该节点为了将数据发送至后台处理系统需要传输的下一跳节点编号。

运行于各节点上的温度、湿度和分贝监测装置(1)硬件上的后台服务程序会获取微处理器收到的数据信息，并对信息进行分析存储。温度传感器模块(4)、湿度传感器模块(5)和分贝传感器模块(6)通过与微处理器(7)连接，分别向微处理器(7)提供数据，微处理器(7)通过无线射频收发模块(8)将数据向其他节点进行发送，并利用多跳方式最终传送至后台处理系统。处于各节点上的温度、湿度和分贝监测装置(1)能够接受后台处理系统发送的控制指令，动态调整传感数据收集的各个频率。

温度、湿度和分贝监测装置(1)在接入网络之后，可以接纳其他节点加入网络。在自己传输数据的同时，也能够做为其他节点的中继传输数据。后台处理系统能够对收集到的数据进行分析、处理及存储。后台处理系统对所收到的数据进行整理，对由于节点故障或传输故障出现的异常数据进行过滤；根据温度、湿度和分贝监测装置(1)所处节点位置及其回传的数据生成相应的统计图表；对正常回传的数据进行存储，以利于后续使用。本发明的后台处理系统能够通过人工发送指令，分别动态设置温度、湿度和分贝数据采集的频率。

本发明的工作原理如下：

作为后台处理系统的监测服务器启动后，其数据收发模块处于监听模式，不断收集各网络节点上的温度、湿度和分贝监测装置回传的数据。同时，当后台处理系统发送更新数据采集频率时，以广播方式向网络内的其他节点发送这一指令。当有节点上的温度、湿度和分贝监测装置加电后，不断广播自身可用的消息，其他节点上的温度、湿度和分贝监测装置接受到这一消息后，将这一节点加入其邻居列表中。同时，根据缺省的路由协议更新其路由表。节点中温度、湿度和分贝监测装置中的温度传感器模块、湿度传感器模块和分贝传感器模块部分根据各自缺省设置的采样频率不断对应收集环境中的温度、湿度和分贝数据信息，通过微处理器的处理，将数据通过无线射频收发模块发送给路由表中的下一跳节点。

当某一节点接收到其他节点发送的数据信息后，根据自身路由表信息，将这一数据发送至路由表中指定的下一跳节点。

当数据传输至后台处理系统的无线收发模块后，后台处理系统的微处理器将数据通过USB接口传输至后台服务程序。后台服务程序进行数据分析、处理与存储。

Claims

1.一种基于无线传感器网络的森林环境效益监测系统，包括监测服务器、硬件系统和软件系统，并配载到一个土壤表面CO₂通量监测测量节点上；其特征是所述硬件系统包括电路器件和机械器件；所述电路器件包含TelosB模块、CO₂传感器测量模块、显示模块、主控制电路模块、光电开关感应模块；所述机械器件包括太阳能充电板、顶盖、支撑中盖、测量室和测量室基座，所述测量室包括至少带一个气门的气室；所述软件系统包括中央控制系统、气室控制系统、测量控制系统、数据处理系统、网络管理系统；所述中央控制系统控制所述气室控制系统、测量控制系统、数据处理系统、网络管理系统；所述气室控制系统侦测到气室完全关闭后，启动测量控制系统，通过数据处理系统在所述显示模块显示实时的CO₂浓度及测量时间；一次测量完成后，气室控制系统控制所述气室打开，所述显示模块的显示界面回到初始界面，等待下次测量的开始命令；所述数据处理系统把测量数据发送给网络管理系统，并接收来自网络管理系统的指令；

所述监测服务器通过无线方式连接到所述监测系统，还连接到处于大气环境中不同位置的温度、湿度和分贝监测装置，所述温度、湿度和分贝监测装置包括电源模块、微处理器以及与该微处理器连接的湿度监测传感器、温度监测传感器、分贝监测传感器、无线射频收发模块；所述电源模块通过太阳能充电并为整个温度、湿度和分贝监测装置提供电能；所述温度、湿度和分贝监测装置通过各自的无线射频收发模块相互连接并通讯；所述的湿度监测传感器可以监测大气湿度；所述的温度监测传感器可以监测环境温度；所述的分贝监测传感器可以监测环境中的分贝；或者，所述温度、湿度和分贝监测装置与所述监测系统共享通用模块，包括管理电源、通讯、数据集成、外壳防护的模块；

所述监测服务器是PC，该PC的信号收发接口连接有无线信号收发装置；

所述微处理器是msp430；

所述无线射频收发模块是基于射频芯片CC2420的ZigBee无线通信集成电路；

所述温度监测传感器由温度信号采集模块、温度信号处理转换模块、信号收发控制模块和整流抗干扰电路组成，所述温度信号采集模块的信号输出端与温度信号处理转换模块的信号输入端连接，温度信号处理转换模块的信号输出端连接有信号收发控制模块的信号输入端，信号收发控制模块的信号输出端连接到整流抗干扰电路的输入端，所述整流抗干扰电路的信号输出端为作为整个温度传感器模块的信号输出端连接到微处理器上；

所述湿度监测传感器由湿度信号采集模块、湿度信号处理转换模块、信号收发控制模块和整流抗干扰电路组成，所述湿度信号采集模块的信号输出端与湿度信号处理转换模块的信号输入端连接，湿度信号处理转换模块的信号输出端连接有信号收发控制模块的信号输入端，信号收发控制模块的信号输出端连接到整流抗干扰电路的输入端，所述整流抗干扰电路的信号输出端为作为整个湿度传感器模块的信号输出端连接到微处理器上；

所述分贝监测传感器由分贝信号采集模块、分贝信号处理转换模块、模数转换模块和信号收发控制模块组成，所述分贝信号采集模块的信号输出端与分贝信号处理转换模块的信号输入端连接，分贝信号处理转换模块的信号输出端连接有数模转换模块的信号输入端，模数转换模块的信号输出端连接到信号收发控制模块的输入端，信号收发控制模块的信号输出端连接到整流抗干扰电路的输入端，所述整流抗干扰电路的输出端为作为整个分贝传感器模块的信号输出端连接到微处理器上；