CN103217507A - 一种无线智能碳汇监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线智能碳汇监测系统，包括MCU最小系统模块、电源电路模块、JTAG调试端口模块、温湿度与二氧化碳等传感器模块、实时时钟模块、接口模块、显示模块、控制电路模块、模拟信号模块及数据存储模块共十个模块；本发明以传感网技术为基础的碳汇、碳排放监测系统，借助无线传感器网络实时、同步、大规模的获取数据的优点，实现对空气中的CO₂浓度及其他环境数据的多点、连续、同步监测，以大气过程反演理论为依据，构建多维度的碳浓度变化模型，结合生态系统碳收支机理评估模型实现对区域碳收支量的计测，此外，本发明操作简单，有着很好的应用价值。

Description

一种无线智能碳汇监测系统

技术领域

本发明属于环境检测领域，尤其涉及一种无线智能碳汇监测系统。

背景技术

科学有效的监测城市和森林的碳排放与碳汇将提升我国在应对全球气候变化的国际事务中的话语权，并为国家发展低碳经济提供科学依据。但受技术条件和成本限制，现有的观测手段难以获取准确的区域性的碳源和碳汇数据。现有技术方案有：

(1)基于生物量和土壤碳储量清单调查的区域碳收支评估方法

利用长期和高密度的植物生物量和土壤碳储量清查资料，是评价区域生态系统的碳库及碳通量的一种传统技术。这种方法获得的所有基础数据均为实测值，存在较大的可信度，目前很多生态系统碳收支采用此方法进行估计。生物量和土壤清查方法的优点是直接、明确和技术简单，但其观测周期长且时间序列不连续，利用这种研究方法评估区域碳收支时，还需充分代表各种生态系统类型的调查样点和高精度的土地利用和土地覆被空间时序图，要满足这方面的需求极其困难。同时，应用这种方法评估结果的可信程度极大地受到观测样点的空间分布密度、各种生态系统观测数据的代表性、以及生态系统类型分布空间信息的精确程度等方面的限制。

(2)基于通量观测的区域碳收支评估方法

涡度相关通量观测弥补了生物量清查法、地面同化箱和卫星遥感等测定方法在时间上的不连续、积累数据耗时长等方面的不足，可以在较短的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了方便。但是涡度相关技术是一种小尺度生态系统观测方法，其结果本身还只是代表观测塔周边的生态系统碳收支特征，不能将站点的观测结果直接外推到更大区域尺度。

(3)利用大气CO₂浓度观测数据反演的区域碳收支评估方法

大气反演方法是利用大气CO₂浓度观测数据，将大气层的CO₂梯度与大气传输模型相结合来评估陆地-大气间的净CO₂交换量，常被用来检验地面清查-卫星遥感结合法计算的结果。虽然在区域尺度上，大气反演估计的碳通量精度较粗，具有很大的不确定性，但由于它能够独立地提供陆地碳源/汇的估计结果，所以也是评价区域碳收支的重要技术途径。在区域上，由于大气CO₂浓度观测网络的站点极其缺乏，由此所带来的误差是不可忽略的，同时这种方法评估的结果也对大气传输模型误差和化石燃料释放CO₂估计偏差反应较为敏感。大气CO₂浓度反演方法忽略了许多重要的碳循环过程和重要的生态系统(如湿地和城市生态系统)，如果单一地使用大气反演方法对陆地碳收支开展评估，其风险还是极大的。

(4)基于温室气体观测卫星和航空观测的碳收支评估方法

近年来，温室气体观测卫星技术及大气温室气体浓度梯度和地表通量的航空观测技术得到了快速发展，为评价全球、区域、国别以及重大生态工程项目的碳收支提供了新的技术途径，得到了主要发达国家的高度重视。应用卫星和航空观测方法可以提供高精度的CO₂观测数据，帮助我们了解全球或区域的温室气体浓度分布状况，但这种方法需要与大气反演等方法结合才能对区域或全球的碳收支进行评估，而且观测结果的可靠性还需要地面观测数据的验证。应用遥感模型的推算结果受模型算法的精确性、卫星观测成像的频率等方面的影响，同时大多数遥感模型缺乏明确的生理生态机制，不能清楚地解释区域碳收支的变化机制，并且在光能传递及转换过程等方面还存在着很大的不确定性。

(5)基于生态系统过程模型的区域碳收支评估方法

生态过程机理模型是评估区域碳收支的重要工具，在精细的空间尺度参数化方案和空间化植被和环境数据支撑下，能够模拟生态系统碳循环的空间格局。国际上的生态过程模型发展非常迅速，但由于被评估区域的各个网格点内参数的获取，以及模型尺度转换等困难，导致了多数生态过程机理模型在评价区域碳收支时都存在着较大的不确定性。

(6)基于模型-数据融合技术的碳收支评估方法

模型-数据融合技术是充分利用可能获得的观测数据，通过数学方法调整模型的参数或状态变量，使模拟结果与观测数据之间达到一种最佳匹配关系，从而更准确地认识和预测系统状态的变化。使用模型-数据方法在改善模型参数、选择模型结构、优化传感器网络设计和试验设计及分析模拟结果的不确定性等方面具优势。

综上所述，受观测样点的空间分布密度低、难以获取地面观测数据或参数、无法长时间连续监测等条件的限制，现有监测方法或多或少存在一定程度的不确定性。目前还没有形成完整的技术体系从不同尺度(单株-样地-区域-国家)对森林资源进行全方面、多过程以及长期、同步的立体监测和碳汇估测，对森林碳汇、碳吸收量及地区分布、时间变化及其控制机理还缺乏明确的认识。因此，需要对各种生态系统动态进行深入的研究，进一步发展对碳循环过程详细刻画的机理模型，还需要更先进的数据获取技术和更精确的基础观测数据。

目前，应用无线传感器网络在监测环境因子上已有初步的研究，但是国内外在碳排放和碳汇监测上仍然是空白，存在很多具有理论深度和实际应用价值的问题。本项目将在规模化传感网基础理论与关键技术研究的基础上，构建碳排放与碳汇监测典型应用系统，能够填补该研究领域的空白，为准确获取碳排放和碳汇数据提供新的监测手段，进一步拓宽无线传感器网络的实际应用，为促进碳减排目标的实现提供有力的技术支撑。

发明内容

本发明的目的在于利用一种无线智能碳汇监测系统，旨在解决现有受观测样点的空间分布密度低、难以获取地面观测数据或参数、无法长时间连续监测条件的限制和存在一定程度的不确定性的问题。

本发明的目的在于提供一种无线智能碳汇监测系统，所述无线智能碳汇监测系统包括：

电源模块，用于为所述无线智能碳汇监测系统提供电源，包括5V电源和3.3V电源；

温湿度与二氧化碳等传感器模块，与MCU最小系统模块相连接，用于测量环境的温度、湿度以及CO₂浓度；

实时时钟模块，与MCU最小系统模块相连接，用于实时读取时间并在液晶上显示；

JTAG调试端口模块，与MCU最小系统模块相连接，用于下载调试端；

数据存储模块，与MCU最小系统模块相连接，主要用来存储采集数据；

接口模块，与MCU最小系统模块相连接，提供各种接口；

显示模块，与MCU最小系统模块相连接，用于液晶显示；

控制电路模块，与MCU最小系统模块相连接，用于根据设计要求控制其它子系统工作状态，降低控制系统功耗；

模拟信号模块，包括各个模拟信号的电路，与MCU最小系统模块相连接；

MCU最小系统模块，用于发出控制指令，实现系统的控制。

进一步，MCU最小系统模块的连接方式：芯片U2的1引脚、7引脚、62引脚分别接MCU_3.3V电源，3引脚接512WP，4引脚接512SCL，6引脚接DHT11，11引脚接AGND，12引脚接FY TXD，13引脚接FY CLK，13引脚接FY RXD，15引脚接B530CTRL，17引脚接LCD_RS，18引脚接LCD_RW，19引脚接LCD_E，20引脚接LCD_A0，21引脚接LCD_A1，22引脚接LCD_A2，23引脚接LCD_A3，24引脚接LCD_A4，25引脚接LCD_A5，26引脚接LCD_A6，27引脚接LCD_A7，28引脚接SW1，29引脚接SW2，30引脚接SW3，31引脚接SW4，32引脚接GPRS_TXD，33引脚接GPRS_RXD，35引脚接B530DAT，36引脚接GPRS_CTRL，37引脚接1302SCLK，38引脚接1302I/O，39引脚接1302CE，40引脚接IB1，41引脚接IA1，42引脚接IB2，43引脚接IA2。MCU_3.3V电源经过电阻R6后，一部分接MCU_RST，同时接入电容C7的一端；另一部分接开关S1的一端，开关S1的另一端与电容C7的另一端相连，然后同时接地。

进一步，电源模块包括5V电源模块和3.3V电源模块，5V电源模块采用LM2576作为稳压降压器，连接方式：芯片U1的1引脚一部分连接到高电平VCC_12V，同时电容C1与电容C2并联，其正极端连接到芯片U1的1引脚，其负极端连接到芯片U1的3引脚，同时并接地，芯片U1的5引脚连接到5V CTRL，芯片U1的2引脚一部分连接电感I1，同时一部分连接二极管D1的输出端，二极管D1的输入端连接到电容C3的负极端，电感I1的另一端连接到电容C3的正极端，同时，电容C3与电容C4并联，并联的一端连接SYS5V，另一端则直接接地。

3.3V电源模块采用AMS1117-3.3作为稳压降压器，提供3.3V稳压电源；连接方式：芯片U4的1引脚接地，2引脚与地之间接有并联的电容C9与电容C10，3引脚与地之间接有电容C8，同时3引脚接到SYS_5V电源，2引脚接到MCU_3.3V电源。进一步，液晶显示器模块采用LCD12864液晶显示，连接方式：显示器J10的1引脚接地，2引脚，3引脚接SYS_5V电源，4引脚接LCD_RS，5引脚接LCD_RW，6引脚接LCD_E，7引脚接LCD_A0，8引脚接LCD_A1，9引脚接LCD_A2，10引脚接LCD_A3，11引脚接LCD_A4，12引脚接LCD_A5，13引脚接LCD_A6，14引脚接LCD_A7，15引脚、16引脚、17引脚、28引脚依次相连接到SYS_5V，19引脚连接到LCD_5V，20引脚接地。

进一步，继电器控制模块利用5V继电器来控制CO2传感器的12V电源，连接方式：B530_CTRL通过电阻R17接到三极管Q3的基极，三极管Q3的发射极接地，三极管Q3的集电极一部分通过电阻R15接到三极管Q1的基极，另一部分通过电阻R13接到SYS_5V与线圈K1的4端口，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极连接到线圈K1的5端口，同时线圈K1的4、5端口间接有二极管D4，同理，GPRS_CTRL通过电阻R18接到三极管Q4的基极，三极管Q4的发射极接地，三极管Q4的集电极一部分通过电阻R16接到三极管Q2的基极，另一部分通过电阻R14接到SYS_5V与线圈K2的4端口，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的集电极连接到线圈K2的5端口，同时线圈K2的4、5端口间接有二极管D5。

进一步，温湿度与二氧化碳传感器模块采用DHT11温湿度传感器用来测量环境的温度和湿度，连接方式：芯片U7的4引脚直接接地，2引脚通过电阻R9接到GPRS_VCC，1引脚直接接到GPRS_VCC。

进一步，实时时钟模块采用DS1302时钟芯片实时读取时间并在液晶上显示，连接方式：芯片U6的1引脚通过直流电源BT1接地，2引脚与3引脚间接有晶振X3，5引脚接1302CE，6引脚接1302I/O，7引脚接1302SCLK，8引脚一部分接MCU_3.3V电源，另一部分经过电容C11接地。

进一步，接口模块包括电机接口、电源接口、GPRS模块接口、气泵接口、二氧化碳接口、大气压模块接口、风速转向接口，连接方式：电机接口J1的1引脚接OA1，2引脚接OB1；电源接口J2的1引脚接IN_12V，2引脚接地；GPRS模块接口J3的1引脚接地，2引脚接GPRS_TXD，3引脚接GPRS_RXD，4引脚接GPRS_VCC；气泵接口J4的1引脚接OA2，2引脚接OB2；二氧化碳接口J5的1引脚接530_VCC，2引脚接530_DAT，3引脚接地；大气压模块接口J6的6引脚接MCU_3.3V电源，7引脚接地；风速转向接口J7的1引脚通过二极管D3接地，2引脚通过二极管D2接地；电源接口P1的1引脚、2引脚接VCC_12V电源，3引脚、4引脚接IN_12V。

进一步，模拟信号模块的连接方式：MAIN_12V电源依次经过电阻R10、R11、R12接地，同时电阻R12并联有电容C16，MCU_3.3V电源经过电容C17接地，MCU_3.3V电源经过并联的电容C12与C13后接地，MCU_3.3V电源经过并联的电容C14与C15后接地。

进一步，JTAG调试端口模块的连接方式：芯片J9的1引脚接430_TDO，3引脚接430_TDI，5引脚接430_TMS，7引脚接430_TCK，2引脚接MCU_3.3V电源，9引脚接地，11引脚接MCU_RST。

进一步，数据存储模块的拓展部分可加AT24C512储存芯片来存储数据，连接方式：芯片U9的1引脚、2引脚、3引脚、4引脚依次相连然后接地，5引脚接512_SDA，6引脚接512_SCL，7引脚接512_WP，8引脚接MCU_3.3V电源。

本发明提供的无线智能碳汇监测系统，以碳汇与碳排放定量化实时监测为目标，提出了以传感网技术为基础的碳汇、碳排放监测系统，即无线智能碳汇监测仪，借助无线传感器网络实时、同步、大规模的获取数据的优点，实现对空气中的CO₂浓度及其他环境数据的多点、连续、同步监测，以大气过程反演理论为依据，构建多维度的碳浓度变化模型，结合生态系统碳收支机理评估模型实现对区域碳收支量的计测，以时空动态碳浓度变化模型为基础进一步研究城市碳收支的时空动态特征；结合森林生态演替和机理过程模型开拓新的以动态环境数据为驱动的森林碳汇测算理论，此外，本发明操作简单，可靠性和稳定性强，有着很好的应用价值。

附图说明

图1是本发明实施例提供的无线智能碳汇监测系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的无线智能碳汇监测系统的MCU最小系统模块的电路图；

图3是本发明实施例提供的无线智能碳汇监测系统的5V电源模块的电路图；

图4是本发明实施例提供的无线智能碳汇监测系统的3.3V电源模块的电路图；

图5是本发明实施例提供的无线智能碳汇监测系统的液晶显示器模块的电路图；

图6是本发明实施例提供的无线智能碳汇监测系统的继电器控制模块的电路图；

图7是本发明实施例提供的无线智能碳汇监测系统的温湿度与二氧化碳传感器模块的电路图；

图8是本发明实施例提供的无线智能碳汇监测系统的实时时钟电路模块的电路图；

图9是本发明实施例提供的无线智能碳汇监测系统的接口模块的电路图；

图10是本发明实施例提供的无线智能碳汇监测系统的模拟信号模块的电路图；

图11是本发明实施例提供的无线智能碳汇监测系统的JTAG调试端口模块的电路图；

图12是本发明实施例提供的无线智能碳汇监测系统的数据存储模块的电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种无线智能碳汇监测系统，该无线智能碳汇监测系统包括：

图1为无线智能碳汇监测仪的原理框图。该模块包括电源模块、温湿度与二氧化碳等传感器模块、实时时钟模块、JTAG调试端口模块、MCU最小系统模块、数据存储模块、接口模块、显示模块、控制电路模块、模拟信号模块十个模块。

电源模块，主要提供电源，包括5V电源和3.3V电源，连接到MCU最小系统模块；

温湿度与二氧化碳等传感器模块，用于测量环境的温度、湿度以及CO₂浓度等，连接到MCU最小系统模块；

实时时钟模块，主要实时读取时间并在液晶上显示，连接到MCU最小系统模块；

JTAG调试端口模块，主要用于下载调试端，连接到MCU最小系统模块；

数据存储模块，主要用来存储数据，连接到MCU最小系统模块；

接口模块，提供各种接口，连接到MCU最小系统模块；

显示模块，主要用于液晶显示，连接到MCU最小系统模块；

控制电路模块，主要是根据设计要求控制其它子系统工作状态(降低控制系统功耗的目的)，连接到MCU最小系统模块；

模拟信号模块，包括各个模拟信号的电路，连接到MCU最小系统模块。

MCU最小系统模块，作为该系统的主要控制模块。

图2为MCU最小系统模块的电路图。MCU最小系统模块是本产品的主控部分。

MCU最小系统模块的连接方式：芯片U2的1引脚、7引脚、64引脚分别接MCU_3.3V电源，3引脚接512WP，4引脚接512SCL，6引脚接DHT11，11引脚、62引脚接AGND，12引脚接FY TXD，13引脚接FY CLK，13引脚接FY RXD，15引脚接B530CTRL，17引脚接LCD_RS，18引脚接LCD_RW，19引脚接LCD_E，20引脚接LCD_A0，21引脚接LCD_A1，22引脚接LCD_A2，23引脚接LCD_A3，24引脚接LCD_A4，25引脚接LCD_A5，26引脚接LCD_A6，27引脚接LCD_A7，28引脚接SW1，29引脚接SW2，30引脚接SW3，31引脚接SW4，32引脚接GPRS_TXD，33引脚接GPRS_RXD，35引脚接B530DAT，36引脚接GPRS_CTRL，37引脚接1302SCLK，38引脚接1302I/O，39引脚接1302CE，40引脚接IB1，41引脚接IA1，42引脚接IB2，43引脚接IA2。MCU_3.3V电源经过电阻R6后，一部分接MCU_RST，同时接入电容C7的一端；另一部分接开关S1的一端，开关S1的另一端与电容C7的另一端相连，然后同时接地。

图3为5V电源模块电路图。该模块采用LM2576作为稳压降压器，提供5V稳压电源。

5V电源模块的连接方式：芯片U1的1引脚一部分连接到高电平VCC12V，同时电容C1与电容C2并联，其正极端连接到芯片U1的1引脚，其负极端连接到芯片U1的3引脚，同时并接地，芯片U1的5引脚连接到5V CTRL，芯片U1的2引脚一部分连接电感I1，同时一部分连接二极管D1的输出端，二极管D1的输入端连接到电容C3的负极端，电感I1的另一端连接到电容C3的正极端，同时，电容C3与电容C4并联，并联的一端连接SYS5V，另一端则直接接地。

图4为3.3V电源模块的电路图。该模块采用AMS1117-3.3作为稳压降压器，提供3.3V稳压电源。

3.3V电源模块的电路图的连接方式：芯片U4的1引脚接地，2引脚与地之间接有并联的电容C9与电容C10，3引脚与地之间接有电容C8，同时3引脚接到SYS_5V电源，2引脚接到MCU_3.3V电源；

图5为液晶显示器模块电路图。该模块采用LCD12864液晶显示。

液晶显示器模块的连接方式：显示器J10的1引脚接地，2引脚，3引脚接SYS_5V电源，4引脚接LCD_RS，5引脚接LCD_RW，6引脚接LCD_E，7引脚接LCD_A0，8引脚接LCD_A1，9引脚接LCD_A2，10引脚接LCD_A3，11引脚接LCD_A4，12引脚接LCD_A5，13引脚接LCD_A6，14引脚接LCD_A7，15引脚、16引脚、17引脚、28引脚依次相连接到SYS_5V，19引脚连接到LCD_5V，20引脚接地。

图6为继电器控制模块电路图。该电路利用5V继电器来控制CO2传感器的12V电源，GPRS无线模块的5V电源，可以控制CO2传感器和GPRS无线模块的电源开断。这样便可以做到低功耗，随时控制电源的开断。

继电器控制电路图的连接方式：B530_CTRL通过电阻R17接到三极管Q3的基极，三极管Q3的发射极接地，三极管Q3的集电极一部分通过电阻R15接到三极管Q1的基极，另一部分通过电阻R13接到SYS_5V与线圈K1的4端口，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极连接到线圈K1的5端口，同时线圈K1的4、5端口间接有二极管D4，同理，GPRS_CTRL通过电阻R18接到三极管Q4的基极，三极管Q4的发射极接地，三极管Q4的集电极一部分通过电阻R16接到三极管Q2的基极，另一部分通过电阻R14接到SYS_5V与线圈K2的4端口，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的集电极连接到线圈K2的5端口，同时线圈K2的4、5端口间接有二极管D5；

图7为温湿度与二氧化碳传感器模块的电路图。DHT11温湿度传感器用来测量环境的温度和湿度。

温湿度与二氧化碳传感器模块的连接方式：芯片U7的4引脚直接接地，2引脚通过电阻R9接到GPRS_VCC，1引脚直接接到GPRS_VCC。

图8为实时时钟模块电路图。DS1302时钟芯片实时读取时间并在液晶上显示。

实时时钟电路模块的连接方式：芯片U6的1引脚通过直流电源BT1接地，2引脚与3引脚间接有晶振X3，5引脚接1302CE，6引脚接1302I/O，7引脚接1302SCLK，8引脚一部分接MCU_3.3V电源，另一部分经过电容C11接地；

图9为接口模块电路图。包括电机接口、电源接口、GPRS模块接口、气泵接口、二氧化碳接口、大气压模块接口、风速转向接口。

接口模块电路图的连接方式：电机接口J1的1引脚接OA1，2引脚接OB1；电源接口J2的1引脚接IN_12V，2引脚接地；GPRS模块接口J3的1引脚接地，2引脚接GPRS_TXD，3引脚接GPRS_RXD，4引脚接GPRS_VCC；气泵接口J4的1引脚接OA2，2引脚接OB2；二氧化碳接口J5的1引脚接530_VCC，2引脚接530_DAT，3引脚接地；大气压模块接口J6的6引脚接MCU_3.3V电源，7引脚接地；风速转向接口J7的1引脚通过二极管D3接地，2引脚通过二极管D2接地；电源接口P1的1引脚、2引脚接VCC_12V电源，3引脚、4引脚接IN_12V。

图10为模拟信号模块电路图。该模块包括各个模拟信号的电路，如滤波等。

模拟信号模块的连接方式：MAIN_12V电源依次经过电阻R10、R11、R12接地，同时电阻R12并联有电容C16，MCU_3.3V电源经过电容C17接地，MCU_3.3V电源经过并联的电容C12与C13后接地，MCU_3.3V电源经过并联的电容C14与C15后接地；

图11为JTAG调试端口模块的电路图。该模块通过JTAG下载调试端。

JTAG调试端口模块的连接方式：芯片J9的1引脚接430_TDO，3引脚接430_TDI，5引脚接430_TMS，7引脚接430_TCK，2引脚接MCU_3.3V电源，9引脚接地，11引脚接MCU_RST。

图12为数据存储模块的电路图。对于拓展部分，可加AT24C512储存芯片来存储数据。

数据存储模块的连接方式：芯片U9的1引脚、2引脚、3引脚、4引脚依次相连然后接地，5引脚接512_SDA，6引脚接512_SCL，7引脚接512_WP，8引脚接MCU_3.3V电源。

作为本发明实施例的一优化方案，无线智能碳汇监测系统分为：

设计面向碳浓度的无线传感网节点设计的节点设计阶段；

针对碳浓度监测部署无线传感器节点的布点及数据管理阶段；

构建多维度时空下的碳汇和碳排放估算模型的碳汇碳排放计算模型设计阶段；

在典型区域，建立基于自组织传感网的碳汇和碳排放验证示范应用平台的验证平台搭建阶段。

以下参照附图1，对本发明实施例无线智能碳汇监测系统作进一步详细描述。

如图1所示，本发明实施例的无线智能碳汇监测系统包括：MCU最小系统模块1、风向风速控制模块2、电源电路模块3、JTAG调试端口模块4、温湿度与二氧化碳等传感器模块5、时钟芯片电路模块6、电机气泵控制模块7、接口模块8、显示器模块9、模拟开关模块10、控制电路模块11、电源接口电路模块12及存储芯片模块13共十三个模块。

MCU最小系统模块1：芯片U2的1引脚、7引脚、62引脚分别接MCU_3.3V电源，3引脚接512WP，4引脚接512SCL，6引脚接DHT11，11引脚接AGND，12引脚接FY TXD，13引脚接FY CLK，13引脚接FY RXD，15引脚接B530CTRL，17引脚接LCD_RS，18引脚接LCD_RW，19引脚接LCD_E，20引脚接LCD_A0，21引脚接LCD_A1，22引脚接LCD_A2，23引脚接LCD_A3，24引脚接LCD_A4，25引脚接LCD_A5，26引脚接LCD_A6，27引脚接LCD_A7，28引脚接SW1，29引脚接SW2，30引脚接SW3，31引脚接SW4，32引脚接GPRS_TXD，33引脚接GPRS_RXD，35引脚接B530DAT，36引脚接GPRS_CTRL，37引脚接1302SCLK，38引脚接1302I/O，39引脚接1302CE，40引脚接IB1，41引脚接I A1，42引脚接IB2，43引脚接I A2。MCU_3.3V电源经过电阻R6后，一部分接MCU_RST，同时接入电容C7的一端；另一部分接开关S1的一端，开关S1的另一端与电容C7的另一端相连，然后同时接地；

风向风速控制模块2，芯片U3的1引脚一部分通过电阻R3与8引脚相连，并接到MCU_3.3V电源，另一部分直接接FY RXD，2引脚与3引脚相连后一部分通过电阻R2与8引脚相连，并接到MCU_3.3V电源，另一部分直接接FY CLK，4引脚一部分通过电阻R3与8引脚相连，并接到MCU_3.3V电源，另一部分直接接FY TXD，5引脚直接接地，7引脚与5引脚间接有电阻R7，6引脚与7引脚间接有电阻R5，8引脚与6引脚间接有电阻R4，同时，6引脚、7引脚分别接RS485_A、RS485_B；

3.3V电源电路模块3，芯片U4的1引脚接地，2引脚与地之间接有并联的电容C9与电容C10，3引脚与地之间接有电容C8，同时3引脚接到SYS_5V电源，2引脚接到MCU_3.3V电源；

JTAG调试端口模块4，芯片J9的1引脚接430_TDO，3引脚接430_TDI，5引脚接430_TMS，7引脚接430_TCK，2引脚接MCU_3.3V电源，9引脚接地，11引脚接MCU_RST。

温湿度与二氧化碳传感器模块5，芯片U7的4引脚直接接地，2引脚通过电阻R9接到GPRS_5V，1引脚直接接到GPRS_5V；

时钟芯片电路模块6，芯片U6的1引脚通过直流电源BT1接地，2引脚与3引脚间接有晶振X3，5引脚接1302CE，6引脚接1302I/O，7引脚接1302SCLK，8引脚一部分接MCU_3.3V电源，另一部分经过电容C11接地；

电机气泵控制模块7，芯片U5的2引脚、3引脚与芯片U8的2引脚、3引脚分别连接到SYS_5V，芯片U5的8引脚、5引脚与芯片U8的8引脚、5引脚分别接地，芯片U5的6引脚接IA1，芯片U5的7引脚接IB1，芯片U8的6引脚接IA2，芯片U8的7引脚接IB2；

接口模块8，电机接口J1的1引脚接OA1，2引脚接OB1；电源接口J2的1引脚接MAIN_12V，2引脚接地；电机接口J1的1引脚接OA1，2引脚接OB1；电源接口J2的1引脚接IN_12V，2引脚接地；GPRS模块接口J3的1引脚接地，2引脚接GPRS_TXD，3引脚接GPRS_RXD，4引脚接GPRS_VCC；气泵接口J4的1引脚接OA2，2引脚接OB2；二氧化碳接口J5的1引脚接530_VCC，2引脚接530_DAT，3引脚接地；大气压模块接口J6的6引脚接MCU_3.3V电源，7引脚接地；风速转向接口J7的1引脚通过二极管D3接地，2引脚通过二极管D2接地；电源接口P1的1引脚、2引脚接VCC_12V电源，3引脚、4引脚接IN_12V。

显示器模块9，显示器J10的1引脚接地，2引脚，3引脚接SYS_5V电源，4引脚接LCD_RS，5引脚接LCD_RW，6引脚接LCD_E，7引脚接LCD_A0，8引脚接LCD_A1，9引脚接LCD_A2，10引脚接LCD_A3，11引脚接LCD_A4，12引脚接LCD_A5，13引脚接LCD_A6，14引脚接LCD_A7，15引脚、16引脚、17引脚、28引脚依次相连接到SYS_5V，19引脚连接到LCD_5V，20引脚接地。

模拟开关模块10，开关S3的固定端接LCD_5V电源，然后一端接地，另一端接SYS_5V电源；P1的1引脚接开关SW4，2引脚接开关SW3，3引脚接开关SW2，4引脚接开关SW1；

控制电路模块11，B530_CTRL通过电阻R17接到三极管Q3的基极，三极管Q3的发射极接地，三极管Q3的集电极一部分通过电阻R15接到三极管Q1的基极，另一部分通过电阻R13接到SYS_5V与线圈K1的4端口，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极连接到线圈K1的5端口，同时线圈K1的4、5端口间接有二极管D4，同理，GPRS_CTRL通过电阻R18接到三极管Q4的基极，三极管Q4的发射极接地，三极管Q4的集电极一部分通过电阻R16接到三极管Q2的基极，另一部分通过电阻R14接到SYS_5V与线圈K2的4端口，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的集电极连接到线圈K2的5端口，同时线圈K2的4、5端口间接有二极管D5；

电源接口电路模块12，MAIN_12V电源依次经过电阻R10、R11、R12接地，同时电阻R12并联有电容C16，MCU_3.3V电源经过电容C17接地，MCU_3.3V电源经过并联的电容C12与C13后接地，MCU_3.3V电源经过并联的电容C14与C15后接地；

存储芯片模块13，芯片U9的1引脚、2引脚、3引脚、4引脚依次相连然后接地，5引脚接512_SDA，6引脚接512_SCL，7引脚接512_WP，8引脚接MCU_3.3V电源。

本发明设计依次为节点设计阶段、布点及数据管理阶段、碳汇碳排放计算模型设计阶段及验证平台搭建阶段四个阶段。

节点设计阶段：设计面向碳浓度的无线传感网节点设计；

布点及数据管理阶段：针对碳浓度监测部署无线传感器节点；

碳汇碳排放计算模型设计阶段：构建多维度时空下的碳汇和碳排放估算模型；在此阶段通量观测和反映大气碳贡献度的大气反演模型直接连接到机理性的路面过程模型，通过模型融合一起连接到碳收支与碳排放耦合估算模型。

验证平台搭建阶段：在典型区域，建立基于自组织传感网的碳汇和碳排放验证示范应用平台。

本发明主要采用传感网技术、碳通量观测技术获取碳浓度数据，结合区域碳收支反演模型以及生态过程机理模型，监测区域碳收支量，下面将介绍通量观测设备架设的依据和方法：

利用研制的不同精度传感器节点，结合不同生态系统特征，参考通量塔的基本架设方法，运用两种不同的思路建设通量观测设备行监测。

涡度相关法：在森林和城市的冠层以上架设节点，用于测量在森林和城市冠层的温湿度、CO2、水汽垂直风速脉动、净辐射等参数，利用涡度相关法计算森林、城市的碳通量。

梯度法：在城市区域充分考虑城市不同区块的空间异质性，结合下垫面的实际情况，在草地、灌丛、居民区、湖泊、公园等区域架设梯度观测节点。梯度采样高度按照下垫面类型设置，对于冠层较低的草地、水体以1-2M高度设置，灌丛、森林类型以冠层3-5M高度以上设置，分2-5层布设节点，每层监测温度、水汽和CO₂浓度变化，采样频率10HZ。运用莫宁-奥布霍夫相似理论作为理论基础，计算碳通量，梯度法的计算方式如下(式1)：首先计算理查孙系数Ri，然后确定初始大气稳定度ζ0和无量纲梯度普适函数Φ(ζ)；计算速度尺度u*和温度尺度θ*，将计算得到的U*和θ*计算大气稳定度并以此推算普适函数，直到两者收敛。最后根据摩擦速度和普适函数代入公式计算碳通量：

$E_c=-\frac{{\mathrm{\ρu}}_{*}\mathrm{kz}}{{\mathrm{\φ}}_c\left(\mathrm{\ζ}\right)}\frac{\∂c}{\∂z}$

其中Ec为CO₂通量，ρ是空气密度，u*是摩擦风速，κ为卡门常数，z为观测高度，c为CO₂观测浓度，Φc(ζ)为普适函数。针对城市复杂的下垫面情况，充分利用传感网观测的优势，针对不同的观测对象设计多节点层次用于迭代普适函数，以提高计算准确性。通过这种方式实现对研究区域的净生态系统碳交换的准确估算。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无线智能碳汇监测系统，其特征在于，所述无线智能碳汇监测系统包括：

电源模块，用于为所述无线智能碳汇监测系统提供电源，包括5V电源和3.3V电源；

与MCU最小系统模块相连接，用于测量环境的温度、湿度以及CO₂浓度的温湿度与二氧化碳等传感器模块；

与MCU最小系统模块相连接，用于实时读取时间并在液晶上显示的实时时钟模块；

与MCU最小系统模块相连接，用于下载调试端的JTAG调试端口模块；

与MCU最小系统模块相连接，用于存储采集数据的数据存储模块；

与MCU最小系统模块相连接，提供各种接口的接口模块；

与MCU最小系统模块相连接，用于液晶显示的显示模块；

与MCU最小系统模块相连接，用于根据设计要求控制其它子系统工作状态，降低控制系统功耗的控制电路模块；

包括各个模拟信号的电路，与MCU最小系统模块相连接的模拟信号模块；

用于发出控制指令，实现系统的控制的MCU最小系统模块。

2.如权利要求1所述的无线智能碳汇监测系统，其特征在于，MCU最小系统模块的连接方式：芯片U2的1引脚、7引脚、64引脚分别接MCU_3.3V电源，3引脚接512WP，4引脚接512SCL，6引脚接DHT11，11引脚、62引脚接AGND，12引脚接FY TXD，13引脚接FY CLK，13引脚接FY RXD，15引脚接B530CTRL，17引脚接LCD_RS，18引脚接LCD_RW，19引脚接LCD_E，20引脚接LCD_A0，21引脚接LCD_A1，22引脚接LCD_A2，23引脚接LCD_A3，24引脚接LCD_A4，25引脚接LCD_A5，26引脚接LCD_A6，27引脚接LCD_A7，28引脚接SW1，29引脚接SW2，30引脚接SW3，31引脚接SW4，32引脚接GPRS_TXD，33引脚接GPRS_RXD，35引脚接B530DAT，36引脚接GPRS_CTRL，37引脚接1302SCLK，38引脚接1302I/O，39引脚接1302CE，40引脚接IB1，41引脚接IA1，42引脚接IB2，43引脚接IA2；MCU_3.3V电源经过电阻R6后，一部分接MCU_RST，同时接入电容C7的一端；另一部分接开关S1的一端，开关S1的另一端与电容C7的另一端相连，然后同时接地。

3.如权利要求1所述的无线智能碳汇监测系统，其特征在于，电源模块包括5V电源模块和3.3V电源模块，5V电源模块采用LM2576作为稳压降压器，连接方式：芯片U1的1引脚一部分连接到高电平VCC_12V，同时电容C1与电容C2并联，其正极端连接到芯片U1的1引脚，其负极端连接到芯片U1的3引脚，同时并接地，芯片U1的5引脚连接到5V CTRL，芯片U1的2引脚一部分连接电感I1，同时一部分连接二极管D1的输出端，二极管D1的输入端连接到电容C3的负极端，电感I1的另一端连接到电容C3的正极端，同时，电容C3与电容C4并联，并联的一端连接SYS5V，另一端则直接接地；

3.3V电源模块采用AMS1117-3.3作为稳压降压器，提供3.3V稳压电源；连接方式：芯片U4的1引脚接地，2引脚与地之间接有并联的电容C9与电容C10，3引脚与地之间接有电容C8，同时3引脚接到SYS_5V电源，2引脚接到MCU_3.3V电源。

4.如权利要求1所述的无线智能碳汇监测系统，其特征在于，液晶显示器模块采用LCD12864液晶显示，连接方式：显示器J10的1引脚接地，2引脚，3引脚接SYS_5V电源，4引脚接LCD_RS，5引脚接LCD_RW，6引脚接LCD_E，7引脚接LCD_A0，8引脚接LCD_A1，9引脚接LCD_A2，10引脚接LCD_A3，11引脚接LCD_A4，12引脚接LCD_A5，13引脚接LCD_A6，14引脚接LCD_A7，15引脚、16引脚、17引脚、28引脚依次相连接到SYS_5V，19引脚连接到LCD_5V，20引脚接地。

5.如权利要求1所述的无线智能碳汇监测系统，其特征在于，继电器控制模块利用5V继电器来控制CO2传感器的12V电源，连接方式：B530_CTRL通过电阻R17接到三极管Q3的基极，三极管Q3的发射极接地，三极管Q3的集电极一部分通过电阻R15接到三极管Q1的基极，另一部分通过电阻R13接到SYS_5V与线圈K1的4端口，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极连接到线圈K1的5端口，同时线圈K1的4、5端口间接有二极管D4，同理，GPRS_CTRL通过电阻R18接到三极管Q4的基极，三极管Q4的发射极接地，三极管Q4的集电极一部分通过电阻R16接到三极管Q2的基极，另一部分通过电阻R14接到SYS_5V与线圈K2的4端口，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的集电极连接到线圈K2的5端口，同时线圈K2的4、5端口间接有二极管D5。

6.如权利要求1所述的无线智能碳汇监测系统，其特征在于，温湿度与二氧化碳传感器模块采用DHT11温湿度传感器用来测量环境的温度和湿度，连接方式：芯片U7的4引脚直接接地，2引脚通过电阻R9接到GPRS_VCC，1引脚直接接到GPRS_VCC。

7.如权利要求1所述的无线智能碳汇监测系统，其特征在于，实时时钟模块采用DS1302时钟芯片实时读取时间并在液晶上显示，连接方式：芯片U6的1引脚通过直流电源BT1接地，2引脚与3引脚间接有晶振X3，5引脚接1302CE，6引脚接1302I/O，7引脚接1302SCLK，8引脚一部分接MCU_3.3V电源，另一部分经过电容C11接地。

8.如权利要求1所述的无线智能碳汇监测系统，其特征在于，接口模块包括电机接口、电源接口、GPRS模块接口、气泵接口、二氧化碳接口、大气压模块接口、风速转向接口，连接方式：电机接口J1的1引脚接OA1，2引脚接OB1；电源接口J2的1引脚接IN_12V，2引脚接地；GPRS模块接口J3的1引脚接地，2引脚接GPRS_TXD，3引脚接GPRS_RXD，4引脚接GPRS_VCC；气泵接口J4的1引脚接OA2，2引脚接OB2；二氧化碳接口J5的1引脚接530_VCC，2引脚接530_DAT，3引脚接地；大气压模块接口J6的6引脚接MCU_3.3V电源，7引脚接地；风速转向接口J7的1引脚通过二极管D3接地，2引脚通过二极管D2接地；电源接口P1的1引脚、2引脚接VCC_12V电源，3引脚、4引脚接IN_12V。

9.如权利要求1所述的无线智能碳汇监测系统，其特征在于，模拟信号模块的连接方式：MAIN_12V电源依次经过电阻R10、R11、R12接地，同时电阻R12并联有电容C16，MCU_3.3V电源经过电容C17接地，MCU_3.3V电源经过并联的电容C12与C13后接地，MCU_3.3V电源经过并联的电容C14与C15后接地。

10.如权利要求1所述的无线智能碳汇监测系统，其特征在于，JTAG调试端口模块的连接方式：芯片J9的1引脚接430_TDO，3引脚接430_TDI，5引脚接430_TMS，7引脚接430_TCK，2引脚接MCU_3.3V电源，9引脚接地，11引脚接MCU_RST；

数据存储模块的拓展部分可加AT24C512储存芯片来存储数据，连接方式：芯片U9的1引脚、2引脚、3引脚、4引脚依次相连然后接地，5引脚接512_SDA，6引脚接512_SCL，7引脚接512_WP，8引脚接MCU_3.3V电源。

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