CN103344283B - 北方草原荒漠化的自动化监测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种北方草原荒漠化的自动化监测装置，包括支架和数据采集发送终端，支架的底端固定安装在地表以下，支架上安装有太阳能电池板、铅蓄电池、水平支杆和数据采集发送终端，数据采集发送终端和蓄电池放置在密闭的防水箱中；地上空气温湿度传感器、地上CO2传感器和风速传感器安装在水平支杆上；总辐射量传感器、地表空气温湿度传感器、地表CO2传感器、蒸发量传感器和降雨量传感器紧贴于地表，土壤水分温度传感器埋在地下，传感器和数据采集发送终端通过铅蓄电池进行供电，传感器的信号线通过支架内的导线与数据采集发送终端连接。本发明的优点是结构简单，操作方便，能够适宜北方草原的工作环境，实现了监测装置的实时、长期的测量工作。

Description

北方草原荒漠化的自动化监测装置
技术领域
本发明涉及一种北方草原荒漠化自动化监测装置，安装在北方草原地区，利用传感器对草原的环境参数进行实时采集和保存，并通过无线移动通信网络(GPRS)发送到异地的服务器上，为草原的荒漠化的分析和预测提供基础的理论数据，该装置测量的环境参数精确全面，属于环境监测领域。
背景技术
我国北方的草地资源是农业自然资源中面积最大，最为主要的国土资源。草地资源不仅是发展草原畜牧业的物质基础，又是维持生态平衡的重要屏障。草原除具有饲养牲畜增加牧民收入的经济价值外，还具有防风固沙、净化空气、涵养水源、防止水土流失、保护生态环境等多种生态价值。长期以来，国内由于人口的不断增长和经济的迅速发展，人们对草地资源的掠夺利用，草地资源荒漠化、沙化十分严重，需要一套高精度且适合北方草原荒漠化的自动化监测装置，长期对草原的生态环境进行监测，获取稳定可靠的数据对草原荒漠化进行评估。
现有的草原生态环境监测装置，存在的主要问题有：1、受限于监测装置所能容纳的检测通道数目，所能测量的环境参数少，同时，传感器位置的布置具有随意性，利用这些监测数据就不能精确的进行草原荒漠化的评估；2、北方草原地区冬季寒冷、春秋季风沙较大的特点，部分传感器在这种条件下不能够正常的工作，未能做做防护处理；3、监测装置的核心是数据采集发送终端，负责传感器数据的定时采集，并通过网络将采集的数据发送出去，由于传感器在使用过程中的磨损和老化，需要定期的对传感器进行校准，而现有的数据采集发送终端缺乏传感器校准模块，使得采集的数据随着时间的增加越来越不准确。4、草原地区的监测装置由于没有供电电源，一般采用太阳能进行供电，降低能耗保证能源供给是长期自动化监测的前提，现有监测装置没有对降低监测装置的能耗提供解决方法。
发明内容
本发明提供一种为了实现北方草原荒漠化的自动化监测，设计了16个通道进行环境数据测量，分别采集大气环境和土壤的参数，其中14个通道是模拟量通道，连接的传感器输出要求符合工业标准的4-20mA的电流量，2个通道是脉冲量通道，连接的传感器输出是脉冲量。本发明的技术方案是：一种北方草原荒漠化的自动化监测装置，包括支架（15）、导线（16）和数据采集发送终端（6），所述支架（15）的底端固定安装在地表以下，在地表以上的支架（15）上从上至下依次安装有太阳能电池板（1）、铅蓄电池（2）、水平支杆（17）和数据采集发送终端（6），所述的数据采集发送终端（6）和蓄电池（2）放置在密闭的防水箱中；地上空气温湿度传感器（3）、地上CO2传感器（4）和风速传感器（5）安装在水平支杆（17）上；总辐射量传感器（7）、地表空气温湿度传感器（8）、地表CO2传感器（9）、蒸发量传感器（10）和降雨量传感器（11）紧贴于地表，土壤水分温度传感器埋在地下，所有的传感器和数据采集发送终端（6）通过铅蓄电池（2）进行供电，太阳能电池板（1）与铅蓄电池（2）相连接，给蓄电池（2）充电；所有传感器的信号线均通过支架（15）内的导线与数据采集发送终端（6）连接。
所述的地上空气温湿度传感器（3）、地上CO2传感器（4）和风速传感器（5）距离地面的高度是50cm；土壤水分温度传感器包括上土壤水分温度传感器（12）、中土壤水分温度传感器（13）和下土壤水分温度传感器（14），距离地表的距离分别是10cm、50cm和100cm。
所述的数据采集发送终端（6）包括模拟多路开关（6-1）、A/D转换器（6-2）、微处理器MCU（6-3）、按键（6-4）、指示灯（6-5）、SD卡存储器（6-6）、时钟（6-7）、LCD显示屏（6-8）、GRPS无线传输模块（6-9）、RS232通讯接口（6-10）、传感器校准模块（6-11）和低功耗管理模块（6-12），风速传感器（5）和降雨量传感器（11）直接与微处理器MCU（6-3）连接，地上空气温湿度传感器（3）、地表空气温湿度传感器（8）、地上CO2传感器（4）、地表CO2传感器（9）、总辐射量传感器（7）、蒸发量传感器（10）、土壤水分温度传感器连接到模拟多路开关（6-1）上，模拟多路开关（6-1）与微处理器MCU（6-3）连接，微处理器MCU（6-3）根据设置的数据采集时间调用低功耗管理模块（6-12）；在进行数据采集时，通过微处理器MCU（6-3）发出指令给模拟多路开关（6-1），从与模拟多路开关（6-1）连接的传感器中依次循环选择采集，然后送到A/D转换器（6-2）中，A/D转换器（6-2）将模拟量转换成数字量送到微处理器MCU（6-3）中，微处理器MCU（6-3）调用传感器校准模块（6-11），将数字量的值转换成真实的测量值，当完成所有与模拟多路开关连接的传感器测量值的采集后，微处理器MCU（6-3）调用传感器校准模块（6-11）计算风速传感器（5）和降雨量传感器（11）的测量值，微处理器MCU（6-3）把所有的传感器的测量值传输到LCD显示屏（6-8）进行显示，并送到SD卡存储器（6-6）进行数据的保存，GRPS无线数据发送模块（6-9）将所有测量值组成数据包，通过UDP协议发送到服务器端，实时时钟（6-7）、按键（6-4）、指示灯（6-5）和RS232通讯接口（6-10）均与微处理器MCU（6-3）连接。
所述的太阳能电池板（1）与地面成45度的倾角。
所述的风速传感器（5）为风杯式风速传感器，在风速传感器风杯的轴承上安装有薄膜铂热电阻元件，当监测到空气温度低于零下摄氏度且风速为零时，启动铂热电组进行风速传感器的加热。
本发明的优点是结构简单，设计合理，操作方便，能够适宜北方草原的工作环境，具有16路的环境参数获取能力，可以实现从地下到地上不同的高度的数据采集，传感器校准模块提高了测量的精度，低功耗管理模块延长了装置的工作时间，设计的数据采集发送终端可通过GPRS无线传输模块将测量的数据发送到远程的电脑上，实现了监测装置的实时、长期的测量工作。
附图说明
图1是本发明的主体结构示意图；
图2是图1中的数据采集发送终端原理图；
图3是本发明的传感器校准模块在线校准方法。
具体实施方式
参见图1、图2和图3，本发明涉及一种北方草原荒漠化的自动化监测装置，包括支架（15）、导线（16）和数据采集发送终端（6），所述支架（15）的底端固定安装在地表以下，在地表以上的支架（15）上从上至下依次安装有太阳能电池板（1）、铅蓄电池（2）、水平支杆（17）和数据采集发送终端（6），所述的数据采集发送终端（6）和蓄电池（2）放置在密闭的防水箱中；地上空气温湿度传感器（3）、地上CO2传感器（4）和风速传感器（5）安装在水平支杆（17）上；总辐射量传感器（7）、地表空气温湿度传感器（8）、地表CO2传感器（9）、蒸发量传感器（10）和降雨量传感器（11）紧贴于地表，土壤水分温度传感器埋在地下，所有的传感器即地上空气温湿度传感器（3）、地上CO2传感器（4）和风速传感器（5）、总辐射量传感器（7）、地表空气温湿度传感器（8）、地表CO2传感器（9）、蒸发量传感器（10）、降雨量传感器（11）、土壤水分温度传感器和数据采集发送终端（6）通过铅蓄电池（2）进行供电，太阳能电池板（1）与铅蓄电池（2）相连接，给蓄电池（2）充电；所有传感器的信号线均通过支架（15）内的导线与数据采集发送终端（6）连接。
所述的地上空气温湿度传感器（3）、地上CO2传感器（4）和风速传感器（5）距离地面的高度是50cm；土壤水分温度传感器包括上土壤水分温度传感器（12）、中土壤水分温度传感器（13）和下土壤水分温度传感器（14），距离地表的距离分别是10cm、50cm和100cm。
所述的数据采集发送终端（6）包括模拟多路开关（6-1）、A/D转换器（6-2）、微处理器MCU（6-3）、按键（6-4）、指示灯（6-5）、SD卡存储器（6-6）、时钟（6-7）、LCD显示屏（6-8）、GPRS无线传输模块（6-9）、RS232通讯接口（6-10）和传感器校准模块（6-11），风速传感器（5）和降雨量传感器（11）直接与微处理器MCU（6-3）连接，地上空气温湿度传感器（3）、地表空气温湿度传感器（8）、地上CO2传感器（4）、地表CO2传感器（9）、总辐射量传感器（7）、蒸发量传感器（10）、土壤水分温度传感器连接到模拟多路开关（6-1）上，模拟多路开关（6-1）与微处理器MCU（6-3）连接，微处理器MCU（6-3）根据设置的数据采集时间调用低功耗管理模块（6-12），当到达设定时间的前1分钟时，低功耗管理模块（6-12）接通所有传感器的电源，准备采集数据，数据采集时，通过微处理器MCU（6-3）发出指令给模拟多路开关（6-1），从与模拟多路开关（6-1）连接的传感器中依次循环选择采集，然后送到A/D转换器（6-2）中，A/D转换器（6-2）将模拟量转换成数字量送到微处理器MCU（6-3）中，微处理器MCU（6-3）调用传感器校准模块（6-11），将数字量的值转换成真实的测量值，当完成所有与模拟多路开关连接的传感器测量值的采集后，微处理器MCU（6-3）调用传感器校准模块（6-11）计算风速传感器（5）和降雨量传感器（11）的测量值，微处理器MCU（6-3）把所有的传感器的测量值传输到LCD显示屏（6-8）进行显示，并送到SD卡存储器（6-6）进行数据的保存，GPRS无线传输模块（6-9）将所有测量值组成数据包，通过UDP协议发送到服务器端，实时时钟（6-7）、按键（6-4）、指示灯（6-5）和RS232通讯接口（6-10）均与微处理器MCU（6-3）连接。
实时时钟（6-7）提供了精确的时间，并在LCD显示屏（6-8）进行显示，所述的LCD显示屏能实时显示从16个通道采集的值（即所有传感器采集的数值），其RS232通讯端口（6-10）与计算机相连接，用于下载保存在SD卡中的数据，同时计算机可对数据采集发送终端（6）的采集时间、时钟设置、校准参数等进行设置；GRPS无线数据发送模块（6-9），将采集到的数据发送到远程的服务器上；草原荒漠化监测的数据采样时间一般较长，如1个小时采样一次数据，低功耗管理模块可以在采样时给传感器进行供电，其他时间关闭传感器的电源。
传感器校准模块，能够对16个通道的传感器采集的数据进行校准，校准的方法是每个传感器设置15个校准点，校准点分布在二维平面上，其在横坐标上是均匀分布的，横坐标采用的不是传感器的测量值，而是该测量值经12位模数AD转换后的值，使得横坐标的范围扩展到212，校准的精度得到很大的提高；其纵坐标是校准后的值，是保存在SD卡中在LCD显示屏上显示的值，两个相邻的校准点之间是直线线性关系，这种校准方法简单易用，便于在野外进行。
图2中所指的传感器的个数实际上是指的传感器所形成的通道的个数，例如，将土壤水分温度传感器进行分开图示，因为土壤水分温度传感器的温度和水分分别形成了不同的通道，在本装置中设计了3个土壤水分温度传感器，分别为上土壤水分温度传感器、中土壤水分温度传感器和下土壤水分温度传感器，实际上形成了6个通道，即3个土壤温度传感器即代表3个温度的通道，3个土壤水分传感器代表了3个水分的通道；以下的空气温度湿度传感器设计了两个，即地上空气温湿度传感器（3）和地表空气温湿度传感器（8），形成了4个通道，每一个形成1个温度的通道和1个湿度的通道。
所述的模拟多路开关（6-1）选用的器件是AD7506，CMOS工艺的单片16选1多路模拟开关。
所述的A/D转换器（6-2）选用的器件是AD7874，具有较高精度和很小相对延迟时间的12位数模转换器。
所述的微处理器MCU（6-3）选用的器件是C8051F020，具有64个数字I/O引脚和8051兼容的微控制器内核。
所述的太阳能电池板（1）与地面成45度的倾角，太阳能电池板（1）具有二极管保护电路，防止铅蓄电池（2）的反向充电。
所述的风速传感器（5）为风杯式风速传感器，在风速传感器风杯的轴承上安装有薄膜铂热电阻元件，当监测到空气温度低于零下摄氏度且风速为零时，启动铂热电组进行风速传感器的加热。

Claims (4)

1.一种北方草原荒漠化的自动化监测装置，其特征在于：包括支架（15）、导线（16）和数据采集发送终端（6），所述支架（15）的底端固定安装在地表以下，在地表以上的支架（15）上从上至下依次安装有太阳能电池板（1）、铅蓄电池（2）、水平支杆（17）和数据采集发送终端（6），所述的数据采集发送终端（6）和铅蓄电池（2）放置在密闭的防水箱中；地上空气温湿度传感器（3）、地上CO2传感器（4）和风速传感器（5）安装在水平支杆（17）上；总辐射量传感器（7）、地表空气温湿度传感器（8）、地表CO2传感器（9）、蒸发量传感器（10）和降雨量传感器（11）紧贴于地表，土壤水分温度传感器埋在地下，所有的传感器和数据采集发送终端（6）通过铅蓄电池（2）进行供电，太阳能电池板（1）与铅蓄电池（2）相连接，给铅蓄电池（2）充电；所有传感器的信号线均通过支架（15）内的导线与数据采集发送终端（6）连接；所述的数据采集发送终端（6）包括模拟多路开关（6-1）、A/D转换器（6-2）、微处理器MCU（6-3）、按键（6-4）、指示灯（6-5）、SD卡存储器（6-6）、时钟（6-7）、LCD显示屏（6-8）、GRPS无线传输模块（6-9）、RS232通讯接口（6-10）、传感器校准模块（6-11）和低功耗管理模块（6-12），风速传感器（5）和降雨量传感器（11）直接与微处理器MCU（6-3）连接，地上空气温湿度传感器（3）、地表空气温湿度传感器（8）、地上CO2传感器（4）、地表CO2传感器（9）、总辐射量传感器（7）、蒸发量传感器（10）、土壤水分温度传感器连接到模拟多路开关（6-1）上，模拟多路开关（6-1）与微处理器MCU（6-3）连接，微处理器MCU（6-3）根据设置的数据采集时间调用低功耗管理模块（6-12）；在进行数据采集时，通过微处理器MCU（6-3）发出指令给模拟多路开关（6-1），从与模拟多路开关（6-1）连接的传感器中依次循环选择采集，然后送到A/D转换器（6-2）中，A/D转换器（6-2）将模拟量转换成数字量送到微处理器MCU（6-3）中，微处理器MCU（6-3）调用传感器校准模块（6-11），将数字量的值转换成真实的测量值，当完成所有与模拟多路开关连接的传感器测量值的采集后，微处理器MCU（6-3）调用传感器校准模块（6-11）计算风速传感器（5）和降雨量传感器（11）的测量值，微处理器MCU（6-3）把所有的传感器的测量值传输到LCD显示屏（6-8）进行显示，并送到SD卡存储器（6-6）进行数据的保存，GRPS无线传输模块（6-9）将所有测量值组成数据包，通过UDP协议发送到服务器端，时钟（6-7）、按键（6-4）、指示灯（6-5）和RS232通讯接口（6-10）均与微处理器MCU（6-3）连接；
所述的传感器校准模块，能够对16个通道的传感器采集的数据进行校准，校准的方法是每个传感器设置15个校准点，校准点分布在二维平面上，其在横坐标上是均匀分布的，横坐标采用的不是传感器的测量值，而是该测量值经12位模数转换后的值，使得横坐标的范围扩展到212，校准的精度得到很大的提高；其纵坐标是校准后的值，是保存在SD卡存储器中在LCD显示屏上显示的值，两个相邻的校准点之间是直线线性关系。
2.根据权利要求1所述的北方草原荒漠化的自动化监测装置，其特征在于：所述的地上空气温湿度传感器（3）、地上CO2传感器（4）和风速传感器（5）距离地面的高度是50cm；土壤水分温度传感器包括上土壤水分温度传感器（12）、中土壤水分温度传感器（13）和下土壤水分温度传感器（14），距离地表的距离分别是10cm、50cm和100cm。
3.根据权利要求1所述的北方草原荒漠化的自动化监测装置，其特征在于：所述的太阳能电池板（1）与地面成45度的倾角。
4.根据权利要求1所述的北方草原荒漠化的自动化监测装置，其特征在于：所述的风速传感器（5）为风杯式风速传感器，在风速传感器风杯的轴承上安装有薄膜铂热电阻元件，当监测到空气温度低于零下摄氏度且风速为零时，启动薄膜铂热电阻元件进行风速传感器的加热。
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