CN112598867A - 一种基于植物发电的森林温度检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于植物发电的森林温度检测系统，其包括发电系统和温度检测系统，发电系统包括正极片和负极片，正极片插入植物的树干内，负极片插入地下；正极片和负极片为发电系统和温度检测系统提供电源。本发明的温度检查方法包括：采集若干温度值、在若干温度值中选取三个温度值、计算三个温度值的平均值T平均作为检查的温度值、将平均值T平均与温度阈值T阈值进行比较、对火灾高风险区域进行报警等步骤。本方案利用树木的树干和根部土壤的pH值差异进行发电，并对温度进行预警，便于工作人员及时对火灾高风险区域进行处理，同时通过定位，工作人员能准确到达现场，消除火灾隐患，保障森林防火安全。

Description

一种基于植物发电的森林温度检测系统及方法
技术领域
本发明涉及森林火灾防控技术领域，具体涉及一种基于植物发电的森林温度检测系统及方法。
背景技术
森林是人类生存和可持续发展的宝贵资源，在经济建设和可持续发展中具有不可替代的地位和作用。森林资源是地球上重要的资源之一，是生态圈的重要组成部分，也是生物多样化的基础。为了保护森林安全，需要实时掌握森林的温度等气象信息，因此建立森林温度监测系统十分必要。目前的森林温度监测系统主要是以电池或者线缆供电为主，需要定期更换电池或维护，耗费大量人力资源。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种无需外部供电的基于植物发电的森林温度检测系统及方法
为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
提供一种基于植物发电的森林温度检测系统，其包括发电系统和温度检测系统，发电系统包括正极片和负极片，正极片插入植物的树干内，负极片插入地下；正极片和负极片分别与升压电路的正极和负极电连接没升压电路与稳压电路电连接，温度检测系统包括温度检测模块，温度检测模块与单片机电连接，单片机通过无线通信模块与上位机无线连接，温度检测模块包括分布在森林中的温度传感器和GPS定位模块。
进一步地，升压电路包括变压器，变压器的输入端与正极片和负极片电连接，变压器的输出端与电容C3并联，电容C3与二极管VD2并联，电容C3与二极管VD2连接有电阻R1，二极管VD2的两端与稳压电路电连接。
进一步地，稳压电路包括三极管VT1和三极管VT2，三极管VT1的基极与三极管VT2的集电极连接，三极管VT1的发射极和三极管VT2的发射极之间并联有电阻R4，三极管VT1的基极与三极管VT2的集电极之间并联有电阻R1，电阻R1与输入端和电容C1连接，三极管VT1的集电极与输入端连接；
三极管VT2发射极与二极管VZ连接，三极管VT1的发射极与输出端连接，电阻R4与输出端之间依次并联有电阻R2和电容C2，电阻R2分别与三极管VT2的基极和调整电阻RP连接，调整电阻RP与电阻R3连接。
一种采用基于植物发电的森林温度检测系统的温度检测方法，其包括以下步骤：
S1：上位机发送检测指令并通过无线通信模块上传给单片机，单片机控制温度传感器采集n个温度数据，并且每次采集温度数据的间隔时间均为t；
S2：单片机将n个温度数据进行编号(T1，T2，···，Tn)；
S3：任意选取n个温度数据中的3个温度数据Tx，TY和TZ，计算选出的3个温度数据的平均值T平均＝(Tx+TY+TZ)/3，其中(x，Y，Z)∈(1，2，···，n)，且x≠Y≠Z；
S4：计算出的平均值T平均即为此处温度传感器采集的温度值，将平均值T平均与温度阈值T阈值进行比较，若平均值T平均≥T阈值，则此处为火灾高风险区域，单片机发送报警信号给上位机，并且GPS定位模块将此处的位置信息发送给上位机；否则，此处温度处于安全的范围，单片机将检测的温度值T平均发送给上位机；
S5：重复步骤S1-S4，控制其余位置的温度传感器检测其所在位置的温度，并利用GPS定位模块发送的位置信息在地图上标记出所有存在火灾高风险区域；
S6：上位机利用所有的温度值T平均建立温度-时间曲线。
本发明的有益效果为：本方案利用树木的树干和根部土壤的pH值差异进行发电，并通过升压电路和稳压电路进行升压和稳压，为温度检测系统提供电能，温度传感器采集森林中不同位置的温度，并对温度进行预警，发送给监控中心的上位机，便于工作人员及时对火灾高风险区域进行处理，同时通过定位，工作人员能准确到达现场，消除火灾隐患，保障森林防火安全。本发明无需架设通信线路和供电线路，也不用更换电池，利用植物的化学反应进行发电，不受环境影响，极大提高了系统供电稳定性，降低系统维护频率。
附图说明
图1为基于植物发电的森林温度检测系统的原理框图。
图2为升压电路的电路图。
图3为稳压电路的电路图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1至图3所示，本方案的基于植物发电的森林温度检测系统包括发电系统和温度检测系统，发电系统包括正极片和负极片，正极片插入植物的树干内，负极片插入地下；正极片和负极片分别与升压电路的正极和负极电连接没升压电路与稳压电路电连接，温度检测系统包括温度检测模块，温度检测模块与单片机电连接，单片机通过无线通信模块与上位机无线连接，温度检测模块包括分布在森林中的温度传感器和GPS定位模块。
温度检测模块可固定在离地一米左右的树干上，并装置于透气性较好的包装之中，以便减少因为地面比热容较低或因虫蚁进入设备所带来的不利影响。首先由于正、负极处PH值的差异使之产生了较微弱的电能，经过放大电路放大之后达到可为温度检测系统供电的电压，又由于树干/土壤处所产生的输入电压并不稳定，故需要再添加稳压电路使输出端的输出电压基本保持不变。
升压电路包括变压器，变压器的输入端与正极片和负极片电连接，变压器的输出端与电容C3并联，电容C3与二极管VD2并联，电容C3与二极管VD2连接有电阻R1，二极管VD2的两端与稳压电路电连接。
本方案的升压电路可用来取代15V的叠层电池，电路的核心元件变压器，电路耗电约40mA，输出电压为15V。
稳压电路包括三极管VT1和三极管VT2，三极管VT1的基极与三极管VT2的集电极连接，三极管VT1的发射极和三极管VT2的发射极之间并联有电阻R4，三极管VT1的基极与三极管VT2的集电极之间并联有电阻R1，电阻R1与输入端和电容C1连接，三极管VT1的集电极与输入端连接。
三极管VT2发射极与二极管VZ连接，三极管VT1的发射极与输出端连接，电阻R4与输出端之间依次并联有电阻R2和电容C2，电阻R2分别与三极管VT2的基极和调整电阻RP连接，调整电阻RP与电阻R3连接。
本方案的稳压电路的核心元器件是电阻R2、调整电阻RP和电阻R3构成的误差取样电路，电阻R4、二极管VZ构成的基准电压电路以及误差放大三极管VT2。
当输入电压Ui升高或负载变轻，引起输出电压Uo升高后，该电压通过电阻R2、调整电阻RP、电阻R3分压产生的取样电压升高，该电压加到三极管VT2的基极，由于三极管VT2的发射极电位不变，所以三极管VT2导通加强，它的集电极电位下降，也就是使三极管VT1的基极电位下降，致使三极管VT1的输出电压下降到正常值。当输出电压Uo升高时，稳压控制过程相反。
采用上述基于植物发电的森林温度检测系统的温度检测方法，包括以下步骤：
S1：上位机发送检测指令并通过无线通信模块上传给单片机，单片机控制温度传感器采集n个温度数据，并且每次采集温度数据的间隔时间均为t；
S2：单片机将n个温度数据进行编号(T1，T2，···，Tn)；
S3：任意选取n个温度数据中的3个温度数据Tx，TY和TZ，计算选出的3个温度数据的平均值T平均＝(Tx+TY+TZ)/3，其中(x，Y，Z)∈(1，2，···，n)，且x≠Y≠Z；采用算术平均法计算温度值，并选取不相邻的3个温度值取平均，即可滤除一般的干扰信号，得到相对准确的温度；
S4：计算出的平均值T平均即为此处温度传感器采集的温度值，将平均值T平均与温度阈值T阈值进行比较，若平均值T平均≥T阈值，则此处为火灾高风险区域，单片机发送报警信号给上位机，并且GPS定位模块将此处的位置信息发送给上位机；否则，此处温度处于安全的范围，单片机将检测的温度值T平均发送给上位机；
S5：重复步骤S1-S4，控制其余位置的温度传感器检测其所在位置的温度，并利用GPS定位模块发送的位置信息在地图上标记出所有存在火灾高风险区域；工作人员可准确的根据定位获取火灾高风险区域，及时作出应对；
S6：上位机利用所有的温度值T平均建立温度-时间曲线。工作人员可根据温度-时间曲线对森林各个位置的温度变化进行研究，便于有针对性的对森林防采取有效措施。
本方案利用树木的树干和根部土壤的pH值差异进行发电，并通过升压电路和稳压电路进行升压和稳压，为温度检测系统提供电能，温度传感器采集森林中不同位置的温度，并对温度进行预警，发送给监控中心的上位机，便于工作人员及时对火灾高风险区域进行处理，同时通过定位，工作人员能准确到达现场，消除火灾隐患，保障森林防火安全。本发明无需架设通信线路和供电线路，也不用更换电池，利用植物的化学反应进行发电，不受环境影响，极大提高了系统供电稳定性，降低系统维护频率。

Claims (4)

1.一种基于植物发电的森林温度检测系统，其特征在于，包括发电系统和温度检测系统，所述发电系统包括正极片和负极片，所述正极片插入植物的树干内，所述负极片插入地下；所述正极片和负极片分别与升压电路的正极和负极电连接没所述升压电路与稳压电路电连接，所述温度检测系统包括温度检测模块，所述温度检测模块与单片机电连接，所述单片机通过无线通信模块与上位机无线连接，所述温度检测模块包括分布在森林中的温度传感器和GPS定位模块。
2.根据权利要求1所述的基于植物发电的森林温度检测系统，其特征在于，所述升压电路包括变压器，所述变压器的输入端与正极片和负极片电连接，所述变压器的输出端与电容C3并联，所述电容C3与二极管VD2并联，所述电容C3与二极管VD2连接有电阻R1，所述二极管VD2的两端与稳压电路电连接。
3.根据权利要求1所述的基于植物发电的森林温度检测系统，其特征在于，所述稳压电路包括三极管VT1和三极管VT2，所述三极管VT1的基极与三极管VT2的集电极连接，所述三极管VT1的发射极和三极管VT2的发射极之间并联有电阻R4，所述三极管VT1的基极与三极管VT2的集电极之间并联有电阻R1，所述电阻R1与输入端和电容C1连接，所述三极管VT1的集电极与输入端连接；
所述三极管VT2发射极与二极管VZ连接，所述三极管VT1的发射极与输出端连接，所述电阻R4与输出端之间依次并联有电阻R2和电容C2，所述电阻R2分别与三极管VT2的基极和调整电阻RP连接，所述调整电阻RP与电阻R3连接。
4.一种采用权利要求1-3任一项所述的基于植物发电的森林温度检测系统的温度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：上位机发送检测指令并通过无线通信模块上传给单片机，单片机控制温度传感器采集n个温度数据，并且每次采集温度数据的间隔时间均为t；
S2：单片机将n个温度数据进行编号(T1，T2，···，Tn)；
S3：任意选取n个温度数据中的3个温度数据Tx，TY和TZ，计算选出的3个温度数据的平均值T平均＝(Tx+TY+TZ)/3，其中(x，Y，Z)∈(1，2，···，n)，且x≠Y≠Z；
S4：计算出的平均值T平均即为此处温度传感器采集的温度值，将平均值T平均与温度阈值T阈值进行比较，若平均值T平均≥T阈值，则此处为火灾高风险区域，单片机发送报警信号给上位机，并且GPS定位模块将此处的位置信息发送给上位机；否则，此处温度处于安全的范围，单片机将检测的温度值T平均发送给上位机；
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