CN206945060U - 一种林业微环境监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种林业微环境监测系统，包括：微环境监测传感器组，包括土壤参数监测传感器组、大气参数监测传感器组、光照参数监测传感器组以及植物参数监测传感器组；以及数据采集与处理装置，输入端与所述微环境监测站的输出端连接，所述数据采集与处理装置的输出端与云服务器连接。全方面地监测林业微环境中的土壤参数、大气参数、光照参数以及植物参数，为林业工作人员提供全面、实时和可靠的数据。

Description

一种林业微环境监测系统

技术领域

本实用新型涉及环境监测技术领域，更具体地，涉及林业微环境监测系统。

背景技术

近年来，为发展现代林业、建设生态文明、促进科学发展提供有力保障，国家提出了林业信息化和“互联网+林业”的概念，目的是逐步建立起功能齐全、互通共享、高效便捷、稳定安全的林业信息化体系，促进林业决策的科学化、办公规范化、监督透明化和服务便捷化，使林业实现智慧感知、智慧管理、智慧服务。实现信息化的基础是数据的采集，如何对林业生产和维护中的各自信息进行快速、准确、有效的采集是林业信息化首要解决的问题。现有的林业微环境检测的项目非常简单，通常仅仅对下雨量、环境温度、湿度等进行监控，由于监控项目少，基于监控项目获得的预测结果很容易出现偏差，完全没有贴合于对林区作为一个立体生态系统的监测系统。同时在林区无手机信号的区域，无法实现微环境数据的实时传输。

实用新型内容

本实用新型提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种林业微环境监测系统。

根据本实用新型的一个方面，提供一种林业微环境监测系统，包括：

微环境监测传感器组，包括土壤参数监测传感器组、大气参数监测传感器组、光照参数监测传感器组以及植物参数监测传感器组；以及

数据采集与处理装置，输入端与所述微环境监测站的输出端连接，所述数据采集与处理装置的输出端与云服务器连接。

优选地，所述土壤参数监测传感器组包括土壤分层湿度传感器组、土壤分层温度传感器组、土壤电导率传感器以及土壤酸碱度传感器；

所述大气参数监测传感器组包括风速传感器、风向传感器、降雨量传感器、大气蒸发量传感器、二氧化碳浓度传感器以及负氧离子浓度传感器；

所述光照参数监测传感器组包括光照强度传感器、日照时数传感器、光合有效值传感器、总辐射传感器、净辐射传感器、直接辐射传感器以及紫外辐射传感器；

所述植物参数监测传感器组包括植物茎干水分传感器、叶温传感器以及植物茎流传感器。

优选地，本实用新型林业微环境监测系统还包括：

供电装置，与所述微环境监测传感器组以及数据采集与处理装置连接。

优选地，所述数据采集与处理装置包括：

传感器数据采集电路，输入端与所述微环境监测站的输出端连接；

微处理器，输入端与所述传感器数据采集电路的输出端连接；

数据显示电路，输入端与所述处理器的输出端连接；

数据存储电路，输入端与所述处理器的输出端连接；

无线通信电路，输入端与所述处理器的输出端连接，输出端与所述云服务器通信连接；以及

电压变换电路，输入端与所述供电装置的输出端连接，所述电压变换电路的输出端与所述处理器、数据显示电路、数据存储电路、通信电路以及所述微环境监测站连接。

优选地，所述供电装置包括：

220V市电输入电路和太阳能板；

太阳能市电互补控制器，输入端与所述220V市电输入电路和太阳能板连接。

优选地，还包括塔架，所述塔架的上端设置所述大气参数监测传感器组、光照参数监测传感器组以及太阳能板，所述塔架的中端设置箱体，所述箱体中设置所述数据采集与处理装置和太阳能市电互补控制器。

优选地，所述传感器数据采集电路包括：

模拟电流电压转换模块，输入端与所述微环境监测站的输出端连接；

运算放大器，输入端与所述模拟电流电压转换模块连接；

AD转换芯片，输入端与所述运算放大器的输出端连接，所述AD转换芯片的输出端与处理器的输入端连接。

本实用新型提出的一种林业微环境监测系统，能够全方面地监测林业微环境中的土壤参数、大气参数、光照参数以及植物参数，为林区工作人员提供全面、实时和可靠的实验数据。

附图说明

图1为根据本实用新型实施例的功能框图；

图2为根据本实用新型实施例的数据采集与处理装置的功能框图；

图3为根据本实用新型实施例的供电装置的功能框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

本实用新型提供一种林业微环境监测系统，如图1所示，包括：

微环境监测传感器组，包括土壤参数监测传感器组、大气参数监测传感器组、光照参数监测传感器组以及植物参数监测传感器组；

土壤参数监测传感器组、大气参数监测传感器组、光照参数监测传感器组以及植物参数监测传感器组分别用于检测林场中的土壤参数、大气参数、光照参数以及植物参数。

数据采集与处理装置，输入端与所述微环境监测传感器组的输出端连接，所述数据采集与处理装置的输出端与云服务器连接；

数据采集与处理装置用于接收土壤参数监测传感器组、大气参数监测传感器组、光照参数监测传感器组以及植物参数监测传感器组上传的模拟信号(可以是模拟电流信号，也可以是模拟电压信号)转换为数字信号，并通过进一步处理获得可以直观显示的数据，例如直接显示当前温度为27℃。

需要说明的是，本实施例通过全方面地监测林业微环境中的土壤参数、大气参数、光照参数以及植物参数，为林区工作人员提供全面、实时和可靠的实验数据。

在上述实施例的基础上，本实施例中的土壤参数监测传感器组包括：土壤分层湿度传感器组、土壤分层温度传感器组、土壤电导率传感器以及土壤酸碱度传感器。

土壤参数监测传感器组包括土壤分层湿度传感器组、土壤分层温度传感器组、土壤电导率传感器以及土壤酸碱度传感器。顾名思义，土壤分层湿度传感器组用于监测土壤湿度，土壤分层温度传感器组用于监测土壤温度，土壤电导率传感器用于监测土壤电导率，土壤酸碱度传感器用于监测土壤的酸碱度。

土壤分层湿度传感器组包括3-5个分散在土壤中的HYSWR-ARC型驻波率土壤水分传感器，HYSWR-ARC型土壤水分传感器可以广泛应用于气象、农业、园林等行业土壤体积含水率测量，接口简单，维护方便，具备电压、RS232输出方式，例如可选择北京华云尚通科技有限公司生产的该型号的驻波率土壤水分传感器。

土壤分层温度传感器由3-5个铂电阻测温传感器构成，例如可选用TEConnectivity公司生产的铂电阻温度传感器，该公司生产的铂电阻温度传感器能够在极端温度应用中提供精确、稳定的测量，在林业微环境监测领域，尤其是高海拔的林场，经常会出现极端气候和温度骤降骤升的情况，因此，采用能够忍受极端温度的铂电阻温度传感器是非常有必要的。

需要说明的是，上述的HYSWR-ARC型驻波率土壤水分传感器和铂电阻测温传感器可测量5-10米深，3-5层的土壤湿度和温度，将林区土壤的监测广度和维度大大提高。

土壤电导率传感器基于交流四端法进行测量。交流四端法属于本领域的惯用技术手段，本实施例不再赘述。

土壤酸碱度传感器组用于监测土壤的酸碱度，例如可采用北京方大天云科技有限公司生产的SKY-PH土壤酸碱度传感器，该土壤酸碱度传感器的测量范围：0-14pH，pH精度为0.2，并且该型号的土壤酸碱度传感器的探头坚固耐用，还可以有效防止灰尘，湿气和空气湿度的干扰。

在上述各实施例的基础上，大气参数监测传感器组包括：风速传感器、风向传感器、降雨量传感器、大气蒸发量传感器、二氧化碳浓度传感器以及负氧离子浓度传感器；

风速传感器可以采用中环天仪(天津)气象仪器有限公司生产的EL15-1A风速风速传感器，该风速传感器的风速测量范围：0-60m/s，足以满足林业微环境监测，风速测量精度：±0.4+(0.05×实际风速)m/s，风向传感器可以采用中环天仪(天津)气象仪器有限公司生产的EL15-2DE风向传感器，风向测量范围：0-360°，可以无死角地测量林场中的风向。

降雨量传感器可以采用上海气象仪器厂有限公司出品的型号为SL3-1降雨量传感器，该传感器具有自涤灰尘、容易清洗的功能，承雨口径为200mm，分辨力为0.3mm，雨强范围为0.01-4mm/min，工作温度为-20～50℃。

大气蒸发量传感器用于测量大气蒸发量，选用武汉中科能慧科技发展有限公司生产的NHZF41A蒸发传感器，该蒸发传感器采用高精度的称重原理测得蒸发皿内液体重量，再计算出液面高度，因此在多种环境下均可使用。如液体或结冰均可测量，解决了使用超声波原理测量液面高度时出现的弊病：结冰时测量不准、没有水时容易损坏传感器以及精度低。

二氧化碳浓度传感器用于监测林场的二氧化碳浓度，例如，可以采用北京迪辉科技有限公司生产的DWSC-T8二氧化碳传感器，具有寿命长、成本低、精度高、稳定性好的优势，并且该型号的二氧化碳传感器。

负氧离子浓度传感器用于监测林场中的负氧离子，例如，可以采用武汉新普惠科技有限公司的PH-IMH01系列空气负氧离子传感器，该型号空气负氧离子传感器具有气流稳定、离子流捕捉可靠、适用性强的优势。

在上述各实施例的基础上，光照参数监测传感器组包括：光照强度传感器、日照时数传感器、光合有效值传感器、总辐射传感器、净辐射传感器、直接辐射传感器以及紫外辐射传感器。

光照强度传感器用于监测林区的光照强度，可以采用锦州阳光气象科技有限公司生产的TBQ-6光照强度传感器，该型号的光照传感器具有IP65防护等级，相比现有的光照强度传感器具有更好的防水能力，更适合放置在林区，并且其采用真实太阳光标定，使光源的影响降至很小。

日照时数是太阳辐射直射光实际照射的时间，以小时为单位，是农业利用的一个光资源指标，利用某一地区的日照时数以及其他气象指标，可估算出该地区辐射资源的数量。本实施例中日照时数传感器选择锦州阳光气象科技有限公司生产的型号为TBS-2A的日照时数传感器，本型号的日照时数传感器能够精确跟踪太阳获得日照时数。

光合有效值传感器用于测量400～700nm波长范围内的自然光的光合有效辐射，可以采用锦州阳光气象科技有限公司生产的TBQ-5型光合有效传感器，该传感器采用硅光探测器，通过一个400～700nm的光学滤光器，当有光照时，产生一个与入射辐射强度成正比的电压信号，并且其灵敏度与入射光的直射角度的余弦成正比。每台光合有效辐射表都给出各自的灵敏度，并可以直接读出测量数值。

总辐射传感器用于测量太阳总辐射，可以采用北京方大天云科技有限公司生产的SKY-TBQ-2太阳辐射测试仪，可精确标定太阳总辐射传感器，具有灵敏度高、响应快、数值稳定、性价比好的特点。同时配置一个进口数字温度传感器，与辐射值同步测试，传感器响应时间短，精度高(常温达±0.2℃)

净辐射能量是构成宽阔的植物群落的蒸腾和光合作用的热平衡的测定基础。它是太阳辐射与地面辐射的净差值，其主要指光谱范围为0.27～3μm的短波辐射和3～50μm的地球辐射。净辐射表是专业测量净辐射的精密仪表。净辐射传感器可以采用锦州阳光气象科技有限公司生产的TBB-1型净辐射表。

直接辐射传感器可以选用锦州阳光气象科技有限公司生产的TBS-2-2型直接辐射表，测量光谱范围为0.3μm-3μm的太阳直辐射量，当太阳直辐射量超过120W/m²时与日照时数记录仪连接，也可直接测量日照时数。

紫外辐射传感器用于检测林区的紫外辐射，可以采用锦州阳光气象科技有限公司生产的TBQ-ZW-2型紫外传感器，该传感器具有体积小、灵敏度高、抗可见光干扰能力强、功耗低、寿命长等优点。早期的紫外传感器是基于硅材料，但由于硅基光电二极管对可见光有强烈的响应，形成本来不需要的电信号，导致测量精度不高；GaN紫外传感器恰恰克服了硅基光电二极管这一本征限制，其精度远远高于硅基紫外传感器。

植物参数监测传感器组包括：植物茎干水分传感器、针式植物茎干水分传感器、叶温传感器以及植物茎流传感器。

叶温传感器，用于监测植物冠层的温度，可以选择Campbell公司公司生产的SI-111型红外叶温传感器，其测量范围为-10-70℃，工作温度为-55-80℃。

植物茎流传感器可以选择北京华益瑞科技公司生产的SGB包裹式茎流计，SGB包裹式茎流计非常适用于茎流研究项目，尤其是需要测量径向延伸茎流的研究，可以准确地绘制树木的茎流结构图。

在上述实施例的基础上，图2示出了数据采集与处理装置的结构框图，如图所示，数据采集与处理装置包括：

传感器数据采集电路，输入端与微环境监测传感器组的输出端连接。传感器数据采集电路用于接收微环境监测传感器组输出的各项监控数据，需要说明的是，微环境监测传感器组中的各个传感器输出的是模拟电流信号或模拟电压信号，传感器数据采集电路将模拟电流信号转换为模拟电压信号(若输入的是模拟电压信号则不作处理)，并进一步进行放大、滤波以及模数转换处理，最终得到处理器可以识别的数字信号。

微处理器，输入端与传感器数据采集电路的输出端连接。微处理器用于将数字信号进行显示格式和存储格式的转换，获得数据显示电路可以显示以及数据存储电路可以存储的监测项目，微处理器可以选用ATMEGA2560单片机。该单片机的内核位数为8位，主频速度16MHz，2.7～5.5V宽电压供电，具有8K字节的SRAM和256K字节的FLASH存储器，具有可靠性高、功耗低、速度快、价位低等优点。

数据显示电路，输入端与微处理器的输出端连接，数据显示电路包括彩色LCD显示器以及LCD显示接口，LCD显示接口与微处理器连接，接收彩色LCD显示器可以显示的检出项目，例如显示当前温度是26℃。

数据存储电路，输入端与微处理器的输出端连接，数据存储电路有SD存储卡以及SD存储接口构成，用于存储微处理器输出的各个监测数据。SD存储卡可以选择金士顿生产的SD存储卡。

无线通信电路，输入端与微处理器的输出端连接，输出端与云服务器通信连接，通信电路用于接收微处理器发送的经过显示格式和/或存储格式的转换后的数据，并将数据发送至云服务器中，云服务器用于保存这些数据，以便工作人员随时浏览。

电压变换电路，输入端与供电装置的输出端连接，电压变换电路的输出端与微处理器、数据显示电路、数据存储电路、通信电路以及微环境监测传感器组连接。

需要说明的是，常规的供电装置通常供应的是220V的市压，而本实用新型中上述的各电子元件并不需要这么高的电压，因此电压转换电路可以将供电装置输出的电压转换至合适的电压水平，保证各电子元件的稳定工作。

图3示出了供电装置的功能框图，如图3所示，供电装置包括：

220V市电输入电路和太阳能板；

需要说明的是，220V市电输入电路和太阳能板各自独立，220V市电输入电路用于输出220V市电，太阳能板则通过将太阳能转换为电能进行输出。

太阳能市电互补控制器，输入端与220V市电输入电路和太阳能板连接。可以采用美阳新能源科技有限公司生产的型号为MYSMC-L105的太阳能市电互补控制器。

利用太阳能照明是人类开发利用太阳能的一个主要手段，但是，太阳能辐射具有不连续性和间歇性，而且，目前单纯的太阳能供电系统的投资和成本较高、部分技术不够成熟，因此，太阳能供电系统经常会在连续阴雨天时，因蓄电池电压不足而出现负载不能点亮的情况。

市电互补控制器用于市电与太阳能互补系统。天气晴好，太阳能工作状态良好时，由太阳能板供电。当天气不理想，太阳能无法充满电池消耗的能量，为保证供电，控制器切换到市电输入，通过控制器转换之后为光源供电。

由于在距离地面较低的空间内生物和漂浮的微型颗粒物较多，监测的大气参数和高空的大气参数相比常存在较大误差，同时，由于林业微环境系统中距离地面越低，植被的种类和数目越多，在距离地面交底的空间内获得的光照参数因受树木遮挡的影响并不准确。因此，需要将大气参数监测传感器组和光照参数监测传感器组设置在较高的空间。

在上述各实施例的基础上，本林业微环境监测系统还包括塔架，大气参数监测传感器组、光照参数监测传感器组和太阳能板设置在塔架的上部，以更准确地监测大气参数和光照参数。为了最大化利用塔架的空间，在塔架的中部设置一个箱体，在箱体中放置数据采集与处理装置和太阳能市电互补控制器，这样设置一方面能够保数据采集与处理装置、供电系统和微环境监测传感器组之间的物理距离较近，相应节省数据线和数据的传输时间，同时将数据采集与处理装置和太阳能市电互补控制器放置在箱体中，能够关键装置不被森林中的动物损坏，同时还能防止被风吹雨淋。

在上述各实施例的基础上，传感器数据采集电路包括：

模拟电流电压转换模块，输入端与微环境监测传感器组的输出端连接，用于将模拟电流信号转换为模拟电压信号，例如，可以采用ISOEM-A4-P3-O7芯片。

运算放大器，输入端与模拟电流电压转换模块连接，用于将模拟电压信号进行放大和滤波，例如，可以采用AD623运算放大器；

AD转换芯片，输入端与运算放大器的输出端连接，AD转换芯片的输出端与微处理器的输入端连接，AD转换芯片用于将放大后的模拟信号转换为16位精度的数字信号，例如，可以采用AD7792芯片。

在上述各实施例的基础上，太阳能板采用一块输出12V电压、额定输出功率75W的多晶太阳能电池板，市电太阳能互补控制器采用12V电压输出，额定电流15A的太阳能市电互补控制器，具有过充、过放、电子短路、过载保护、蓄电池反接保护、太阳能电池反接等保护，其中220V市电输入电路使用开关稳压电源，将220V交流电转换为12V直流电再接入控制器。

在上述各实施例的基础上，电压变换电路输入为直流+12V，通过直流稳压芯片实现输出直流+12V电压、直流+5V电压、直流+3.3V电压、直流+2.5V电压。

直流+12V电压给无线通讯模块、工作电压为+12V的降雨量传感器、二氧化碳浓度传感器、负氧离子浓度传感器、土壤酸碱度传感器、大气蒸发量传感器供电。

直流+5V电压给模拟电流电压转换模块、运算放大器、AD转换芯片、工作电压为+5V的土壤分层温度传感器组、风速传感器、土壤分层湿度传感器组、土壤电导率传感器、光照强度传感器、日照时数传感器、光合有效值传感器、总辐射传感器、净辐射传感器、直接辐射传感器、紫外辐射传感器、植物茎流传感器供电。

直流+3.3V电压给微处理器供电。

直流+2.5V电压给工作电压为+2.5V的植物茎干水分传感器、叶温传感器供电。

上述各个传感器输出0-20mA的模拟电流信号或0-2.5V的模拟电压信号至数据采集与处理装置。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种林业微环境监测系统，其特征在于，包括：

微环境监测传感器组，包括土壤参数监测传感器组、大气参数监测传感器组、光照参数监测传感器组以及植物参数监测传感器组；以及

数据采集与处理装置，输入端与所述微环境监测站的输出端连接，所述数据采集与处理装置的输出端与云服务器连接。

2.如权利要求1所述的林业微环境监测系统，其特征在于，所述土壤参数监测传感器组包括土壤分层湿度传感器组、土壤分层温度传感器组、土壤电导率传感器以及土壤酸碱度传感器；

所述大气参数监测传感器组包括风速传感器、风向传感器、降雨量传感器、大气蒸发量传感器、二氧化碳浓度传感器以及负氧离子浓度传感器；

所述光照参数监测传感器组包括光照强度传感器、日照时数传感器、光合有效值传感器、总辐射传感器、净辐射传感器、直接辐射传感器以及紫外辐射传感器；

所述植物参数监测传感器组包括植物茎干水分传感器、针式植物茎干水分传感器、叶温传感器以及植物茎流传感器。

3.如权利要求2所述的林业微环境监测系统，其特征在于，还包括：

供电装置，与所述监测传感器组以及数据采集与处理装置连接，用于向所述微环境监测传感器组以及数据采集与处理装置供电。

4.如权利要求3所述的林业微环境监测系统，其特征在于，所述数据采集与处理装置包括：

传感器数据采集电路，输入端与所述微环境监测传感器组监测传感器组的输出端连接；

微处理器，输入端与所述传感器数据采集电路的输出端连接；

数据显示电路，输入端与所述微处理器的输出端连接；

数据存储电路，输入端与所述微处理器的输出端连接；

无线通信电路，输入端与所述微处理器的输出端连接，输出端与所述云服务器无线通信连接；以及

电压变换电路，输入端与所述供电装置的输出端连接，所述电压变换电路的输出端与所述微处理器、数据显示电路、数据存储电路、无线通信电路以及所述微环境监测传感器组站连接。

5.如权利要求4所述的林业微环境监测系统，其特征在于，所述供电装置包括：

220V市电输入电路和太阳能板；

太阳能市电互补控制器，输入端与所述220V市电输入电路和太阳能板连接。

6.如权利要求5所述的林业微环境监测系统，其特征在于，还包括塔架，所述塔架的上端设置所述大气参数监测传感器组、光照参数监测传感器组以及太阳能板，所述塔架的中端设置箱体，所述箱体中设置所述数据采集与处理装置和太阳能市电互补控制器。

7.如权利要求5所述的林业微环境监测系统，其特征在于，所述传感器数据采集电路包括：

模拟电流电压转换模块，输入端与所述微环境监测传感器组的输出端连接；

运算放大器，输入端与所述模拟电流电压转换模块连接；

AD转换芯片，输入端与所述运算放大器的输出端连接，所述AD转换芯片的输出端与微处理器的输入端连接。