于慧伶 梁玉亮 龐振男 薛錚 朱伊楓

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

?

基于多傳感器融合的珍稀樹(shù)木立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1)

于慧伶 梁玉亮 龐振男 薛錚 朱伊楓

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

針對(duì)現(xiàn)有的人員巡更存在的監(jiān)管不力問(wèn)題，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出了一種多傳感器融合的珍稀樹(shù)木監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用溫濕度傳感器采集土壤水分與環(huán)境信息，融合熱釋紅外傳感器、震動(dòng)與聲音傳感器實(shí)現(xiàn)防破壞保護(hù)；當(dāng)周?chē)h(huán)境發(fā)生異常時(shí)，控制模塊與GPRS模塊通信，完成現(xiàn)場(chǎng)情況的捕捉，并將圖像發(fā)送至服務(wù)器；工作人員可以通過(guò)手機(jī)APP端獲取樹(shù)木周?chē)母黜?xiàng)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)珍稀樹(shù)木的立體式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及保護(hù)功能。

珍稀樹(shù)木保護(hù)；物聯(lián)網(wǎng)；多傳感器融合

珍稀樹(shù)木屬于品種稀有且瀕臨滅絕的樹(shù)種，具有材質(zhì)好、壽命較長(zhǎng)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，對(duì)其開(kāi)展合理保護(hù)有利于充分發(fā)揮其生態(tài)功能、經(jīng)濟(jì)與人文價(jià)值。當(dāng)前，生態(tài)環(huán)境破壞日益嚴(yán)重，我國(guó)眾多名貴樹(shù)木已瀕臨滅絕[1-2]。隨著社會(huì)各行業(yè)的高速發(fā)展，人們對(duì)環(huán)境的保護(hù)意識(shí)也越來(lái)越強(qiáng)[3-4]，珍稀樹(shù)木是具有重要經(jīng)濟(jì)文化價(jià)值的植物資源，我們應(yīng)當(dāng)重視其生長(zhǎng)環(huán)境及對(duì)樹(shù)木本身的防破壞與保護(hù)。目前，對(duì)珍稀樹(shù)木的土壤監(jiān)測(cè)主要通過(guò)探針探測(cè)儀來(lái)實(shí)現(xiàn)；而防破壞監(jiān)測(cè)主要采用多點(diǎn)視頻監(jiān)控配合人工巡查方式進(jìn)行，少數(shù)林區(qū)還通過(guò)植入RFID芯片完成珍貴樹(shù)木的保護(hù)。大范圍的視頻防盜監(jiān)測(cè)方法存在盲區(qū)且需要人力監(jiān)控等缺點(diǎn)；植入RFID芯片的方法雖然可以在樹(shù)木通過(guò)閘點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生信號(hào)報(bào)警，但是，當(dāng)RFID芯片被移除后，防盜系統(tǒng)將失效，而且該方法不能發(fā)現(xiàn)破壞行為，因而不能及時(shí)有效保護(hù)樹(shù)木[5-7]。

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，目前已成功應(yīng)用在多個(gè)行業(yè)[8-10]。該技術(shù)利用通信技術(shù)把傳感器、控制器、機(jī)器、人員和物等通過(guò)新的方式聯(lián)在一起，實(shí)現(xiàn)信息化、遠(yuǎn)程管理控制和智能化的網(wǎng)絡(luò)。筆者提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的珍稀樹(shù)木立體式監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用多傳感器、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與視頻監(jiān)控相結(jié)合，用戶(hù)可以通過(guò)手機(jī)在APP端對(duì)樹(shù)木的生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，同時(shí)可以在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)不法分子的盜伐、破壞行為，從而減輕工作人員的壓力，有效保護(hù)珍稀樹(shù)木的安全。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)邏輯上可劃分為現(xiàn)場(chǎng)控制站、服務(wù)器子系統(tǒng)和手機(jī)APP監(jiān)測(cè)3個(gè)子系統(tǒng)，該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示?，F(xiàn)場(chǎng)控制站是以單片機(jī)作為控制的核心，以GPRS模塊作為信息的發(fā)送單元，通過(guò)采集溫濕度、紅外信號(hào)、震動(dòng)信號(hào)以及聲音信號(hào)組成了一種立體式監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取樹(shù)木及周?chē)挠嘘P(guān)信息?，F(xiàn)場(chǎng)控制站由溫濕度檢測(cè)模塊、現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)情況監(jiān)測(cè)模塊、視頻監(jiān)控模塊以及GPRS模塊組成，且各模塊均安裝在被保護(hù)的樹(shù)木上。

圖1 珍稀樹(shù)木的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)總體框架

2 系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示，系統(tǒng)硬件部分主要由10個(gè)部分組成，包括主控芯片、聲音傳感器模塊、震動(dòng)傳感器模塊、熱釋電紅外傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊、攝像頭、閃光燈、GPRS模塊、服務(wù)器以及上位機(jī)。

圖2 系統(tǒng)的硬件框圖

2.2 現(xiàn)場(chǎng)控制站

為了實(shí)現(xiàn)珍稀樹(shù)木的立體式監(jiān)控保護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)控制站必須具備信息檢測(cè)、視頻監(jiān)測(cè)等功能，通過(guò)融合多傳感器的輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)的準(zhǔn)確報(bào)警。

2.2.1 溫濕度信息檢測(cè)

土壤的溫濕度對(duì)于樹(shù)木的生長(zhǎng)狀況具有重要的影響。采用溫濕度一體傳感器SHT21對(duì)珍稀樹(shù)木周?chē)耐寥肋M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，傳感器不但可以獲取土壤附近濕度，而且可以判斷環(huán)境溫度，避免火災(zāi)對(duì)珍稀樹(shù)木的破壞。傳感器輸出信號(hào)采用電流環(huán)傳送技術(shù)，具有抗干擾能力強(qiáng)、傳送距離遠(yuǎn)、測(cè)量精度高、響應(yīng)快的特點(diǎn)。

2.2.2 現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)情況信息檢測(cè)

通過(guò)對(duì)珍稀樹(shù)木周?chē)h(huán)境考察，以及模擬人體實(shí)施破壞行為所產(chǎn)生的各種特征，選取了紅外、震動(dòng)、聲音信號(hào)進(jìn)行報(bào)警分析，通過(guò)各傳感器的組合報(bào)警以提高報(bào)警的準(zhǔn)確率。

熱釋電紅外傳感器(PIR)：人的體溫在37 ℃附近，會(huì)輻射出10 μm的遠(yuǎn)紅外線(xiàn)，熱釋電紅外傳感器鑒于該特征來(lái)進(jìn)行人體檢測(cè)。首先人發(fā)出的10 μm紅外線(xiàn)通過(guò)PIR前段的菲尼爾透鏡聚集到紅外感應(yīng)源上，然后信號(hào)經(jīng)過(guò)PIR后端的運(yùn)放放大后，產(chǎn)生模擬電壓值信號(hào)，通過(guò)信號(hào)比較判斷是否存在入侵隱患。

震動(dòng)傳感器：人在實(shí)施破壞及盜伐行為時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的機(jī)械震動(dòng)信號(hào)，盜伐破壞行為產(chǎn)生的震動(dòng)信號(hào)存在很大的隨機(jī)性以及不確定性，為使震動(dòng)信號(hào)能在第一時(shí)間被采集，選用一種靈敏的震動(dòng)傳感器(801S)。震動(dòng)信號(hào)采用模擬量輸出，在未檢測(cè)到震動(dòng)信號(hào)時(shí)，輸出端輸出低電壓值；在檢測(cè)到震動(dòng)信號(hào)之后，輸出高電壓。

聲音傳感器：聲音也是一項(xiàng)會(huì)產(chǎn)生明顯變化的參數(shù)，通過(guò)聲音傳感器對(duì)珍稀樹(shù)木周?chē)h(huán)境的聲音變化進(jìn)行檢測(cè)。該傳感器信號(hào)以模擬量形式輸出，響度越大傳感器輸出的模擬量值越大，為了排除周?chē)肼暤挠绊?，加入了噪聲電阻或軟件濾波。

2.2.3 視頻監(jiān)測(cè)

視頻監(jiān)控是利用傳感器發(fā)出的警報(bào)信號(hào)觸發(fā)攝像頭記錄現(xiàn)場(chǎng)信息，并抓拍現(xiàn)場(chǎng)圖像傳送到手機(jī)APP客戶(hù)端。攝像頭選擇MT9V034，像素為752×480，全幀輸出速度為60幀/s，該攝像頭靈敏度達(dá)到4.8 V·lx-1·s-1，在光線(xiàn)較暗的條件下也可以清晰地成像，同時(shí)系統(tǒng)也會(huì)判斷圖像是否過(guò)暗，從而選擇是否開(kāi)啟閃光燈進(jìn)行補(bǔ)光以提高圖像清晰度。

2.3 服務(wù)器子系統(tǒng)

服務(wù)器子系統(tǒng)主要包括Web、數(shù)據(jù)庫(kù)和服務(wù)器。服務(wù)器負(fù)責(zé)與各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站通信，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)獲取各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站數(shù)據(jù)，并將其及時(shí)保存至數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，Web負(fù)責(zé)將這些數(shù)據(jù)發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)，工作人員通過(guò)手機(jī)APP遠(yuǎn)程查看信息和接收警報(bào)。

2.4 遠(yuǎn)程信息監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

遠(yuǎn)程信息監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)可以采用PC機(jī)或方便的移動(dòng)通信設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，針對(duì)監(jiān)控對(duì)象，系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)了APP參數(shù)監(jiān)控軟件，所有安裝了監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)的樹(shù)木均可以通過(guò)此APP進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)監(jiān)測(cè)可視化。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)軟件

針對(duì)手機(jī)用戶(hù)開(kāi)發(fā)的APP軟件界面如圖3所示，該界面完成了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)多棵珍稀樹(shù)木的在線(xiàn)集中監(jiān)測(cè)，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)控制站判斷出現(xiàn)異常情況時(shí)，會(huì)給出報(bào)警信息，同時(shí)記錄下報(bào)警畫(huà)面。

3.2 下位機(jī)編程

下位機(jī)采用C語(yǔ)言對(duì)STM32F103VET6單片機(jī)開(kāi)發(fā)。控制系統(tǒng)的流程如圖4所示。系統(tǒng)使用震動(dòng)傳感器、聲音傳感器，以及熱釋電紅外傳感器作為環(huán)境信息來(lái)源，采用多傳感器融合的方法對(duì)周?chē)h(huán)境的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而降低了誤判行為。當(dāng)傳感器接收到信號(hào)并判斷存在破壞行為后，觸發(fā)攝像頭進(jìn)行拍攝。系統(tǒng)可以對(duì)圖像灰度直方圖進(jìn)行計(jì)算，如果較暗將開(kāi)啟閃光燈進(jìn)行重新拍攝，提供清晰可靠的圖像，危險(xiǎn)情況產(chǎn)生時(shí)將環(huán)境信息和攝像頭圖像通過(guò)GPRS模塊上傳到服務(wù)器，上位機(jī)與服務(wù)器建立網(wǎng)絡(luò)連接，監(jiān)控人員可通過(guò)上位機(jī)看到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的報(bào)警信息。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)珍稀樹(shù)木監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.3 專(zhuān)家系統(tǒng)設(shè)計(jì)

內(nèi)嵌的專(zhuān)家系統(tǒng)主要用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳感器的融合判斷分析，進(jìn)而提高報(bào)警的準(zhǔn)確率。知識(shí)庫(kù)采用正向推理，采用產(chǎn)生式規(guī)則表示。珍稀樹(shù)木監(jiān)測(cè)狀態(tài)分為：正常、擾動(dòng)、危險(xiǎn)，相應(yīng)的執(zhí)行措施分別為策略1、策略2和策略3。策略1：當(dāng)系統(tǒng)判斷存在危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警，并抓拍現(xiàn)場(chǎng)畫(huà)面發(fā)送到上位機(jī)；策略2：若系統(tǒng)判斷存在擾動(dòng)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)將提高傳感器采樣頻率，進(jìn)而密切關(guān)注其變化；策略3：不采取動(dòng)作。系統(tǒng)分別設(shè)置了振動(dòng)上限M，聲音上限N，人體感應(yīng)情況上限O，溫度下限P1和溫度上限P2，濕度下限Q1和濕度上限Q2；m(t)表示振動(dòng)強(qiáng)度模擬量數(shù)值，n(t)表示聲音響度模擬量數(shù)值，o(t)表示熱釋電傳感器模擬量數(shù)值，p(t)表示讀取的數(shù)字信號(hào)溫度值，q(t)表示讀取的數(shù)字信號(hào)濕度值，專(zhuān)家規(guī)則如表1所示。

圖4 監(jiān)控流程圖

序號(hào)振動(dòng)情況聲音情況人體感應(yīng)情況溫度情況濕度情況環(huán)境狀況措施1M

4 結(jié)論與展望

介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的珍稀樹(shù)木立體式監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)與軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)與系統(tǒng)之間的無(wú)線(xiàn)通訊，利用溫濕度傳感器實(shí)現(xiàn)了珍惜樹(shù)木土壤環(huán)境的監(jiān)控，通過(guò)紅外、震動(dòng)、聲音等傳感器的融合使用完成了樹(shù)木的破壞性保護(hù)。采用攝像頭實(shí)現(xiàn)樹(shù)木現(xiàn)場(chǎng)的整體宏觀監(jiān)控，系統(tǒng)通過(guò)制定多傳感器融合的報(bào)警策略，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)珍稀樹(shù)木的遠(yuǎn)程立體式實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)，提高了報(bào)警準(zhǔn)確率。此外，系統(tǒng)還具有成本低、參數(shù)可調(diào)整的特點(diǎn)。

[1] 鄭加強(qiáng)，徐幼林.精確林業(yè)傳感技術(shù)和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展[J].林業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，1(2)：9-16.

[2] 肖瑾瑜.基于物聯(lián)網(wǎng)的古樹(shù)名木管理系統(tǒng)研究開(kāi)發(fā)[J].湖南林業(yè)科技，2014，41(1)：102-106.

[3] 王艷.基于物聯(lián)網(wǎng)的森林病蟲(chóng)害防治智能傳感系統(tǒng)研究[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2012.

[4] 劉丹，王霓虹.基于森林火災(zāi)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的物聯(lián)網(wǎng)定位算法應(yīng)用[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，39(8)：131-133.

[5] 朱偉興，戴陳云，黃鵬.基于物聯(lián)網(wǎng)的保育豬舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(11)：177-182.

[6] 王文華，岳維光，王宇飛，等.多傳感器無(wú)線(xiàn)智能水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2016，24(7)：135-140.

[7] 翟順，王衛(wèi)紅，張衎，等.基于SIM900A的物聯(lián)網(wǎng)短信報(bào)警系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35(5)：86-89.

[8] 謝碧鋒，張聚.基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的家庭防盜控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，39(2)：181-186.

[9] 賈國(guó)材，姚琳，林福宏，等.基于GPRS的家庭防盜報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].成都信息工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，28(5)：474-480.

[10] 景雨，杜振軍.基于GPRS短信息的GPS汽車(chē)定位與防盜系統(tǒng)的研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2007，28(17)：4315-4318.

Three-dimensional Monitoring of Rare Tree Protection by the Internet of Things

Yu Huiling, Liang Yuliang, Pang Zhennan, Xue Zheng, Zhu Yifeng

(Northeast Forestry University, Harbin 150040 P. R. China)

Journal of Northeast Forestry University，2016,44(12)：91-93.

By the internet of things, we introduced a multi-sensor fusion method to monitor the rare trees, which used temperature and humidity sensors to monitor soil information, and employed pyro electric infrared sensors, vibration and sound sensors to achieve security protection. When something is unusual in the surroundings, control module will communicate with GPRS module, and sends the environment information to the server. Stuff can get the information around the trees through the mobile APP to achieve real-time monitoring for the rare trees.

Rare trees protection； The internet of things； Multi-sensor fusion

1)國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201610225048、201510225096)。

于慧伶，女，1980年10月生，東北林業(yè)大學(xué)信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，副教授。E-mail：yhl2016@163.com。

2016年5月23日。

S76；TP732

責(zé)任編輯：戴芳天。