一種大范圍土壤碳通量監測系統及方法

專利名稱：一種大范圍土壤碳通量監測系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種大范圍土壤碳通量監測系統及方法，屬于地球土壤與大氣化學監測技術領域。
背景技術：
為了解決氣候變暖問題，發達國家推動全球建立了一套二氧化碳排放權交易系統，簡稱“碳交易”系統。它是一種向各國分配二氧化碳排放配額，并把配額投放到市場上進行交易，從而降低二氧化碳排放量的一種市場化環境保護體系。碳交易市場發展非常迅猛。例如，2005年京都議定書正式生效后，全球碳交易市場出現了飛速增長的態勢。2007年，全球碳交易量從2006年的16億噸躍升到27億噸，上升 68.75%。碳交易成交額增長非常迅猛。例如，2007年，全球碳交易金額達400億歐元，比 2006年的220億歐元上升了 81.8%。2010年，全球碳交易額已超過930億歐元。到2020 年，全球碳交易額預計將達到3. 5萬億美元，可能超過石油行業，成為全球第一大能源交易市場。一些國家或地區強制推廣碳交易，將極大地促進碳交易市場的擴張。例如，根據歐盟法律，從2012年1月起，全球航空業被納入歐盟碳排放交易機制，開辟歐盟航線的外國航空公司全部被納入這一機制。為此，中國國航在2012年預計需要向歐盟繳納約3400萬歐元的二氧化碳排放量購買費用。為了抵制不公平的碳交易體制，中國的國航、南航、東航正醞釀與中航協一起，共同向歐盟提起訴訟。碳交易不但已成為貿易壁壘，而且在全球已演化為核心的經濟、政治問題。發達國家認為，中國是制造業大國，中國基本上占據了 60%多的CDM市場份額，因此發達國家對中國提出了越來越多的環境保護約束，對中國的國家碳配額提出了非常苛刻的要求。實際上，中國的碳排放在很大程度上是為發達國家提供消費品和工業品；而且，中國擁有非常龐大的地下碳庫，尤其中國有世界上最大的竹林，對氣碳的土壤固化能力非常強。盡管中國是世界上工業氣碳的最大排放國，但中國也可能是世界上最大的氣碳植被土壤固化國，可能擁有世界上最大的地下碳庫。如果這個大規模、高速度消耗氣碳的地下碳庫真的存在，而且擁有此北美、西歐、日本等發達地區擁有的植被環境更強大、更快速的氣碳消耗能力，那么中國應當在碳交易全球配額體系中擁有主導性話語權。目前，公開發表的文獻，以及公開銷售、展示的土壤碳通量監測設備不能滿足我國土壤碳通量測量的需求，不能為我國地下碳庫的土壤碳通量測量提供技術支持。其主要技術缺陷如現有的土壤碳通量監測設備、系統、方法都不能實現無人遠程監測，而且沒有出現自動化的聯網監測產品，不能采集廣域野外環境的碳通量海量數據。與水文、雨雪等地球或大氣環境的自動化聯網監測實踐不同，碳通量的大范圍監測設備需要進行一系列的機械操作，機械故障多，測量環境的自動化創建難度大，設備耗電量大，其軟件創新和硬件集成的難度很大。現有設備只能單機本地測量，必須由測量人員在現場激發測量裝置，并當場抄錄測量數據，遠未實現測量室的遠程啟閉控制。截至目前，國內外沒有出現能夠完全無人看護、數據無線共享、遠程響應機械操作、隨時監控自身設備狀態、具有自我電量維持管理功能的碳通量測量系統。更沒有相關文獻發表。現有設備只能在現場關閉測量室，而且測量室僅僅為碳通量測量設備提供氣門， 僅能實現測量室內外的大氣交換。為了獲取精確的測量數據，測量室內外需要具有相同的溫度、濕度、水文、大氣環境。這就需要實現測量室的整體性開啟與關閉，而不僅是設置氣門。實現該整體性啟閉的遠程電力控制系統并未出現在碳通量檢測設備與無線傳感器網絡設備中。現有設備的土壤碳通量數據采集方式非常單一，獲取的數據不能為廣域、定時、采樣分析提供數據支撐，更不能實現智能化、多樣化的數據采集操作。而且，現有設備每臺的價格高達數十萬元人民幣，從費用上不能滿足大量設備的智能布網需求。現有設備的耗電量大，設備自持周期太短，更不能獲取太陽能，無法實現大量設備的智能化布網。總之，現有設備應用的土壤碳通量監測系統、方法、網絡都需要進行大規模革新， 從而為建立新的土壤碳通量監測機制提供基礎性硬件、軟件技術，為我國地下碳庫的土壤碳通量測量提供技術支持。

發明內容
本發明公開了一種大范圍土壤碳通量監測系統，包括至少一個無線傳感器節點， 所述無線傳感器節點包括硬件系統和軟件系統；所述硬件系統包括電路器件、機械器件； 其特征在于，所述電路器件包括至少一個無線傳感器網絡接入模塊；所述無線傳感器網絡接入模塊包括微控制單元、無線收發器；所述電路器件還包括至少一個(X)2傳感器測量模塊；所述(X)2傳感器測量模塊包括至少一個紅外二氧化碳傳感器；所述電路器件還包括至少一個主控制電路，所述主控制電路包括穩壓電路、CO2傳感器驅動電路、電機驅動電路。所述的一種大范圍土壤碳通量監測系統，其特征在于，所述電路器件還包括至少一個顯示模塊，所述顯示模塊包括至少一個液晶、LED或OLED顯示模塊。所述的一種大范圍土壤碳通量監測系統，其特征在于，所述電路器件還包括至少一個溫濕度傳感器測量模塊，所述溫濕度傳感器測量模塊將傳感元件和信號處理電路集成在一塊微型電路板上，輸出完全標定的數字信號；所述溫濕度傳感器測量模塊還包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個用能隙材料制成的測溫元件，并在同一芯片上，與14位的A/D轉換器以及串行接口電路實現無縫連接。所述的一種大范圍土壤碳通量監測系統，其特征在于，所述電機驅動電路用于控制CO2測量室的打開與關閉；所述電機的工作由H橋電路控制，實施測量前，提供高電平控制電機正轉，關閉測量室；測量完畢后，提供高電平控制電機反轉，打開測量室。所述的一種大范圍土壤碳通量監測系統，其特征在于，所述監測系統的機械器件包括太陽能充電板、頂蓋、測量室，所述測量室包括測量室基座、固定中蓋和滑動蓋圍成的空間，所述滑動蓋開啟后，出現通風口。
所述的一種大范圍土壤碳通量監測系統，其特征在于，所述測量室內部部署有彈簧、墊圈、滑動蓋、電路板支架，所述彈簧在測量啟動前，用于密閉所述測量室，當滑動蓋向下移動直到緊觸墊圈，停止移動，測量室關閉，而在整個測量過程中，彈簧處于壓縮狀態，彈簧給墊圈向上的作用力，提高測量室的密封性。所述的一種大范圍土壤碳通量監測系統，其特征在于，所述滑動蓋通過至少一個絲桿和固定槽實施啟閉，滑動蓋的上下移動通過所述絲桿實現；絲杠是將回轉運動轉化為直線運動，或將直線運動轉化為回轉運動的一種傳動結構；所述滑動蓋與固定中蓋用固定槽相對固定，兩者無法進行相對的圓周運動，通過絲桿將回轉運動轉變為直線運動電路驅動電機轉動，電機帶動絲桿，絲桿使得滑動蓋上下移動，完成所述測量室的啟閉。所述的一種大范圍土壤碳通量監測系統，其特征在于，所述監測系統的軟件系統包括集成控制子系統、通訊子系統、電力管理子系統、機械控制子系統、信息采集子系統、設備監測與維護子系統、數據處理子系統、指令響應子系統；所述通訊子系統用于控制所述無線傳感器網絡接入模塊；所述信息采集子系統用于控制所述(X)2傳感器測量模塊；所述設備監測與維護子系統用于控制所述顯示模塊；所述信息采集子系統還可控制所述溫濕度傳感器測量模塊；所述集成控制子系統用于控制所述主控制電路模塊；所述電力管理子系統用于控制所述各電源模塊；所述機械控制子系統用于控制所述機械器件的運行；所述數據處理子系統用于控制所述數據傳輸電路；所述指令響應子系統能接收互聯網、無線傳感器網絡，或者其他有線或無線通信網絡發來的指令，通過所述集成控制子系統要求相關電路器件、機械器件或者軟件子系統作出操作或信號響應。所述大范圍土壤碳通量監測系統，其特征在于，所述電機驅動電路用于控制(X)2測量室的整體打開與關閉；所述測量室的整體打開操作用于為所述測量室提供與測量室外完全相同的溫度、濕度、水文、大氣環境。所述CO2測量室的整體打開方式包括，單側平移式展開、兩側平移式展開、開合式打開、翻開式打開、翻蓋式打開。所述單側平移式展開包括測量室上方的部件整體性向一側移開，使雨水可以垂直落入測量室內部的土壤；兩側平移式展開包括測量室上方的部件分成至少2部分各自整體性向不同的方向平移式移開；開合式打開包括測量室上方的部件分成至少2部分開合式展開，使雨水可以垂直落入測量室內部的土壤；翻開式打開包括測量室上方的部件向外側翻開，使雨水可以垂直落入測量室內部的土壤；翻蓋式打開包括測量室上方的部件作為蓋體翻開，使雨水可以垂直落入測量室內部的土壤。所述的一種大范圍土壤碳通量監測系統，其特征在于，所述監測系統的軟件系統包括輕量級線程技術模塊、主動消息通信技術模塊、事件驅動模式技術模塊、組件化編程技術模塊；其應用子程序設置為包括無線通訊子程序、顯示子程序、溫濕度傳感子程序、電機驅動子程序、位移檢測子程序、電源電壓檢測子程序、CO2傳感子程序。本發明還公開了應用所述監測系統的一種大范圍土壤碳通量監測方法，其特征在于，包括如下步驟Si.部署兩個以上無線傳感器節點，啟用至少一個無線傳感器網絡；S2.把Sl中的無線傳感器網絡接入局域網，或互聯網，或電信網，或廣電網，或所述網絡的融合網絡；S3.把至少一個遠程網絡終端接入S2中的所述網絡；所述終端包括手機、計算機、筆記本電腦、智能手機、平板電腦、智能上網設備；S4. S3中的網絡終端從所述Sl中的無線傳感器節點接收信息，或者向所述Sl中的無線傳感器節點發送指令。所述的一種大范圍土壤碳通量監測方法，其特征在于，所述無線傳感器網絡包括至少一個人機登陸界面，所述遠程網絡終端通過所述人機登陸界面的鑒權認證后，在其獲得的授權范圍內訪問所述無線傳感器網絡。所述的一種大范圍土壤碳通量監測方法，其特征在于，所述碳通量監測方法包括2 種碳通量測量方式(1)單次測量即在儀器現場，按動啟動按鍵，從顯示屏人工讀取測量結果，實現單次測量；(2)定時測量即通過服務器遠程設定定時時間，定時測量碳通量值。所述的一種大范圍土壤碳通量監測方法，其特征在于，所述碳通量監測方法包括4 種碳通量測量方式(1)隨機指定區域測量即通過服務器遠程發送隨機測量命令，無線傳感器網絡中的節點把所述命令發送給指定區域內的一個或者多個測量節點，采集指定區域內的碳通量；(2)隨機全網測量即通過服務器遠程發送隨機測量命令，無線傳感器網絡中的節點把所述命令發送給網絡中有效的全部測量節點，采集整個網絡覆蓋區域內的碳通量；(3)人機界面數據庫指令指定區域測量即通過一個人機界面設定數據庫參數， 數據庫根據設定的參數生成測量命令，所述無線傳感器網絡發來的環境信息滿足所述參數時，所述測量命令向所述服務器發出并執行，服務器遠程發送所述測量命令，無線傳感器網絡中的節點把所述命令發送給指定區域內的一個或者多個測量節點，采集指定區域內的碳通量，所述參數包括溫度、濕度、高度、位置、風速、時間、降雨量、植被密度、植被類型；(4)人機界面數據庫指令全網測量即通過一個人機界面設定數據庫參數，數據庫根據設定的參數生成測量命令，所述無線傳感器網絡發來的環境信息滿足所述參數時， 所述測量命令向所述服務器發出并執行，服務器遠程發送所述測量命令，無線傳感器網絡中的節點把所述命令發送給網絡中有效的全部測量節點，采集整個網絡覆蓋區域內的碳通量，所述參數包括溫度、濕度、高度、位置、風速、時間、降雨量、植被密度、植被類型。所述的一種大范圍土壤碳通量監測方法，其特征在于，每個測量節點一次完整的測量過程包括如下步驟Si.完全關閉測量室；S2. CO2傳感器預熱；S3.測量(X)2 濃度；S4.顯示或發送(X)2濃度數據并把該數據與測量時間、地點數據，以及測量(X)2濃度時獲取的溫度、濕度數據同時顯示或發送；S5.打開測量室，使測量室內部獲得與外部相同的溫度、濕度、水文、大氣環境。具體而言，本發明的大范圍土壤碳通量監測系統包含硬件系統和軟件系統；其中硬件系統包括電路器件、機械器件兩部分。本發明的大范圍土壤碳通量監測硬件系統的電路器件包括無線傳感器網絡接入模塊、CO2傳感器測量模塊、顯示模塊、溫濕度傳感器測量模塊、主控制電路模塊，具體如下1、無線傳感器網絡接入模塊。所述電路器件包括至少一個無線傳感器網絡接入模塊(如TelosB模塊)XO2傳感器測量模塊、主控制電路模塊；還可包括顯示模塊、溫濕度傳感器測量模塊。所述無線傳感器網絡接入模塊包括微控制單元、無線收發器，以及USB轉換器、低能耗電量管理器組成。所述無線傳感器網絡接入模塊與(X)2傳感器測量模塊、顯示模塊、溫濕度傳感器測量模塊、主控制電路模塊組成的一臺測試儀相當于無線網絡中的一個節點， 它具有感知CO2濃度、溫濕度，處理信息，通信的能力。所述節點具有質量輕、體積小、成本低的特點；因為它是在野外環境下工作，低能耗也是最重要的特點之一。所述節點通過無線傳感器網絡接入互聯網，將數據發送至用戶的計算機、筆記本電腦、平板電腦、智能上網設備或者手機上。這樣，用戶可不必身臨節點所處的環境，就能獲得該環境中的一些有用信息。2、CO2傳感器測量模塊。所述電路器件包括至少一個(X)2傳感器測量模塊。所述 CO2傳感器測量模塊包括至少一個紅外二氧化碳傳感器，其預留易插拔插針，方便用戶與其他設備連接使用；并且，所述(X)2傳感器測量模塊的輸出接口多樣，易于數據傳輸讀取，適合多種場合安裝和拆卸。3、顯示模塊。所述電路器件可包括一個顯示模塊。所述顯示模塊包括至少一個液晶、LED或OLED顯示模塊。其顯示模式包括光標顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式等。4、溫濕度傳感器測量模塊。所述電路器件可包括一個溫濕度傳感器測量模塊。所述溫濕度傳感器測量模塊將傳感元件和信號處理電路集成在一塊微型電路板上，輸出完全標定的數字信號；所述溫濕度傳感器測量模塊還包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個用能隙材料制成的測溫元件，并在同一芯片上，與14位的A/D轉換器以及串行接口電路實現無縫連接。每個傳感器芯片都在極為精確的濕度腔室中進行標定，校準系數以程序形式儲存在OTP內存中，用于內部的信號校準。兩線制的串行接口與內部的電壓調整，使外圍系統集成變得快速而簡單。其默認分辨率為14bit (溫度)和12bit (濕度)，但是在一些要求測量速度極高或者功耗極低的應用下，分辨率可降低為12it (溫度)和8it (濕度)。這能保證實現設計的低功耗目標在休眠狀態下，功率消耗僅2uW、電流為0. 3uA(最大為1. 5uA)；測量狀態下功率消耗為3mW，電流為0. 55mA(最大為ImA)；所述溫濕度傳感器測量模塊相對濕度測量精度典型值為士2% RH，溫度測量精度典型值為士0.3°C。5、主控制電路。所述電路器件包括至少一個主控制電路。所述主控制電路包括穩壓電路、(X)2傳感器驅動電路、電機驅動電路、數據傳輸電路(調壓)、電源監測電路、電源指示電路等，具體包括I)所述穩壓電路為微功耗的穩壓器的電壓輸入范圍為4. 5V 24V ；提供3. 3V或 5V的固定電壓輸出和可調電壓輸出(1. 25V VIN)。II)所述CO2傳感器驅動電路利用三極管的開關功能，在需要進行CO2測量時，產生控制信號，輸出12V工作電壓，用兩個三極管并聯產生足夠大的驅動電流驅動(X)2傳感器工作。III)所述電機控制電路用于控制CO2測量室的打開與關閉；所述電機的工作由H橋電路控制，實施測量前，提供高電平控制電機正轉，關閉測量室；測量完畢后，提供高電平控制電機反轉，打開測量室；即可完成一次CO2濃度的測量。所述電機轉動時，電流的大小與電機所受阻力有關，當所述電機驅動滑動蓋(具體見下文的機械器件模塊)向下移動時，流過電機的電流會發生變化，當滑動蓋碰到密封圈(具體見下文的機械器件模塊)時，電機運動遇到阻力，電流加大；繼續提供高電平，電機繼續工作，電流將繼續增加，而CO2測量室的密封性將越來越好；本發明設定電流增到一定的大小時，測量室的密封性達到CO2濃度測試需求；此時，電機停止工作，開始密閉環境下對土壤(X)2濃度的測量，系統預設一定時間的封閉采樣測量時間，本發明優選為2-4分鐘，再優選為3分鐘。封閉測量完成后，需打開測量室時，所述電機需反轉；電機反轉過程中并沒有遇到阻礙，所以其電流保持在一定范圍內，沒有太大波動。至于何時停止電機的反轉？本發明設定一定時間的電機反轉時間，該時間屆滿時，所述電機停止反轉，所述反轉時間優選為3-20 秒，再優選為5-10秒；在所述反轉停止前，滑動蓋移開，恢復測量室的通風環境。IV)所述數據傳輸電路用于把(X)2傳感器采集到的數據傳送給無線傳感器網絡接入模塊，由后者進行處理和傳輸。V)所述電源電壓監測電路用于監測電源電壓。他)所述電源指示電路用于指示電源。所述主控制電路還包括或連接到太陽能充電電路、測量室未密封報警電路、位移傳感器控制電路等。VII)所述太陽能充電電路用于啟動太陽能充電模塊。VIII)所述測量室未密封報警電路用于本發明硬件器件的設備報警。測量啟動前， 所述設備要進行測量室的密封動作；如果密封不到位，所述報警電路啟動報警操作，包括啟動蜂鳴器，或者發送遠程故障信號。IX)所述位移傳感器控制電路用于利用位移傳感器控制滑動蓋的移動距離。本發明采用直線位移傳感器實現該功能。本發明的機械器件包括太陽能充電板、頂蓋、固定中蓋、測量室基座等。其中，測量室包括測量室基座、固定中蓋和滑動蓋圍成的空間，滑動蓋開啟后，出現通風口 ；測量室基座內徑為5-40cm，優選為10-30cm，再優選為20cm。測量室內部可見彈簧、墊圈、滑動蓋、電路板支架等。所述彈簧主要功能是測量前，關閉測量室，當滑動蓋向下移動直到緊觸墊圈，停止移動，測量室關閉，而在整個測試過程中，彈簧處于壓縮狀態，彈簧給墊圈向上的作用力，能保證測量室更好的密封性。所述墊圈同樣是為了提高測量室的密封性，從而提高測量精度。頂蓋拆除后，可見電池支架、電機與位移傳感器支架、CO2傳感器固定裝置；下部設置有滑動蓋、絲桿、固定槽。滑動蓋的上下移動通過所述絲桿實現；絲桿是將回轉運動轉化為直線運動，或將直線運動轉化為回轉運動的一種傳動結構，這種運動具有很小的摩擦力。在整個機械器件中，由于滑動蓋與固定中蓋用固定槽相對固定了，兩者無法進行相對的圓周運動，因此可通過絲桿將回轉運動轉變直線運動電路驅動電機轉動，電機帶動絲桿，絲桿使得滑動蓋上下移動，完成測量室的打開與關閉。本發明的大范圍土壤碳通量監測軟件系統包括輕量級線程技術模塊、主動消息通信技術模塊、事件驅動模式技術模塊、組件化編程技術模塊。輕量級線程技術模塊和主動消息通信技術模塊能提高無線傳感器網絡的性能，發揮硬件的特點，大大降低其功耗，并且簡化了應用程序的開發難度。根據系統硬件的組成，將系統的應用子程序設置為包括無線通訊子程序、顯示子程序、溫濕度傳感子程序、電機驅動子程序、位移檢測子程序、電源電壓檢測子程序、CO2傳感子程序。本發明實現碳通量測量的方式主要有6種1、單次測量即在儀器現場，按動啟動按鍵，從顯示屏人工讀取測量結果，實現單次測量一次；2、定時測量即通過服務器遠程設定定時時間，定時測量碳通量值；3、隨機指定區域測量即通過服務器遠程發送隨機測量命令，無線傳感器網絡中的節點把所述命令發送給指定區域內的一個或者多個測量節點，采集指定區域內的碳通量；4、隨機全網測量即通過服務器遠程發送隨機測量命令，無線傳感器網絡中的節點把所述命令發送給網絡中有效的全部測量節點，采集整個網絡覆蓋區域內的碳通量；5、人機界面數據庫指令指定區域測量即通過一個人機界面設定數據庫參數，數據庫根據設定的參數生成測量命令，所述無線傳感器網絡發來的環境信息滿足所述參數時，所述測量命令向所述服務器發出并執行，服務器遠程發送所述測量命令，無線傳感器網絡中的節點把所述命令發送給指定區域內的一個或者多個測量節點，采集指定區域內的碳通量，所述參數包括溫度、濕度、高度、位置、風速、時間、降雨量、植被密度、植被類型等；6、人機界面數據庫指令全網測量即通過一個人機界面設定數據庫參數，數據庫根據設定的參數生成測量命令，所述無線傳感器網絡發來的環境信息滿足所述參數時，所述測量命令向所述服務器發出并執行，服務器遠程發送所述測量命令，無線傳感器網絡中的節點把所述命令發送給網絡中有效的全部測量節點，采集整個網絡覆蓋區域內的碳通量，所述參數包括溫度、濕度、高度、位置、風速、時間、降雨量、植被密度、植被類型等。所述第一種碳通量測量方式在現有技術中已經出現，但是公開發表的文獻與公開銷售、展示的產品中，沒有出現或包含第2-6種測量方式；能夠實現第2-6種測量方式的方法、儀器或者設備也沒有公開發表，或者公開銷售、展示。每個測量節點一次完整的測量過程如下LCO2傳感器預熱100秒；研究發現，對該傳感器先預熱，可以提高測量值的精確度。研究測定的預熱時間為至少20秒，優選為不低于100秒。2.電機正轉，位移傳感器每0. 1秒采樣一次，判斷測量室是否關閉；3. CO2濃度、溫濕度、電源電壓采樣3分鐘，同時IXD輸出顯示值，CCM20發送數據；4.電機反轉，位移傳感器每0.1秒采樣一次，判斷測量室是否完全開啟。從應用子系統看，本發明的應用程序可包含集成控制子系統、通訊子系統、電力管理子系統、機械控制子系統、信息采集子系統、設備監測與維護子系統、數據處理子系統、指令響應子系統。所述通訊子系統用于控制所述無線傳感器網絡接入模塊；所述信息采集子系統用于控制所述(X)2傳感器測量模塊；所述設備監測與維護子系統用于控制所述顯示模塊；所述信息采集子系統還可控制所述溫濕度傳感器測量模塊；所述集成控制子系統用于
1控制所述主控制電路模塊；所述電力管理子系統用于控制所述各電源模塊；所述機械控制子系統用于控制所述機械器件的運行；所述數據處理子系統用于控制所述數據傳輸電路； 所述指令響應子系統能接收互聯網、無線傳感器網絡，或者其他有線或無線通信網絡發來的指令，通過所述集成控制子系統要求相關電路器件、機械器件或者軟件子系統做出操作或信號響應。本發明的有益效果是，它可以幫助用戶在野外惡劣、長期無人看守環境下進行土壤碳通量監測設備節點的大量、快速部署，并在全自動的遠程環境下采集、無線發送海量數據，還能全自動地響應遠程指令，隨時啟動或停止測量進程。其測量精度高，測量范圍廣，測量速快，自動化水平高，具有廣闊的科研、商業應用前景。本發明的土壤碳通量監測系統由多個土壤碳通量測量器或節點組成，且都工作在野外環境，因此系統設計對能耗具有很高的要求。本發明在機械、電路器件的選用和電路設計、機械驅動中，最大化地解決了能耗問題，此國外需要人工抄取數據，不能無線聯網的同類設備可持續工作3倍以上的時間；在應用太陽能充電的情況下，本發明的能耗優勢更加明顯。


圖1是TelosB模塊與主電路的端口設置圖。其中，101是太陽能充電板；102是顯示屏；103是頂蓋；104是固定中蓋；105是通風口 ； 106是測量室基座。圖2是穩壓電路原理圖。其中，201是電路板支架；202是滑動蓋；203是墊圈；204
是彈簧。圖3是(X)2傳感器驅動電路原理圖。其中，301是電池支架；302是電機、位移傳感器支架；303是(X)2傳感器固定位置；203是墊圈。圖4是電機控制電路原理圖。其中，401是滑動蓋；402是絲桿；403是固定槽；104
是固定中蓋。圖5是數據傳輸電路原理圖。圖6是電源電壓監測電路原理圖。圖7是電路指示電路原理圖。圖8是太陽能充電電路圖。圖9是測量室未密封報警電路圖。圖10是位移傳感器電路圖。圖11是機械器件外觀圖。圖12是機械器件內視圖。圖13是機械器件解剖圖。圖14是機械器件制動機構圖。圖15是單次測量流程圖。圖16是定時測量流程圖。圖17是主程序流程圖。
具體實施例方式實施例1
本實施例的大范圍土壤碳通量監測系統包含硬件和軟件編程；其中硬件設計包括電路設計和機械設計兩大塊一、電路設計電路設計包含TelosB模塊、CO2傳感器測量模塊、顯示模塊、溫濕度傳感器測量模塊、主控制電路模塊。現對各模塊進行介紹1、TelosB 模塊TelosB是CroSSBoW(柯思博)公司Telos系列節點的Rev. B。在無線傳感器網絡中，每一個實體元素叫做傳感器節點。TelosB就是其中一種節點。大范圍土壤碳通量監測系統最終需要接入無線傳感器網絡。每一個由CO2傳感器測量模塊、溫濕度測量模塊以及 TelosB等模塊組成的一臺測試儀相當于無線網絡中的一個節點，它具有感知CO2濃度、溫濕度，處理信息，通信的能力。節點具有質量輕、體積小、成本低的特點，因其是工作在野外環境下，低能耗也是最重要的特點之一。節點可以將數據發送至用戶的本地計算機上。這樣， 用戶可不必身臨節點所處的環境，就能獲得該環境中一些有用信息。TelosB主要具有以下技術參數通信電波2. 4GHz無線電，250Kbps高速數據傳輸；MAC 協議 JEEE 802. 15. 4 ；與其他IEEE 802. 15. 4設備的互通性；MCU :8MHz 的 MSP430 (10K RAM, 48K 閃存)；具有ADC、DAC模塊、電源電壓監測和DMA控制器；內置天線(集成在電路板內)；集成濕度、溫度、光感應器；極低的電流消耗；極短的喚醒時間(< 6 μ S)；硬件鏈路層可加密認證；通過USB接口編程和收集數據；外圍擴展16腳，可用SMA接口進行天線連接；操作系統TinyOS;TelosB主要由微控制單元，無線收發器，以及USB轉換器組成；選用關鍵器件為 MSP430F1611、CC2420 和 FT232BM I)MSP430F1611TelosB模塊的低功耗特性與其微處理器(MSP430F1611)有很大的關系。 MSP430F1611具有IOKB的RAM，48KB的閃存和128B的信息存儲；它是一個16位的單片機， 采用了精簡指令集(RISC)結構，使得它具有極低的工作和休眠電流，這也保證了 TelosB能工作很長時間。MSP430有一個內部DCO數字振蕩器時鐘系統，頻率可達8MHz，6us內就能從休眠狀態喚醒(室溫下一般僅需^2ns。當DCO關閉時，MSP430還可以使用一個32468Hz 的晶體振蕩器。DCO的頻率會隨著電壓和溫度變化，但是它可以通過32KHz的振蕩器校正。 MSP還具有8個外部ADC和8個內部ADC端口，內部的ADC端口可以進行電源電壓監測；除此之外，它還具有很多的片內外設SPI、UART、數字I/O端口、看門狗等等；MSP430F1611還具有一個2端口的12位DAC模塊、電源電壓監測和3端口的DMA控制器。以下表格是它的典型操作參數
權利要求
1.一種大范圍土壤碳通量監測系統，包括至少一個無線傳感器節點，所述無線傳感器節點包括硬件系統和軟件系統；所述硬件系統包括電路器件、機械器件；其特征在于，所述電路器件包括至少一個無線傳感器網絡接入模塊；所述無線傳感器網絡接入模塊包括微控制單元、無線收發器；所述電路器件還包括至少一個(X)2傳感器測量模塊；所述(X)2傳感器測量模塊包括至少一個二氧化碳傳感器；所述電路器件還包括至少一個主控制電路，所述主控制電路包括穩壓電路、CO2傳感器驅動電路、電機驅動電路。
2.根據權利要求1所述的一種大范圍土壤碳通量監測系統，其特征在于，所述電路器件還包括至少一個顯示模塊，所述顯示模塊包括至少一個液晶、LED或OLED顯示模塊。
3.根據權利要求1所述的一種大范圍土壤碳通量監測系統，其特征在于，所述電路器件還包括至少一個溫濕度傳感器測量模塊，所述溫濕度傳感器測量模塊將傳感元件和信號處理電路集成在一塊微型電路板上，輸出完全標定的數字信號；所述溫濕度傳感器測量模塊還包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個用能隙材料制成的測溫元件，并在同一芯片上，與14位的A/D轉換器以及串行接口電路實現無縫連接。
4.根據權利要求1所述的一種大范圍土壤碳通量監測系統，其特征在于，所述電機驅動電路用于控制CO2測量室的滑動蓋打開與關閉；所述電機的工作由H橋電路控制，實施測量前，提供高電平控制電機正轉，關閉測量室；測量完畢后，提供高電平控制電機反轉，打開測量室；所述測量室的滑動蓋打開操作用于為所述測量室提供與測量室外完全相同的大氣環境。
5.根據權利要求1所述的一種大范圍土壤碳通量監測系統，其特征在于，所述電機驅動電路用于控制CO2測量室的整體打開與關閉；所述測量室的整體打開操作用于為所述測量室提供與測量室外完全相同的溫度、濕度、水文、大氣環境。
6.根據權利要求1至5的任一項所述的一種大范圍土壤碳通量監測系統，其特征在于， 所述監測系統的機械器件包括太陽能充電板、頂蓋、測量室，所述測量室包括測量室基座、 固定中蓋和滑動蓋圍成的空間，所述滑動蓋開啟后，出現通風口。
7.根據權利要求6所述的一種大范圍土壤碳通量監測系統，其特征在于，所述測量室內部部署有彈簧、墊圈、滑動蓋、電路板支架，所述彈簧在測量啟動前，用于密閉所述測量室，當滑動蓋向下移動直到緊觸墊圈，停止移動，測量室關閉，而在整個測量過程中，彈簧處于壓縮狀態，彈簧給墊圈向上的作用力，提高測量室的密封性。
8.根據權利要求6所述的一種大范圍土壤碳通量監測系統，其特征在于，所述滑動蓋通過至少一個絲桿和固定槽實施啟閉，滑動蓋的上下移動通過所述絲桿實現；絲杠是將回轉運動轉化為直線運動，或將直線運動轉化為回轉運動的一種傳動結構；所述滑動蓋與固定中蓋用固定槽相對固定，兩者無法進行相對的圓周運動，通過絲桿將回轉運動轉變為直線運動電路驅動電機轉動，電機帶動絲桿，絲桿使得滑動蓋上下移動，完成所述測量室的啟閉。
9.根據權利要求6所述的一種大范圍土壤碳通量監測系統，其特征在于，所述監測系統的軟件系統包括輕量級線程技術模塊、主動消息通信技術模塊、事件驅動模式技術模塊、 組件化編程技術模塊；其應用子程序設置為包括無線通訊子程序、顯示子程序、溫濕度傳感子程序、電機驅動子程序、位移檢測子程序、電源電壓檢測子程序、CO2傳感子程序。
10.應用權利要求1至9的任一項所述監測系統的一種大范圍土壤碳通量監測方法，其特征在于，包括如下步驟s1.部署兩個以上無線傳感器節點，啟用至少一個無線傳感器網絡；s2.把Sl中的無線傳感器網絡接入局域網，或互聯網，或電信網，或廣電網，或所述網絡的融合網絡；s3.把至少一個遠程網絡終端接入S2中的所述網絡；s4.S3中的網絡終端從所述Sl中的無線傳感器節點接收信息，或者向所述Sl中的無線傳感器節點發送指令。
11.根據權利要求10所述的一種大范圍土壤碳通量監測方法，其特征在于，所述無線傳感器網絡包括至少一個人機登陸界面，所述遠程網絡終端通過所述人機登陸界面的鑒權認證后，在其獲得的授權范圍內訪問所述無線傳感器網絡的數據。
12.根據權利要求10所述的一種大范圍土壤碳通量監測方法，其特征在于，所述碳通量監測方法包括2種碳通量測量方式(1)單次測量即在儀器現場，按動啟動按鍵，從顯示屏人工讀取測量結果，實現單次測量；(2)定時測量即通過服務器遠程設定定時時間，定時測量碳通量值。
13.根據權利要求10所述的一種大范圍土壤碳通量監測方法，其特征在于，所述碳通量監測方法包括4種碳通量測量方式(1)隨機指定區域測量即通過服務器遠程發送隨機測量命令，無線傳感器網絡中的節點把所述命令發送給指定區域內的一個或者多個測量節點，采集指定區域內的碳通量；(2)隨機全網測量即通過服務器遠程發送隨機測量命令，無線傳感器網絡中的節點把所述命令發送給網絡中有效的全部測量節點，采集整個網絡覆蓋區域內的碳通量；(3)人機界面數據庫指令指定區域測量即通過一個人機界面設定數據庫參數，數據庫根據設定的參數生成測量命令，所述無線傳感器網絡發來的環境信息滿足所述參數時， 所述測量命令向所述服務器發出并執行，服務器遠程發送所述測量命令，無線傳感器網絡中的節點把所述命令發送給指定區域內的一個或者多個測量節點，采集指定區域內的碳通量，所述參數包括溫度、濕度、高度、位置、風速、時間、降雨量、植被密度、植被類型；(4)人機界面數據庫指令全網測量即通過一個人機界面設定數據庫參數，數據庫根據設定的參數生成測量命令，所述無線傳感器網絡發來的環境信息滿足所述參數時，所述測量命令向所述服務器發出并執行，服務器遠程發送所述測量命令，無線傳感器網絡中的節點把所述命令發送給網絡中有效的全部測量節點，采集整個網絡覆蓋區域內的碳通量， 所述參數包括溫度、濕度、高度、位置、風速、時間、降雨量、植被密度、植被類型。
14.根據權利要求10所述的一種大范圍土壤碳通量監測方法，其特征在于，每個測量節點一次完整的測量過程包括如下步驟s1.完全關閉測量室；s2.CQe傳感器預熱；所述傳感器預熱可在測量室關閉操作開始的同時啟動，或者在設備檢測到測量室關閉成功后啟動；s3.測量(X)2濃度；s4.顯示或發送(X)2濃度數據并把該數據與測量時間、地點數據，以及測量CO2濃度時獲取的溫度、濕度數據同時顯示或發送；S5.打開測量室，使測量室內部獲得與外部相同的溫度、濕度、水文、大氣環境。
全文摘要
本發明公開了一種大范圍土壤碳通量監測系統及方法，其系統包括至少一個無線傳感器節點，所述無線傳感器節點包括硬件系統和軟件系統；所述硬件系統包括電路器件、機械器件；其特征在于，所述電路器件包括至少一個無線傳感器網絡接入模塊；所述無線傳感器網絡接入模塊包括微控制單元、無線收發器；所述電路器件還包括至少一個CO2傳感器測量模塊；所述CO2傳感器測量模塊包括至少一個紅外二氧化碳傳感器；所述電路器件還包括至少一個主控制電路，所述主控制電路包括穩壓電路、CO2傳感器驅動電路、電機驅動電路。本發明的方法包括遠程設備的網絡接入步驟。本發明能實現大規模、快速、密集的節點部署，測量精度高，測量速度快，自動化、網絡化、智能化程度高，在科研、商業、社會管理領域具有廣闊的應用前景。
文檔編號G01D21/02GK102506939SQ20111036398
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月15日 優先權日2011年11月15日
發明者吳曉平, 周國模, 周宇峰, 莫路鋒 申請人:周國模