專利名稱：一種基于WSN的土壤表面CO₂通量監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于WSN的土壤表面CO2通量監(jiān)測系統(tǒng)，屬于大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，還涉及一種城市森林環(huán)境效益監(jiān)測系統(tǒng)，尤其是一種在復(fù)雜環(huán)境下基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林環(huán)境效益監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
土壤呼吸在一定程度上反映了土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和供應(yīng)的能力，是土壤質(zhì)量和肥力的重要生物學(xué)指標(biāo)和土壤健康狀況的指示因子。因而，土壤表面二氧化碳通量做比較精確的測定，對準(zhǔn)確地進(jìn)行陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳核算，實(shí)施聯(lián)合國氣候變化框架公約，具有實(shí)質(zhì)而重要的意義。現(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域不存在能夠自動采集、自動處理海量信息的CO2通量監(jiān)測軟件和硬件產(chǎn)品，也不存在公開發(fā)表的文獻(xiàn)。
基于WSN(Wireless Sensor Network)的土壤表面碳通量監(jiān)測系統(tǒng)由多個(gè)土壤碳通量測量器組成，且都工作在野外環(huán)境，要實(shí)現(xiàn)機(jī)械構(gòu)件的自動化啟閉操作需要比其他領(lǐng)域的WSN節(jié)點(diǎn)設(shè)備耗費(fèi)更多的電能，因此碳通量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)對能耗具有很高的要求，其軟件和硬件設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。在每個(gè)器件的選用和電路設(shè)計(jì)中，能耗、效率、協(xié)同性都是必須考慮的因素?，F(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域不存在能實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)需求和應(yīng)用需求的軟件、硬件產(chǎn)品，也不存在公開發(fā)表的文獻(xiàn)。此外，在城市高溫的夏季，浙青和水泥路面周圍的溫度常常要比農(nóng)村相同地區(qū)的溫度高2 8度。樹木遮擋馬路、建筑物等，通過土壤水分蒸發(fā)、蒸騰作用使周圍的空氣降溫。不僅如此，還可以使周圍的空氣濕度增加。樹木遮擋馬路、建筑物等還可以降低城市噪音，起到隔噪音作用。目前對森林環(huán)境效益監(jiān)測一般采用特殊的儀器用人工方法逐點(diǎn)進(jìn)行，不能進(jìn)行大范圍、實(shí)時(shí)和連續(xù)的測量，測量的準(zhǔn)確性較低，范圍較小，時(shí)效性較差。現(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域不存在能夠通過WSN網(wǎng)絡(luò)自動采集、自動處理海量信息的森林環(huán)境效益監(jiān)測軟件和硬件產(chǎn)品，也不存在公開發(fā)表的文獻(xiàn)。此外，為了解決氣候變暖問題，發(fā)達(dá)國家推動全球建立了一套二氧化碳排放權(quán)交易系統(tǒng)，簡稱“碳交易”系統(tǒng)。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(jìn)行交易，從而降低二氧化碳排放量的一種市場化環(huán)境保護(hù)體系。碳交易市場發(fā)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(xiàn)了飛速增長的態(tài)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(dá)400億歐元，t匕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(yù)計(jì)將達(dá)到3. 5萬億美元，可能超過石油行業(yè)，成為全球第一大能源交易市場?！﹪一虻貐^(qū)強(qiáng)制推廣碳交易，將極大地促進(jìn)碳交易市場的擴(kuò)張。例如，根據(jù)歐盟法律，從2012年I月起，全球航空業(yè)被納入歐盟碳排放交易機(jī)制，開辟歐盟航線的外國航空公司全部被納入這一機(jī)制。為此，中國國航在2012年預(yù)計(jì)需要向歐盟繳納約3400萬歐元的二氧化碳排放量購買費(fèi)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(xié)一起，共同向歐盟提起訴訟。碳交易不但已成為貿(mào)易壁壘，而且在全球已演化為核心的經(jīng)濟(jì)、政治問題。發(fā)達(dá)國家認(rèn)為，中國是制造業(yè)大國，中國基本上占據(jù)了 60%多的CDM市場份額，因此發(fā)達(dá)國家對中國提出了越來越多的環(huán)境保護(hù)約束，對中國的國家碳配額提出了非?？量痰囊蟆?shí)際上，中國的 碳排放在很大程度上是為發(fā)達(dá)國家提供消費(fèi)品和工業(yè)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(qiáng)。盡管中國是世界上工業(yè)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(gè)大規(guī)模、高速度消耗氣碳的地下碳庫真的存在，而且擁有比北美、西歐、日本等發(fā)達(dá)地區(qū)擁有的植被環(huán)境更強(qiáng)大、更快速的氣碳消耗能力，那么中國應(yīng)當(dāng)在碳交易全球配額體系中擁有主導(dǎo)性話語權(quán)。目前，公開發(fā)表的文獻(xiàn)，以及公開銷售、展示的土壤碳通量監(jiān)測設(shè)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(shù)支持。其主要技術(shù)缺陷如現(xiàn)有的土壤碳通量監(jiān)測設(shè)備、系統(tǒng)、方法都不能實(shí)現(xiàn)無人遠(yuǎn)程監(jiān)測，而且沒有出現(xiàn)自動化的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測產(chǎn)品，不能采集廣域野外環(huán)境的碳通量海量數(shù)據(jù)。與水文、雨雪等地球或大氣環(huán)境的自動化聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測實(shí)踐不同，碳通量的大范圍監(jiān)測設(shè)備需要進(jìn)行一系列的機(jī)械操作，機(jī)械故障多，測量環(huán)境的自動化創(chuàng)建難度大，設(shè)備耗電量大，其軟件創(chuàng)新和硬件集成的難度很大?，F(xiàn)有設(shè)備只能單機(jī)本地測量，必須由測量人員在現(xiàn)場激發(fā)測量裝置，并當(dāng)場抄錄測量數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)測量室的遠(yuǎn)程啟閉控制。截至目前，國內(nèi)外沒有出現(xiàn)能夠完全無人看護(hù)、數(shù)據(jù)無線共享、遠(yuǎn)程響應(yīng)機(jī)械操作、隨時(shí)監(jiān)控自身設(shè)備狀態(tài)、具有自我電量維持管理功能的碳通量測量系統(tǒng)。更沒有相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表?，F(xiàn)有設(shè)備只能在現(xiàn)場關(guān)閉測量室，而且測量室僅僅為碳通量測量設(shè)備提供氣門，僅能實(shí)現(xiàn)測量室內(nèi)外的大氣交換。為了獲取精確的測量數(shù)據(jù)，測量室內(nèi)外需要具有相同的溫度、濕度、水文、大氣環(huán)境。這就需要實(shí)現(xiàn)測量室的整體性開啟與關(guān)閉，而不僅是設(shè)置氣門。實(shí)現(xiàn)該整體性啟閉的遠(yuǎn)程電力控制系統(tǒng)并未出現(xiàn)在碳通量檢測設(shè)備與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中?，F(xiàn)有設(shè)備的土壤碳通量數(shù)據(jù)采集方式非常單一，獲取的數(shù)據(jù)不能為廣域、定時(shí)、采樣分析提供數(shù)據(jù)支撐，更不能實(shí)現(xiàn)智能化、多樣化的數(shù)據(jù)采集操作。而且，現(xiàn)有設(shè)備每臺的價(jià)格高達(dá)數(shù)十萬元人民幣，從費(fèi)用上不能滿足大量設(shè)備的智能布網(wǎng)需求?，F(xiàn)有設(shè)備的耗電量大，設(shè)備自持周期太短，更不能獲取太陽能，無法實(shí)現(xiàn)大量設(shè)備的智能化布網(wǎng)?？傊?，現(xiàn)有設(shè)備應(yīng)用的土壤碳通量監(jiān)測系統(tǒng)、方法、網(wǎng)絡(luò)都需要進(jìn)行大規(guī)模革新，從而為建立新的土壤碳通量監(jiān)測機(jī)制提供基礎(chǔ)性硬件、軟件技術(shù)，為我國地下碳庫的土壤碳通量測量提供技術(shù)支持
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林環(huán)境效益監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多跳機(jī)制，對復(fù)雜環(huán)境和場所的土壤碳通量、溫度、濕度和分貝進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控，不但能夠提高碳通量、溫度、濕度和分貝測量的準(zhǔn)確性，而且能夠克服大范圍碳通量、溫度、濕度和分貝實(shí)時(shí)、精確監(jiān)測難度大的問題，使其能夠適用于各類森林環(huán)境效益監(jiān)測系統(tǒng)復(fù)雜環(huán)境。本發(fā)明的內(nèi)容是設(shè)計(jì)一種基于WSN的土壤表面CO2通量監(jiān)測系統(tǒng)，所述監(jiān)測系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，并配載到一個(gè)土壤表面CO2通量監(jiān)測測量節(jié)點(diǎn)上；所述硬件系統(tǒng)包括電路器件和機(jī)械器件；所述電路器件包含TelosB模塊、CO2傳感器測量模塊、顯示模塊、主控制電路模塊、光電開關(guān)感應(yīng)模塊；所述機(jī)械器件包括太陽能充電板、頂蓋、支撐中蓋、測量室基座，所述測量室包括至少帶一個(gè)氣門的氣室；所述軟件系統(tǒng)包括中央控制系統(tǒng)、氣室控制系統(tǒng)、測量控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)；所述中央控制系統(tǒng)控制所述氣室控制系統(tǒng)、測量控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)；所述氣室控制系統(tǒng)偵測到氣室完全關(guān)閉后，啟動測量控制系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在所述顯示模塊顯示實(shí)時(shí)的CO2濃度及測量時(shí)間；一次測量完成后，氣室控制系統(tǒng)控制所述氣室打開，所述顯示模塊的顯示界面回到初始界面，等待下次測量的開始命令；所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)把測量數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò) 管理系統(tǒng)，并接收來自網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的指令；每個(gè)土壤表面CO2通量監(jiān)測測量節(jié)點(diǎn)一次完整的測量過程如下CO2傳感器預(yù)熱100秒；電機(jī)正轉(zhuǎn)，位移傳感器每O. I秒采樣一次，判斷測量室是否關(guān)閉；CO2濃度、溫濕度、電源電壓采樣3分鐘，同時(shí)LCD輸出顯示值，CC2420發(fā)送數(shù)據(jù)；電機(jī)反轉(zhuǎn)，位移傳感器每O. I秒采樣一次，判斷測量室是否完全開啟。所述的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林環(huán)境效益監(jiān)測系統(tǒng)，包括監(jiān)測服務(wù)器，其特征在于所述監(jiān)測服務(wù)器通過無線方式連接到所述監(jiān)測系統(tǒng)，還連接到處于大氣環(huán)境中不同位置的溫度、濕度和分貝監(jiān)測裝置，所述溫度、濕度和分貝監(jiān)測裝置包括電源模塊、微處理器以及與該微處理器連接的濕度監(jiān)測傳感器、溫度監(jiān)測傳感器、分貝監(jiān)測傳感器、無線射頻收發(fā)模塊；所述電源模塊通過太陽能充電并為整個(gè)溫度、濕度和分貝監(jiān)測裝置提供電能；所述溫度、濕度和分貝監(jiān)測裝置通過各自的無線射頻收發(fā)模塊相互連接并通訊；所述的濕度監(jiān)測傳感器可以監(jiān)測大氣濕度；所述的溫度監(jiān)測傳感器可以監(jiān)測環(huán)境溫度；所述的分貝監(jiān)測傳感器可以監(jiān)測環(huán)境中的分貝；或者，所述溫度、濕度和分貝監(jiān)測裝置與所述監(jiān)測系統(tǒng)共享通用模塊，包括管理電源、通訊、數(shù)據(jù)集成、外殼防護(hù)的模塊。所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林環(huán)境效益監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述監(jiān)測服務(wù)器是PC，該P(yáng)C的信號收發(fā)接口連接有無線信號收發(fā)裝置。所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林環(huán)境效益監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述微處理器是 msp430。所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林環(huán)境效益監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述無線射頻收發(fā)模塊是基于射頻芯片CC2420的ZigBee無線通信集成電路。所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林環(huán)境效益監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述溫度傳感器模塊由溫度信號采集模塊、溫度信號處理轉(zhuǎn)換模塊、信號收發(fā)控制模塊和整流抗干擾電路組成，所述溫度信號采集模塊的信號輸出端與溫度信號處理轉(zhuǎn)換模塊的信號輸入端連接，溫度信號處理轉(zhuǎn)換模塊的信號輸出端連接有信號收發(fā)控制模塊的信號輸入端，信號收發(fā)控制模塊的信號輸出端連接到整流抗干擾電路的輸入端，所述整流抗干擾電路的信號輸出端為作為整個(gè)溫度傳感器模塊的信號輸出端連接到微處理器上。所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林環(huán)境效益監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述濕度傳感器模塊由濕度信號采集模塊、濕度信號處理轉(zhuǎn)換模塊、信號收發(fā)控制模塊和整流抗干擾電路組成，所述濕度信號采集模塊的信號輸出端與濕度信號處理轉(zhuǎn)換模塊的信號輸入端連接，濕度信號處理轉(zhuǎn)換模塊的信號輸出端連接有信號收發(fā)控制模塊的信號輸入端，信號收發(fā)控制模塊的信號輸出端連接到整流抗干擾電路的輸入端，所述整流抗干擾電路的信號輸出端為作為整個(gè)濕度傳感器模塊的信號輸出端連接到微處理器上。所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林環(huán)境效益監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述分貝傳感器模塊由分貝信號采集模塊、分貝信號處理轉(zhuǎn)換模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和信號收發(fā)控制模塊組成，所述分貝信號采集模塊的信號輸出端與分貝信號處理轉(zhuǎn)換模塊的信號輸入端連接，分貝信號處理轉(zhuǎn)換模塊的信號輸出端連接有數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的信號輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的信號輸出端連接到信號收發(fā)控制模塊的輸入端，信號收發(fā)控制模塊的信號輸出端連接到整流抗干擾電路的輸入端，所述整流抗干擾電路的輸出端為作為整個(gè)分貝傳感器模塊的信號輸出端連接到微處理器上。 所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林環(huán)境效益監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述電源模塊由太陽能充電模塊、穩(wěn)壓電路、控制電路和蓄電池組成，所述的太陽能充電模塊接受光照并充電，太陽能充電模塊的輸出端連接到穩(wěn)壓電路的輸入端，穩(wěn)壓電路的輸出端連接到控制電路的輸入端，控制電路的輸出端連接到蓄電池的輸入端，蓄電池的輸出端連接到溫度傳感器模塊、濕度傳感器模塊、分貝傳感器模塊和無線射頻收發(fā)模塊上以提供電能。具體而言，本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來解決的這種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林環(huán)境效益監(jiān)測系統(tǒng)，包括監(jiān)測服務(wù)器，其特征在于所述監(jiān)測服務(wù)器通過無線方式連接有多個(gè)處于大氣環(huán)境中不同位置的溫度、濕度和分貝監(jiān)測裝置，所述溫度、濕度和分貝監(jiān)測裝置包括電源模塊、微處理器以及與該微處理器連接的濕度傳感器模塊、溫度傳感器模塊、分貝傳感器模塊和無線射頻收發(fā)模塊；所述電源模塊通過太陽能充電并為整個(gè)溫度、濕度和分貝監(jiān)測裝置提供電能；所述多個(gè)溫度、濕度和分貝監(jiān)測裝置通過各自的無線射頻收發(fā)模塊相互連接并通訊；所述的濕度傳感器模塊可以監(jiān)測大氣濕度；所述的溫度傳感器模塊可以監(jiān)測環(huán)境溫度；所述的分貝傳感器模塊可以監(jiān)測環(huán)境中的分貝。所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林環(huán)境效益監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述監(jiān)測服務(wù)器是PC，該P(yáng)C的信號收發(fā)接口連接有無線信號收發(fā)裝置。所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林環(huán)境效益監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述微處理器是 msp430。所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林環(huán)境效益監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述無線射頻收發(fā)模塊是基于射頻芯片CC2420的ZigBee無線通信集成電路。所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林環(huán)境效益監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述溫度傳感器模塊由溫度信號采集模塊、溫度信號處理轉(zhuǎn)換模塊、信號收發(fā)控制模塊和整流抗干擾電路組成，所述溫度信號采集模塊的信號輸出端與溫度信號處理轉(zhuǎn)換模塊的信號輸入端連接，溫度信號處理轉(zhuǎn)換模塊的信號輸出端連接有信號收發(fā)控制模塊的信號輸入端，信號收發(fā)控制模塊的信號輸出端連接到整流抗干擾電路的輸入端，所述整流抗干擾電路的信號輸出端作為整個(gè)溫度傳感器模塊的信號輸出端連接到微處理器上。所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林環(huán)境效益監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述濕度傳感器模塊由濕度信號采集模塊、濕度信號處理轉(zhuǎn)換模塊、信號收發(fā)控制模塊和整流抗干擾電路組成，所述濕度信號采集模塊的信號輸出端與濕度信號處理轉(zhuǎn)換模塊的信號輸入端連接，濕度信號處理轉(zhuǎn)換模塊的信號輸出端連接有信號收發(fā)控制模塊的信號輸入端，信號收發(fā)控制模塊的信號輸出端連接到整流抗干擾 電路的輸入端，所述整流抗干擾電路的信號輸出端作為整個(gè)濕度傳感器模塊的信號輸出端連接到微處理器上。所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林環(huán)境效益監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述分貝傳感器模塊由分貝信號采集模塊、分貝信號處理轉(zhuǎn)換模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和信號收發(fā)控制模塊組成，所述分貝信號采集模塊的信號輸出端與分貝信號處理轉(zhuǎn)換模塊的信號輸入端連接，分貝信號處理轉(zhuǎn)換模塊的信號輸出端連接有數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的信號輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的信號輸出端連接到信號收發(fā)控制模塊的輸入端，信號收發(fā)控制模塊的信號輸出端連接到整流抗干擾電路的輸入端，所述整流抗干擾電路的輸出端作為整個(gè)分貝傳感器模塊的信號輸出端連接到微處理器上。所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林環(huán)境效益監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述電源模塊由太陽能充電模塊、穩(wěn)壓電路、控制電路和蓄電池組成，所述的太陽能充電模塊接受光照并充電，太陽能充電模塊的輸出端連接到穩(wěn)壓電路的輸入端，穩(wěn)壓電路的輸出端連接到控制電路的輸入端，控制電路的輸出端連接到蓄電池的輸入端，蓄電池的輸出端連接到溫度傳感器模塊、濕度傳感器模塊、分貝傳感器模塊和無線射頻收發(fā)模塊上以提供電能。所述溫度、濕度和分貝監(jiān)測裝置配置到一個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)中，所述無線傳感器節(jié)點(diǎn)包括一個(gè)土壤碳通量監(jiān)測裝置，所述溫度、濕度和分貝監(jiān)測裝置與所述土壤碳通量監(jiān)測裝置共享電路控制、太陽能充電、通訊、數(shù)據(jù)處理、保護(hù)性外殼等模塊，或者，所述溫度、濕度和分貝監(jiān)測裝置，與所述土壤表面CO2通量監(jiān)測測量節(jié)點(diǎn)擁有各自的電路控制、太陽能充電、通訊、數(shù)據(jù)處理、保護(hù)性外殼等模塊；所述土壤碳通量監(jiān)測裝置包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)；所述硬件系統(tǒng)包括電路器件、機(jī)械器件；其特征在于，所述電路器件包括至少一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入模塊；所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入模塊包括微控制單元、無線收發(fā)器；所述電路器件還包括至少一個(gè)CO2傳感器測量模塊；所述CO2傳感器測量模塊包括至少一個(gè)紅外二氧化碳傳感器；所述電路器件還包括至少一個(gè)主控制電路，所述主控制電路包括穩(wěn)壓電路、CO2傳感器驅(qū)動電路、電機(jī)驅(qū)動電路。所述的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述電路器件還包括至少一個(gè)顯示模塊，所述顯示模塊包括至少一個(gè)液晶、LED或OLED顯示模塊。所述的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述電路器件還包括至少一個(gè)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(biāo)定的數(shù)字信號；所述溫濕度傳感器測量模塊還包括一個(gè)電容性聚合體測濕敏感元件、一個(gè)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(zhuǎn)換器以及串行接口電路實(shí)現(xiàn)無縫連接。所述的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述電機(jī)驅(qū)動電路用于控制CO2測量室的打開與關(guān)閉；所述電機(jī)的工作由H橋電路控制，實(shí)施測量前，提供高電平控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，關(guān)閉測量室；測量完畢后，提供高電平控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，打開測量室。所述的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述監(jiān)測系統(tǒng)的機(jī)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(xiàn)通風(fēng)口。所述的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述測量室內(nèi)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(dāng)滑動蓋向下移動直到緊觸墊圈，停止移動，測量室關(guān)閉，而在整個(gè)測量過程中，彈簧處于壓縮狀態(tài)，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(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述滑動蓋通過至少一個(gè)絲桿和固定槽實(shí)施啟閉，滑動蓋的上下移動通過所述絲桿實(shí)現(xiàn)；絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動，或?qū)⒅本€運(yùn)動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動的一種傳動結(jié)構(gòu)；所述滑動蓋與固定中蓋用固定槽相對固定，兩者無法進(jìn)行相對的圓周運(yùn)動，通過絲桿將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動電路驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，電機(jī)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(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述監(jiān)測系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)包括集成控制子系統(tǒng)、通訊子系統(tǒng)、電力管理子系統(tǒng)、機(jī)械控制子系統(tǒng)、信息采集子系統(tǒng)、設(shè)備監(jiān)測與維護(hù)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、指令響應(yīng)子系統(tǒng)；所述通訊子系統(tǒng)用于控制所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入模塊；所述信息采集子系統(tǒng)用于控制所述CO2傳感器測量模塊；所述設(shè)備監(jiān)測與維護(hù)子系統(tǒng)用于控制所述顯示模塊；所述信息采集子系統(tǒng)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(tǒng)用于控制所述主控制電路模塊；所述電力管理子系統(tǒng)用于控制所述各電源模塊；所述機(jī)械控制子系統(tǒng)用于控制所述機(jī)械器件的運(yùn)行；所述數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)用于控制所述數(shù)據(jù)傳輸電路；所述指令響應(yīng)子系統(tǒng)能接收互聯(lián)網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，或者其他有線或無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的指令，通過所述集成控制子系統(tǒng)要求相關(guān)電路器件、機(jī)械器件或者軟件子系統(tǒng)作出操作或信號響應(yīng)。所述大范圍土壤碳通量監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述電機(jī)驅(qū)動電路用于控制CO2測量室的整體打開與關(guān)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(huán)境。所述CO2測量室的整體打開方式包括，單側(cè)平移式展開、兩側(cè)平移式展開、開合式打開、翻開式打開、翻蓋式打開。所述單側(cè)平移式展開包括測量室上方的部件整體性向一側(cè)移開，使雨水可以垂直落入測量室內(nèi)部的土壤；兩側(cè)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(nèi)部的土壤；翻開式打開包括測量室上方的部件向外側(cè)翻開，使雨水可以垂直落入測量室內(nèi)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(nèi)部的土壤。所述的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述監(jiān)測系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)包括輕量級線程技術(shù)模塊、主動消息通信技術(shù)模塊、事件驅(qū)動模式技術(shù)模塊、組件化編程技術(shù)模塊；其應(yīng)用子程序設(shè)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(jī)驅(qū)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(fā)明還公開了應(yīng)用所述監(jiān)測系統(tǒng)的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測方法，其特征在于，包括如下步驟
SI.部署兩個(gè)以上無線傳感器節(jié)點(diǎn)，啟用至少一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；S2.把SI中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入局域網(wǎng)，或互聯(lián)網(wǎng)，或電信網(wǎng)，或廣電網(wǎng)，或所述網(wǎng)絡(luò)的融合網(wǎng)絡(luò)；S3.把至少一個(gè)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)終端接入S2中的所述網(wǎng)絡(luò)；所述終端包括手機(jī)、計(jì)算機(jī)、筆記本電腦、智能手機(jī)、平板電腦、智能上網(wǎng)設(shè)備；S4. S3中的網(wǎng)絡(luò)終端從所述SI中的無線傳感器節(jié)點(diǎn)接收信息，或者向所述SI中的無線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令。所述的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測方法，其特征在于，所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括至少一個(gè)人機(jī)登陸界面，所述遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)終端通過所述人機(jī)登陸界面的鑒權(quán)認(rèn)證后，在其獲得的授權(quán)范圍內(nèi)訪問所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。所述的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測方法，其特征在于，所述碳通量監(jiān)測方法包括2 種碳通量測量方式(I)單次測量即在儀器現(xiàn)場，按動啟動按鍵，從顯示屏人工讀取測量結(jié)果，實(shí)現(xiàn)單次測量；(2)定時(shí)測量即通過服務(wù)器遠(yuǎn)程設(shè)定定時(shí)時(shí)間，定時(shí)測量碳通量值。所述的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測方法，其特征在于，所述碳通量監(jiān)測方法包括4種碳通量測量方式(I)隨機(jī)指定區(qū)域測量即通過服務(wù)器遠(yuǎn)程發(fā)送隨機(jī)測量命令，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)把所述命令發(fā)送給指定區(qū)域內(nèi)的一個(gè)或者多個(gè)測量節(jié)點(diǎn)，采集指定區(qū)域內(nèi)的碳通量;(2)隨機(jī)全網(wǎng)測量即通過服務(wù)器遠(yuǎn)程發(fā)送隨機(jī)測量命令，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)把所述命令發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中有效的全部測量節(jié)點(diǎn)，采集整個(gè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的碳通量;(3)人機(jī)界面數(shù)據(jù)庫指令指定區(qū)域測量即通過一個(gè)人機(jī)界面設(shè)定數(shù)據(jù)庫參數(shù)，數(shù)據(jù)庫根據(jù)設(shè)定的參數(shù)生成測量命令，所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的環(huán)境信息滿足所述參數(shù)時(shí)，所述測量命令向所述服務(wù)器發(fā)出并執(zhí)行，服務(wù)器遠(yuǎn)程發(fā)送所述測量命令，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)把所述命令發(fā)送給指定區(qū)域內(nèi)的一個(gè)或者多個(gè)測量節(jié)點(diǎn)，采集指定區(qū)域內(nèi)的碳通量，所述參數(shù)包括溫度、濕度、高度、位置、風(fēng)速、時(shí)間、降雨量、植被密度、植被類型；(4)人機(jī)界面數(shù)據(jù)庫指令全網(wǎng)測量即通過一個(gè)人機(jī)界面設(shè)定數(shù)據(jù)庫參數(shù)，數(shù)據(jù)庫根據(jù)設(shè)定的參數(shù)生成測量命令，所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的環(huán)境信息滿足所述參數(shù)時(shí)，所述測量命令向所述服務(wù)器發(fā)出并執(zhí)行，服務(wù)器遠(yuǎn)程發(fā)送所述測量命令，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)把所述命令發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中有效的全部測量節(jié)點(diǎn)，采集整個(gè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的碳通量，所述參數(shù)包括溫度、濕度、高度、位置、風(fēng)速、時(shí)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(jiān)測方法，其特征在于，每個(gè)測量節(jié)點(diǎn)一次完整的測量過程包括如下步驟SI.完全關(guān)閉測量室；S2. CO2傳感器預(yù)熱；S3.測量 CO2 濃度；S4.顯示或發(fā)送CO2濃度數(shù)據(jù)并把該數(shù)據(jù)與測量時(shí)間、地點(diǎn)數(shù)據(jù)，以及測量CO2濃度時(shí)獲取的溫度、濕度數(shù)據(jù)同時(shí)顯示或發(fā)送；S5.打開測量室，使測量室內(nèi)部獲得與外部相同的溫度、濕度、水文、大氣環(huán)境。具體而言，本發(fā)明的大范圍土壤碳通量監(jiān)測系統(tǒng)包含硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)；其中硬件系統(tǒng)包括電路器件、機(jī)械器件兩部分。本發(fā)明的大范圍土壤碳通量監(jiān)測硬件系統(tǒng)的電路器件包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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I、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入模塊。所述電路器件包括至少一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)接入模塊包括微控制單元、無線收發(fā)器，以及USB轉(zhuǎn)換器、低 能耗電量管理器組成。所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入模塊與CO2傳感器測量模塊、顯示模塊、溫濕度傳感器測量模塊、主控制電路模塊組成的一臺測試儀相當(dāng)于無線網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，它具有感知CO2濃度、溫濕度，處理信息，通信的能力。所述節(jié)點(diǎn)具有質(zhì)量輕、體積小、成本低的特點(diǎn)；因?yàn)樗窃谝巴猸h(huán)境下工作，低能耗也是最重要的特點(diǎn)之一。所述節(jié)點(diǎn)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至用戶的計(jì)算機(jī)、筆記本電腦、平板電腦、智能上網(wǎng)設(shè)備或者手機(jī)上。這樣，用戶可不必身臨節(jié)點(diǎn)所處的環(huán)境，就能獲得該環(huán)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(gè)CO2傳感器測量模塊。所述CO2傳感器測量模塊包括至少一個(gè)紅外二氧化碳傳感器，其預(yù)留易插拔插針，方便用戶與其他設(shè)備連接使用；并且，所述CO2傳感器測量模塊的輸出接口多樣，易于數(shù)據(jù)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(gè)顯示模塊。所述顯示模塊包括至少一個(gè)液晶、LED或OLED顯示模塊。其顯示模式包括光標(biāo)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(gè)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(biāo)定的數(shù)字信號；所述溫濕度傳感器測量模塊還包括一個(gè)電容性聚合體測濕敏感元件、一個(gè)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(zhuǎn)換器以及串行接口電路實(shí)現(xiàn)無縫連接。每個(gè)傳感器芯片都在極為精確的濕度腔室中進(jìn)行標(biāo)定，校準(zhǔn)系數(shù)以程序形式儲存在OTP內(nèi)存中，用于內(nèi)部的信號校準(zhǔn)。兩線制的串行接口與內(nèi)部的電壓調(diào)整，使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡單。其默認(rèn)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(yīng)用下，分辨率可降低為12it (溫度)和8it (濕度)。這能保證實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的低功耗目標(biāo)在休眠狀態(tài)下，功率消耗僅2uW、電流為O. 3uA(最大為I. 5uA);測量狀態(tài)下功率消耗為3mW，電流為O. 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±2%RH，溫度測量精度典型值為±0. 3°C。5、主控制電路。所述電路器件包括至少一個(gè)主控制電路。所述主控制電路包括穩(wěn)壓電路、CO2傳感器驅(qū)動電路、電機(jī)驅(qū)動電路、數(shù)據(jù)傳輸電路(調(diào)壓)、電源監(jiān)測電路、電源指示電路等，具體包括I)所述穩(wěn)壓電路為微功耗的穩(wěn)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(diào)電壓輸出(1.25V VIN)。II)所述CO2傳感器驅(qū)動電路利用三極管的開關(guān)功能，在需要進(jìn)行CO2測量時(shí)，產(chǎn)生控制信號，輸出12V工作電壓，用兩個(gè)三極管并聯(lián)產(chǎn)生足夠大的驅(qū)動電流驅(qū)動CO2傳感器工作。III)所述電機(jī)控制電路用于控制CO2測量室的打開與關(guān)閉；所述電機(jī)的工作由H橋電路控制，實(shí)施測量前，提供高 電平控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，關(guān)閉測量室；測量完畢后，提供高電平控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，打開測量室；即可完成一次CO2濃度的測量。所述電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)，電流的大小與電機(jī)所受阻力有關(guān)，當(dāng)所述電機(jī)驅(qū)動滑動蓋(具體見下文的機(jī)械器件模塊)向下移動時(shí)，流過電機(jī)的電流會發(fā)生變化，當(dāng)滑動蓋碰到密封圈(具體見下文的機(jī)械器件模塊)時(shí)，電機(jī)運(yùn)動遇到阻力，電流加大；繼續(xù)提供高電平，電機(jī)繼續(xù)工作，電流將繼續(xù)增加，而CO2測量室的密封性將越來越好；本發(fā)明設(shè)定電流增到一定的大小時(shí)，測量室的密封性達(dá)到CO2濃度測試需求；此時(shí)，電機(jī)停止工作，開始密閉環(huán)境下對土壤CO2濃度的測量，系統(tǒng)預(yù)設(shè)一定時(shí)間的封閉采樣測量時(shí)間，本發(fā)明優(yōu)選為2-4分鐘，再優(yōu)選為3分鐘。封閉測量完成后，需打開測量室時(shí)，所述電機(jī)需反轉(zhuǎn)；電機(jī)反轉(zhuǎn)過程中并沒有遇到阻礙，所以其電流保持在一定范圍內(nèi)，沒有太大波動。至于何時(shí)停止電機(jī)的反轉(zhuǎn)？本發(fā)明設(shè)定一定時(shí)間的電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)間，該時(shí)間屆滿時(shí)，所述電機(jī)停止反轉(zhuǎn)，所述反轉(zhuǎn)時(shí)間優(yōu)選為3-20秒，再優(yōu)選為5-10秒；在所述反轉(zhuǎn)停止前，滑動蓋移開，恢復(fù)測量室的通風(fēng)環(huán)境。IV)所述數(shù)據(jù)傳輸電路用于把CO2傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳送給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入模塊，由后者進(jìn)行處理和傳輸。V)所述電源電壓監(jiān)測電路用于監(jiān)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(bào)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。VII)所述測量室未密封報(bào)警電路用于本發(fā)明硬件器件的設(shè)備報(bào)警。測量啟動前，所述設(shè)備要進(jìn)行測量室的密封動作；如果密封不到位，所述報(bào)警電路啟動報(bào)警操作，包括啟動蜂鳴器，或者發(fā)送遠(yuǎn)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(fā)明采用直線位移傳感器實(shí)現(xiàn)該功能。本發(fā)明的機(jī)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(xiàn)通風(fēng)口 ；測量室基座內(nèi)徑為5-40cm，優(yōu)選為10-30cm，再優(yōu)選為20cm。測量室內(nèi)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(guān)閉測量室，當(dāng)滑動蓋向下移動直到緊觸墊圈，停止移動，測量室關(guān)閉，而在整個(gè)測試過程中，彈簧處于壓縮狀態(tài)，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(jī)與位移傳感器支架、CO2傳感器固定裝置；下部設(shè)置有滑動蓋、絲桿、固定槽?；瑒由w的上下移動通過所述絲桿實(shí)現(xiàn)；絲桿是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動，或?qū)⒅本€運(yùn)動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動的一種傳動結(jié)構(gòu)，這種運(yùn)動具有很小的摩擦力。在整個(gè)機(jī)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(jìn)行相對的圓周運(yùn)動，因此可通過絲桿將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變直線運(yùn)動電路驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，電機(jī)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(guān)閉。本發(fā)明的大范圍土壤碳通量監(jiān)測軟件系統(tǒng)包括輕量級線程技術(shù)模塊、主動消息通信技術(shù)模塊、事件驅(qū)動模式技術(shù)模塊、組件化編程技術(shù)模塊。輕量級線程技術(shù)模塊和主動消息通信技術(shù)模塊能提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能，發(fā)揮硬件的特點(diǎn)，大大降低其功耗，并且簡化了應(yīng)用程序的開發(fā)難度。根據(jù)系統(tǒng)硬件的組成，將系統(tǒng)的應(yīng)用子程序設(shè)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(jī)驅(qū)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(fā)明實(shí)現(xiàn)碳通量測量的方式主要有6種I、單次測量即在儀器現(xiàn)場，按動啟動按鍵，從顯示屏人工讀取測量結(jié)果，實(shí)現(xiàn)單 次測量一次；2、定時(shí)測量即通過服務(wù)器遠(yuǎn)程設(shè)定定時(shí)時(shí)間，定時(shí)測量碳通量值；3、隨機(jī)指定區(qū)域測量即通過服務(wù)器遠(yuǎn)程發(fā)送隨機(jī)測量命令，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)把所述命令發(fā)送給指定區(qū)域內(nèi)的一個(gè)或者多個(gè)測量節(jié)點(diǎn)，采集指定區(qū)域內(nèi)的碳通量;4、隨機(jī)全網(wǎng)測量即通過服務(wù)器遠(yuǎn)程發(fā)送隨機(jī)測量命令，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)把所述命令發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中有效的全部測量節(jié)點(diǎn)，采集整個(gè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的碳通量；5、人機(jī)界面數(shù)據(jù)庫指令指定區(qū)域測量即通過一個(gè)人機(jī)界面設(shè)定數(shù)據(jù)庫參數(shù)，數(shù)據(jù)庫根據(jù)設(shè)定的參數(shù)生成測量命令，所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的環(huán)境信息滿足所述參數(shù)時(shí)，所述測量命令向所述服務(wù)器發(fā)出并執(zhí)行，服務(wù)器遠(yuǎn)程發(fā)送所述測量命令，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)把所述命令發(fā)送給指定區(qū)域內(nèi)的一個(gè)或者多個(gè)測量節(jié)點(diǎn)，采集指定區(qū)域內(nèi)的碳通量，所述參數(shù)包括溫度、濕度、高度、位置、風(fēng)速、時(shí)間、降雨量、植被密度、植被類型等；6、人機(jī)界面數(shù)據(jù)庫指令全網(wǎng)測量即通過一個(gè)人機(jī)界面設(shè)定數(shù)據(jù)庫參數(shù)，數(shù)據(jù)庫根據(jù)設(shè)定的參數(shù)生成測量命令，所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的環(huán)境信息滿足所述參數(shù)時(shí)，所述測量命令向所述服務(wù)器發(fā)出并執(zhí)行，服務(wù)器遠(yuǎn)程發(fā)送所述測量命令，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)把所述命令發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中有效的全部測量節(jié)點(diǎn)，采集整個(gè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的碳通量，所述參數(shù)包括溫度、濕度、高度、位置、風(fēng)速、時(shí)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(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)出現(xiàn)，但是公開發(fā)表的文獻(xiàn)與公開銷售、展示的產(chǎn)品中，沒有出現(xiàn)或包含第2-6種測量方式；能夠?qū)崿F(xiàn)第2-6種測量方式的方法、儀器或者設(shè)備也沒有公開發(fā)表，或者公開銷售、展示。每個(gè)測量節(jié)點(diǎn)一次完整的測量過程如下I. CO2傳感器預(yù)熱100秒；研究發(fā)現(xiàn)，對該傳感器先預(yù)熱，可以提高測量值的精確度。研究測定的預(yù)熱時(shí)間為至少20秒，優(yōu)選為不低于100秒。2.電機(jī)正轉(zhuǎn)，位移傳感器每O. I秒采樣一次，判斷測量室是否關(guān)閉；3. CO2濃度、溫濕度、電源電壓采樣3分鐘，同時(shí)IXD輸出顯示值，CC2420發(fā)送數(shù)據(jù)；4.電機(jī)反轉(zhuǎn)，位移傳感器每O. I秒采樣一次，判斷測量室是否完全開啟。
從應(yīng)用子系統(tǒng)看，本發(fā)明的應(yīng)用程序可包含集成控制子系統(tǒng)、通訊子系統(tǒng)、電力管理子系統(tǒng)、機(jī)械控制子系統(tǒng)、信息采集子系統(tǒng)、設(shè)備監(jiān)測與維護(hù)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、指令響應(yīng)子系統(tǒng)。所述通訊子系統(tǒng)用于控制所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入模塊；所述信息采集子系統(tǒng)用于控制所述CO2傳感器測量模塊；所述設(shè)備監(jiān)測與維護(hù)子系統(tǒng)用于控制所述顯示模塊；所述信息采集子系統(tǒng)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(tǒng)用于控制所述主控制電路模塊；所述電力管理子系統(tǒng)用于控制所述各電源模塊；所述機(jī)械控制子系統(tǒng)用于控制所述機(jī)械器件的運(yùn)行；所述數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)用于控制所述數(shù)據(jù)傳輸電路；所述指令響應(yīng)子系統(tǒng)能接收互聯(lián)網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，或者其他有線或無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的指令，通過所述集成控制子系統(tǒng)要求相關(guān)電路器件、機(jī)械器件或者軟件子系統(tǒng)做出操作或信號響應(yīng)。本發(fā)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(huán)境下進(jìn)行土壤碳通量監(jiān)測設(shè)備節(jié)點(diǎn)的大量、快速部署，并在全自動的遠(yuǎn)程環(huán)境下采集、無線發(fā)送海量數(shù)據(jù)，還能全自動地響應(yīng)遠(yuǎn)程指令，隨時(shí)啟動或停止測量進(jìn)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(yè)應(yīng)用前景。本發(fā)明的土壤碳通量監(jiān)測系統(tǒng)由 多個(gè)土壤碳通量測量器或節(jié)點(diǎn)組成，且都工作在野外環(huán)境，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)對能耗具有很高的要求。本發(fā)明在機(jī)械、電路器件的選用和電路設(shè)計(jì)、機(jī)械驅(qū)動中，最大化地解決了能耗問題，比國外需要人工抄取數(shù)據(jù)，不能無線聯(lián)網(wǎng)的同類設(shè)備可持續(xù)工作3倍以上的時(shí)間；在應(yīng)用太陽能充電的情況下，本發(fā)明的能耗優(yōu)勢更加明顯。本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明通過森林環(huán)境效益監(jiān)測系統(tǒng)對城市森林環(huán)境中的溫度、濕度和分貝的信息進(jìn)行測量；采用無線射頻收發(fā)模塊與溫度監(jiān)測傳感器模塊、濕度監(jiān)測傳感器模塊和分貝監(jiān)測傳感器模塊通過微處理器連接，將收集到的信息發(fā)送給監(jiān)測服務(wù)器；監(jiān)測服務(wù)器將各個(gè)森林環(huán)境效益監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)組織在一起對整個(gè)被監(jiān)控區(qū)域的溫度、濕度和分貝的情況進(jìn)行監(jiān)測。由于本發(fā)明通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多跳機(jī)制，對復(fù)雜環(huán)境和復(fù)雜場所的溫度、濕度和分貝進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控，并在監(jiān)測服務(wù)器上利用分析算法提高溫度、濕度和分貝測量的準(zhǔn)確性，克服了城市森林中的溫度、濕度和分貝實(shí)時(shí)、精確監(jiān)測難度大的問題，適用于各類復(fù)雜環(huán)境。


圖I是TelosB模塊與主電路的端口設(shè)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(fēng)口 ；106是測量室基座。圖2是穩(wěn)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CO2傳感器驅(qū)動電路原理圖。其中，301是電池支架；302是電機(jī)、位移傳感器支架；303是0)2傳感器固定位置；203是墊圈。圖4是電機(jī)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(shù)據(jù)傳輸電路原理圖。圖6是電源電壓監(jiān)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(bào)警電路圖。圖10是位移傳感器電路圖。
圖11是機(jī)械器件外觀圖。圖12是機(jī)械器件內(nèi)視圖。圖13是機(jī)械器件解剖圖。圖14是機(jī)械器件制動機(jī)構(gòu)圖。圖15是單次測量流程圖。圖16是定時(shí)測量流程圖。圖17是主程序流程圖。圖18為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖19為溫度、濕度和分貝檢測裝置結(jié)構(gòu)框圖；圖20為溫度傳感器模塊結(jié)構(gòu)框圖；圖21為濕度傳感器模塊結(jié)構(gòu)框圖；圖22為分貝傳感器模塊結(jié)構(gòu)框圖；圖23為電源模塊結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述實(shí)施例I本實(shí)施例的大范圍土壤碳通量監(jiān)測系統(tǒng)包含硬件和軟件編程；其中硬件設(shè)計(jì)包括電路設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)兩大塊一、電路設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)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?，F(xiàn)對各模塊進(jìn)行介紹I、TelosB 模塊TelosB是CrossBow(柯思博)公司Telos系列節(jié)點(diǎn)的Rev. B。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)實(shí)體元素叫做傳感器節(jié)點(diǎn)。TelosB就是其中一種節(jié)點(diǎn)。大范圍土壤碳通量監(jiān)測系統(tǒng)最終需要接入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。每一個(gè)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(dāng)于無線網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，它具有感知CO2濃度、溫濕度，處理信息，通信的能力。節(jié)點(diǎn)具有質(zhì)量輕、體積小、成本低的特點(diǎn)，因其是工作在野外環(huán)境下，低能耗也是最重要的特點(diǎn)之一。節(jié)點(diǎn)可以將數(shù)據(jù)發(fā)送至用戶的本地計(jì)算機(jī)上。這樣，用戶可不必身臨節(jié)點(diǎn)所處的環(huán)境，就能獲得該環(huán)境中一些有用信息。TelosB主要具有以下技術(shù)參數(shù)通信電波2. 4GHz無線電，250Kbps高速數(shù)據(jù)傳輸；MAC 協(xié)議=IEEE 802. 15. 4 ；與其他IEEE 802. 15. 4設(shè)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(jiān)測和DMA控制器；內(nèi)置天線(集成在電路板內(nèi))；集成濕度、溫度、光感應(yīng)器；極低的電流消耗；極短的喚醒時(shí)間(< 6μ s)；硬件鏈路層可加密認(rèn)證；通過USB接口編程和收集數(shù)據(jù)；外圍擴(kuò)展16腳，可用SMA接口進(jìn)行天線連接；操作系統(tǒng)TinyOS;TelosB主要由微控制單元，無線收發(fā)器，以及USB轉(zhuǎn)換器組成；選用關(guān)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(guān)系。MSP430F1611具有IOKB的RAM，48KB的閃存和128B的信息存儲；它是一個(gè)16位的單片機(jī)，采用了精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu)，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(shí)間。MSP430有一個(gè)內(nèi)部DCO數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)，頻率可達(dá)8MHz，6us內(nèi)就能從休眠狀態(tài)喚醒(室溫下一般僅需292ns。當(dāng)DCO關(guān)閉時(shí)，MSP430還可以使用一個(gè)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(gè)外部ADC和8個(gè)內(nèi)部ADC端口，內(nèi)部的ADC端口可以進(jìn)行電源電壓監(jiān)測；除此之外，它還具有很多的片內(nèi)外設(shè)SPI、UART、數(shù)字I/O端口、看門狗等等；MSP430F1611還具有一個(gè)2端口的12位DAC模塊、電源電壓監(jiān)測和3端口的DMA控制器。以下表格是它的典型操作參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種基于WSN的土壤表面CO2通量監(jiān)測系統(tǒng)，所述監(jiān)測系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，并配載到一個(gè)土壤表面CO2通量監(jiān)測測量節(jié)點(diǎn)上；所述硬件系統(tǒng)包括電路器件和機(jī)械器件；所述電路器件包含TelosB模塊、CO2傳感器測量模塊、顯示模塊、主控制電路模塊、光電開關(guān)感應(yīng)模塊；所述機(jī)械器件包括太陽能充電板、頂蓋、支撐中蓋、測量室基座，所述測量室包括至少帶一個(gè)氣門的氣室；所述軟件系統(tǒng)包括中央控制系統(tǒng)、氣室控制系統(tǒng)、測量控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)；所述中央控制系統(tǒng)控制所述氣室控制系統(tǒng)、測量控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)；所述氣室控制系統(tǒng)偵測到氣室完全關(guān)閉后，啟動測量控制系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在所述顯示模塊顯示實(shí)時(shí)的CO2濃度及測量時(shí)間；一次測量完成后，氣室控制系統(tǒng)控制所述氣室打開，所述顯示模塊的顯示界面回到初始 界面，等待下次測量的開始命令；所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)把測量數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，并接收來自網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的指令； 每個(gè)土壤表面CO2通量監(jiān)測測量節(jié)點(diǎn)一次完整的測量過程如下 CO2傳感器預(yù)熱100秒；電機(jī)正轉(zhuǎn)，位移傳感器每O. I秒采樣一次，判斷測量室是否關(guān)閉；C02濃度、溫濕度、電源電壓采樣3分鐘，同時(shí)IXD輸出顯示值，CC2420發(fā)送數(shù)據(jù)；電機(jī)反轉(zhuǎn)，位移傳感器每O. I秒采樣一次，判斷測量室是否完全開啟。
2.應(yīng)用權(quán)利要求I所述監(jiān)測系統(tǒng)的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林環(huán)境效益監(jiān)測系統(tǒng)，包括監(jiān)測服務(wù)器，其特征在于所述監(jiān)測服務(wù)器通過無線方式連接到所述監(jiān)測系統(tǒng)，還連接到處于大氣環(huán)境中不同位置的溫度、濕度和分貝監(jiān)測裝置，所述溫度、濕度和分貝監(jiān)測裝置包括電源模塊、微處理器以及與該微處理器連接的濕度監(jiān)測傳感器、溫度監(jiān)測傳感器、分貝監(jiān)測傳感器、無線射頻收發(fā)模塊；所述電源模塊通過太陽能充電并為整個(gè)溫度、濕度和分貝監(jiān)測裝置提供電能；所述溫度、濕度和分貝監(jiān)測裝置通過各自的無線射頻收發(fā)模塊相互連接并通訊；所述的濕度監(jiān)測傳感器可以監(jiān)測大氣濕度；所述的溫度監(jiān)測傳感器可以監(jiān)測環(huán)境溫度；所述的分貝監(jiān)測傳感器可以監(jiān)測環(huán)境中的分貝；或者，所述溫度、濕度和分貝監(jiān)測裝置與所述監(jiān)測系統(tǒng)共享通用模塊，包括管理電源、通訊、數(shù)據(jù)集成、外殼防護(hù)的模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林環(huán)境效益監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述監(jiān)測服務(wù)器是PC，該P(yáng)C的信號收發(fā)接口連接有無線信號收發(fā)裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林環(huán)境效益監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述微處理器是msp430。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林環(huán)境效益監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述無線射頻收發(fā)模塊是基于射頻芯片CC2420的ZigBee無線通信集成電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林環(huán)境效益監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述溫度傳感器模塊由溫度信號采集模塊、溫度信號處理轉(zhuǎn)換模塊、信號收發(fā)控制模塊和整流抗干擾電路組成，所述溫度信號采集模塊的信號輸出端與溫度信號處理轉(zhuǎn)換模塊的信號輸入端連接，溫度信號處理轉(zhuǎn)換模塊的信號輸出端連接有信號收發(fā)控制模塊的信號輸入端，信號收發(fā)控制模塊的信號輸出端連接到整流抗干擾電路的輸入端，所述整流抗干擾電路的信號輸出端為作為整個(gè)溫度傳感器模塊的信號輸出端連接到微處理器上。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林環(huán)境效益監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述濕度傳感器模塊由濕度信號采集模塊、濕度信號處理轉(zhuǎn)換模塊、信號收發(fā)控制模塊和整流抗干擾電路組成，所述濕度信號采集模塊的信號輸出端與濕度信號處理轉(zhuǎn)換模塊的信號輸入端連接，濕度信號處理轉(zhuǎn)換模塊的信號輸出端連接有信號收發(fā)控制模塊的信號輸入端，信號收發(fā)控制模塊的信號輸出端連接到整流抗干擾電路的輸入端，所述整流抗干擾電路的信號輸出端為作為整個(gè)濕度傳感器模塊的信號輸出端連接到微處理器上。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林環(huán)境效益監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述分貝傳感器模塊由分貝信號采集模塊、分貝信號處理轉(zhuǎn)換模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和信號收發(fā)控制模塊組成，所述分貝信號采集模塊的信號輸出端與分貝信號處理轉(zhuǎn)換模塊的信號輸入端連接，分貝信號處理轉(zhuǎn)換模塊的信號輸出端連接有數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的信號輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的信號輸出端連接到信號收發(fā)控制模塊的輸入端，信號收發(fā)控制模塊的信號輸出端連接到整流抗干擾電路的輸入端，所述整流抗干擾電路的輸出端為作為整個(gè)分貝傳感器模塊的信號輸出端連接到微處理器上。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林環(huán)境效益監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述電源模塊由太陽能充電模塊、穩(wěn)壓電路、控制電路和蓄電池組成，所述的太陽能充、電模塊接受光照并充電，太陽能充電模塊的輸出端連接到穩(wěn)壓電路的輸入端，穩(wěn)壓電路的輸出端連接到控制電路的輸入端，控制電路的輸出端連接到蓄電池的輸入端，蓄電池的輸出端連接到溫度傳感器模塊、濕度傳感器模塊、分貝傳感器模塊和無線射頻收發(fā)模塊上以提供電能。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于WSN的土壤表面CO2通量監(jiān)測系統(tǒng)，所述監(jiān)測系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)；所述硬件系統(tǒng)包括電路器件和機(jī)械器件；所述電路器件包含TelosB模塊、CO2傳感器測量模塊、顯示模塊、主控制電路模塊、光電開關(guān)感應(yīng)模塊；所述機(jī)械器件包括太陽能充電板、頂蓋、支撐中蓋、測量室基座，所述測量室包括至少帶一個(gè)氣門的氣室；所述軟件系統(tǒng)包括中央控制系統(tǒng)、氣室控制系統(tǒng)、測量控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)；所述中央控制系統(tǒng)控制所述氣室控制系統(tǒng)、測量控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)；所述氣室控制系統(tǒng)偵測到氣室完全關(guān)閉后，啟動測量控制系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在所述顯示模塊顯示實(shí)時(shí)的CO2濃度及測量時(shí)間；一次測量完成后，氣室控制系統(tǒng)控制所述氣室打開，所述顯示模塊的顯示界面回到初始界面，等待下次測量的開始命令；所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)把測量數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，并接收來自網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的指令。本發(fā)明的技術(shù)適合應(yīng)用于需要自動采集、自動處理海量信息的CO2通量監(jiān)測領(lǐng)域。
文檔編號G08C17/02GK102721435SQ20111036397
公開日2012年10月10日 申請日期2011年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月15日
發(fā)明者吳曉平, 周國模, 周宇峰, 莫路鋒 申請人:周國模