徐 庆，阚江明，郝志斌

(北京林业大学 工学院，北京 100083)

活立木生物电是指在活立木的韧皮部、木质部等部分与其附近土壤之间存在的持续、稳定、微小的电势差或微电流[1]。从20世纪70年代开始，科学家们就发现了这一现象，Voltree公司从2005年起便开始使用树力电路[2]。无线传感器网络是近几年发展起来的一种用于环境信息采集与监测的信息技术，并且在农林业环境监测中开始研究与应用[3]。因为无线传感器网络节点一般不用市电供电，其供电问题一直是一个没有很好解决的关键问题。由于目前主要采用电池供电，定期更换电池是一个非常麻烦的工作[4]。目前研究中涉及的太阳能、光能、风能、振动能、压电能、电磁波能和热能等环境能在森林环境中都不太适用[5]。由于活立木生物电势差普遍存在且连续，若采用一定的微能量收集技术将它收集起来，便可以对林区低功耗无线通讯设备进行供电，进一步促进森林信息监测[6]。但是对于这种电信号产生的机理，至今尚未得到一个清楚的定论。早先科学家们认为是由于“流动电位”原理而产生的，即在根压和蒸腾作用的共同影响下，树液在树木内部流动而产生的电势差，并且这种电势差会受到环境的影响[7-8]。然而麻省理工学院生物物理学家兼Voltree公司科学顾问Andreas Mershin等则认为，产生这种电势差的原因可能是由于活立木内部液流与周围土壤之间的酸碱度(pH值)差造成的，并通过盆栽的垂叶榕实验发现酸碱度的改变确实影响这种电势差，研究还发现树木与其周围的土壤之间的PH值差异可以产生几十到几百毫伏的电势差[9-10]。北京林业大学的李文彬教授对其校园内的杨树、悬铃木、侧柏和杜仲树与其周围土壤之间存在的生物电信号进行测量，发现电势差的范围在-57～553 mV之间，电流在12～38 μA之间。不同树种与其周围土壤之间的生物电信号不相同，且与季节、土壤等环境因素有关。他所采用的测量方法是：将金属探针打入活立木树干中，在附近土壤30 cm深处埋入金属电极，在探针和电极之间连接一个2MΩ的电阻，通过万用表测得电阻两端的电压值，便得到了活立木生物电信号的电压值。

但若需探明活立木生物电产生的机理，分析出它与环境因子之间的关系，需要进行大量数据测量。而人工测量的方法，在测量效率和数据实时性等方面存在不足，因此需要设计一套活立木生物电及其环境因子监测系统，用于实时监测活立木生物电及周围环境因子的大小，并将采集到的数据远程传输至计算机上。

本文介绍了一种活立木生物电及其环境因子监测系统，该系统由基于MSP430F149单片机的下位机系统和基于VB6.0的上位机系统组成，它们之间通过GPRS网络进行远程数据传输。活立木生物电弱信号通过放大电路经A/D转换后输入至单片机，其他环境因子通过各类传感器输入至单片机中。单片机将数据暂时存放在ROM中，一段时间后，通过GPRS模块将数据远程传输至指定IP的上位机。上位机通过基于VB6.0编写的软件程序实时接收下位机传来的数据，利用Socket控件实现网络通信，利用ADO控件实现与Access 2003数据库进行连接，并将数据存入Access数据库中。同时软件还可以完成历史数据查询、筛选，对指定数据进行曲线绘制，完成数据分析。

1 系统组成

系统由下位机系统、GPRS无线网络、上位机服务器以及上位机软件组成。下位机系统由MSP430F149单片机、生物电弱信号放大电路以及各传感器组成，主要用于采集活立木生物电电压大小以及活立木周围环境因子；GPRS无线网络的主要任务是将下位机采集到的数据传输到上位机服务器；上位机服务器为一台有固定IP地址的PC机，用来接收通过GPRS网络传来的数据；上位机软件将服务器接收的数据存入数据库中，并完成数据的显示和初步分析。系统的整体组成如图1所示。

图1 系统整体组成

2 下位机系统

下位机系统以单片机MSP430F149为控制核心，结合多种传感器，用于采集活立木与附近土壤之间的电势差、活立木附近的空气温湿度、土壤温湿度及光照强度等环境因素，并通过GPRS网络将数据发送至远程服务器。硬件系统包含单片机模块、传感器及其接口模块、无线通信模块和电源模块。单片机模块包括单片机MSP430F149及其外围电路，作为系统的控制单元，控制系统其它模块正常运行，图2为单片机系统原理图；传感器及其接口模块包括部分传感器及其它传感器接口，可采集相应参数信息，并由单片机读取和存储；无线通信模块包括GSM/GPRS模块GTM900C及其外围电路、SIM卡电路，可在单片机控制下将数据通过GPRS网络发送至远程服务器；电源模块包括LM2576-ADJ及其外围电路、MIC5219-3.3及其外围电路、ICL7660及其外围电路，分别为系统提供4.2、3.3和-4.2 V电压。下位机系统结构框图如图3所示。

下位机系统具有多种信号采集功能，可同时用于采集活立木与大地之间的电势差、活立木附近的空气温湿度、土壤温湿度及光照强度；电势差的测量量程可调节；选用低功耗单片机MSP430F149作为控制核心，通过驱动程序控制周期性工作；采用分区供电方式，部分电路可在不需要工作时停止供电；可通过GPRS网络向远程服务器发送数据，可靠便捷；提供多种传感器接口和数字通信接口，功能扩展性强。

3 GPRS无线网络

系统采用GPRS无线网络作为系统数据信息传输的纽带，通过RS-232连接下位机系统中的MSP430F149单片机。GPRS以封包(Packet)式来传输，和以往连续在频道传输的方式不同，理论上使用者应负担的费用依据传输资料单位计算，并不是使用其整个频道，所以价格较为便宜[11]。使用GPRS传输速率可提升至56 甚至114 kbps 以上，而且省去了现行无线应用所需要的中介转换器[12]，因此连接和传输都会更方便容易。系统数据信息传输过程如图4所示。

图2 单片机系统原理图

图3 下位机系统结构框图

图4 系统数据信息传输

4 上位机服务器及软件

4.1 Winsock控件

上位机服务器是具有Internet接入能力的PC机，它配置固定的IP地址，与GPRS网络相连。下位机系统上电启动成功后，会在驱动程序的控制下，自动连接上指定IP地址的上位机服务器。系统正常工作时，服务器主要应用Winsock控件来实现数据的接收，利用该控件可以与下位机的GPRS模块建立连接，通过TCP协议进行数据的交互。一旦服务器端接受了下位机客户机端方面的连接请求，下位机便可以发送数据。此时，在下位机和服务器之间就拥有了一个Socket，通过此Socket实现数据传输[13]。

4.2 ADO控件

上位机软件采用可视化人机界面将接收到的数据进行实时显示，通过ADO访问系统数据库，将采集到的数据保存至数据库中，当需要查看的时候，根据用户需要，通过表格或者动态曲线图的形式显示出来。也可以实现对历史数据按照测量时间、测量地点、活立木树种等条件进行筛选查询。

4.3 数据库

本系统使用的数据库通过Microsoft Access 2003创建，用来存放、维护和检索系统采集到的数据。在本数据库中共设计了三个表，分别为“生物电与因子”、“位置树种”、“用户管理”。“生物电与因子”表用来直接存放下位机实时传来的数据，由“Data Num”、“Date”、“Time”、“Node Address”、“Vbat”、“Close V1”、“Close V2”、“Air Temperature”、“Air Humidity”、“Soil Temperature”、“Soil Moisture”、“Light Intensity”12个字段组成，“Node Address”为主码。“位置树种”表用来存放不同编号的活立木所处的地点以及树种名称，由“Node Address”、“Location”、“Type”3个字段组成，同样地，“Node Address”为主码。“用户管理”表主要用来记录可以正常登录系统的用户名及密码。

4.4 上位机软件程序流程

当系统通过Winsock控件与下位机系统、通过ADO控件与数据库连接成功后，用户可利用具有可视化人机界面的上位机软件进行数据的查询、分析。软件的程序流程图如图5所示。

图5 上位机软件程序流程图

4.5 上位机软件界面设计

软件界面由欢迎界面、登录界面、主界面、数据筛选查询界面、数据曲线界面组成。打开软件程序后，欢迎界面提示用户系统的名称。用户点击鼠标左键后，软件载入登录界面，用户正确输入用户名和密码后进入系统主界面。在主界面中，用户可根据需要选择“实时数据”进行历史数据查看；选择“数据查询”对历史数据按条件进行筛选查询；选择“数据分析”把历史数据绘制成动态曲线，进行分析；选择“退出系统”关闭软件程序。系统主界面截图如图6所示。

图6 上位机软件主界面

4.6 历史数据显示

在“实时数据”界面中主要采用DataGrid控件和Adodc控件。Adodc控件的相关属性配置如下：CommandType选择2-adCmdTab.le；ConnectedString属性在通用界面中选择“使用连接字符串”，在“生成”选项的“连接”子菜单中按路径选择要连接的数据库data.mdb；RecordSource属性选择将要连接的表“生物电与因子”[14]。而对于DataGrid控件，只需将它的DataSource属性选择Adodc1。在窗体载入的时候，利用Adodc1.Recordset.Update命令，便可以刷新DataGrid控件上的数据，完成历史数据在表格中的显示。

4.7 数据筛选查询

用户可根据需要，对历史数据按照一定条件进行查询。在本系统中，可以单一条件查询，也可以多条件查询。查询界面如图7所示。在程序中，通过SQL语言中的SELECT语句完成数据筛选。例如，选择某一编号的活立木在都以日期下的数据，程序代码如下：sql="select * from 生物电与因子 where Node Address like '%" & Trim(Text1.Text & " ")& "%' and Date like '%" & Trim(Text2.Text & " ")& "%'"；选择某一树种在某一位置下的数据，程序代码如下：sql="select * from 生物电与因子 where Node Address in(select Node Address from 位置树种 where Type like '%" & Trim(Combo2.Text & " ")& "%')and Date like '%" & Trim(Text2.Text & " ")& "%'"。

图7 数据查询界面

4.8 数据曲线绘制

为了方便用户更加直观地分析采集到的数据，软件具有根据历史数据绘制成曲线的功能。在窗体上采用Chart控件完成曲线的绘制，采用PixtureBox控件实现曲线的显示[15]。在程序中，将数据库中将要绘制的数据存到数组Array(i)中；数组中数据个数赋给Chart1.Rows，即图象横坐标长度；图像纵坐标的上、下界分别为Chart1.MaxValue、Chart1.MinValue。在窗体加载时，采用RefreshGraph方法完成图象的更新和显示。图8为系统2013年12月21日在北京林业大学校园内所测得的一组活立木生物电与空气温度和土壤温度数据，绘制出的它们之间的关系曲线图。

图8 数据曲线图

5 结束语

本文从下位机采集系统、GPRS远程数据传输系统、上位机数据处理系统三个方面，介绍了活立木生物电及其环境因子实时监测系统的设计。在这个系统中，活立木生物电与周围环境因子为测量对象，通过弱信号放大、A/D转换、传感器接口等方法，将测量数据读入并暂时储存至MSP430F149单片机中。再通过GPRS模块，将ROM中保存的数据远程传输至服务器PC机端，进而得到大量的活立木生物电与周围环境因子数据。通过设计好的上位机软件，可将得到的数据进行查询、筛选、曲线绘制等，进而对数据进行简单的分析。

系统设计完毕后，通过在北京林业大学校园内对美桐树进行实地测试。通过比较传输至PC机端的数据和实地测量的数据，误差较小，系统整体运行良好，满足设计要求。该系统可直接运用于后期的深入研究中去，对于进一步地分析、研究活立木生物电具有重要意义。

【参 考 文 献】

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