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)

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基于多傳感器融合的珍稀樹木立體監(jiān)測系統(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)

針對現(xiàn)有的人員巡更存在的監(jiān)管不力問題，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木監(jiān)測系統(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、震動與聲音傳感器實(shí)現(xiàn)防破壞保護(hù)；當(dāng)周圍環(huán)境發(fā)生異常時(shí)，控制模塊與GPRS模塊通信，完成現(xiàn)場情況的捕捉，并將圖像發(fā)送至服務(wù)器；工作人員可以通過手機(jī)APP端獲取樹木周圍的各項(xiàng)信息，實(shí)現(xiàn)對珍稀樹木的立體式實(shí)時(shí)監(jiān)測及保護(hù)功能。

珍稀樹木保護(hù)；物聯(lián)網(wǎng)；多傳感器融合

珍稀樹木屬于品種稀有且瀕臨滅絕的樹種，具有材質(zhì)好、壽命較長、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，對其開展合理保護(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，我國眾多名貴樹木已瀕臨滅絕[1-2]。隨著社會各行業(yè)的高速發(fā)展，人們對環(huán)境的保護(hù)意識也越來越強(qiáng)[3-4]，珍稀樹木是具有重要經(jīng)濟(jì)文化價(jià)值的植物資源，我們應(yīng)當(dāng)重視其生長環(huán)境及對樹木本身的防破壞與保護(hù)。目前，對珍稀樹木的土壤監(jiān)測主要通過探針探測儀來實(shí)現(xiàn)；而防破壞監(jiān)測主要采用多點(diǎn)視頻監(jiān)控配合人工巡查方式進(jìn)行，少數(shù)林區(qū)還通過植入RFID芯片完成珍貴樹木的保護(hù)。大范圍的視頻防盜監(jiān)測方法存在盲區(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木通過閘點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生信號報(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，用戶可以通過手機(jī)在APP端對樹木的生長環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，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)場控制站、服務(wù)器子系統(tǒng)和手機(jī)APP監(jiān)測3個(gè)子系統(tǒng)，該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。現(xiàn)場控制站是以單片機(jī)作為控制的核心，以GPRS模塊作為信息的發(fā)送單元，通過采集溫濕度、紅外信號、震動信號以及聲音信號組成了一種立體式監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取樹木及周圍的有關(guān)信息?，F(xiàn)場控制站由溫濕度檢測模塊、現(xiàn)場危險(xiǎn)情況監(jiān)測模塊、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)的樹木上。

圖1 珍稀樹木的物聯(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)場控制站

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

2.2.1 溫濕度信息檢測

土壤的溫濕度對于樹木的生長狀況具有重要的影響。采用溫濕度一體傳感器SHT21對珍稀樹木周圍的土壤進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，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)對珍稀樹木的破壞。傳感器輸出信號采用電流環(huán)傳送技術(shù)，具有抗干擾能力強(qiáng)、傳送距離遠(yuǎn)、測量精度高、響應(yīng)快的特點(diǎn)。

2.2.2 現(xiàn)場危險(xiǎn)情況信息檢測

通過對珍稀樹木周圍環(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、聲音信號進(jìn)行報(bào)警分析，通過各傳感器的組合報(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，會輻射出10 μm的遠(yuǎn)紅外線，熱釋電紅外傳感器鑒于該特征來進(jìn)行人體檢測。首先人發(fā)出的10 μm紅外線通過PIR前段的菲尼爾透鏡聚集到紅外感應(yīng)源上，然后信號經(jīng)過PIR后端的運(yùn)放放大后，產(chǎn)生模擬電壓值信號，通過信號比較判斷是否存在入侵隱患。

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

聲音傳感器：聲音也是一項(xiàng)會產(chǎn)生明顯變化的參數(shù)，通過聲音傳感器對珍稀樹木周圍環(huán)境的聲音變化進(jìn)行檢測。該傳感器信號以模擬量形式輸出，響度越大傳感器輸出的模擬量值越大，為了排除周圍噪聲的影響，加入了噪聲電阻或軟件濾波。

2.2.3 視頻監(jiān)測

視頻監(jiān)控是利用傳感器發(fā)出的警報(bào)信號觸發(fā)攝像頭記錄現(xiàn)場信息，并抓拍現(xiàn)場圖像傳送到手機(jī)APP客戶端。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，在光線較暗的條件下也可以清晰地成像，同時(shí)系統(tǒng)也會判斷圖像是否過暗，從而選擇是否開啟閃光燈進(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)庫和服務(wù)器。服務(wù)器負(fù)責(zé)與各個(gè)現(xiàn)場控制站通信，通過互聯(lián)網(wǎng)獲取各個(gè)現(xiàn)場控制站數(shù)據(jù)，并將其及時(shí)保存至數(shù)據(jù)庫服務(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)測子系統(tǒng)

遠(yuǎn)程信息監(jiān)測子系統(tǒng)可以采用PC機(jī)或方便的移動通信設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，針對監(jiān)控對象，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)的樹木均可以通過此APP進(jìn)行集中監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)監(jiān)測可視化。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)軟件

針對手機(jī)用戶開發(fā)的APP軟件界面如圖3所示，該界面完成了對現(xiàn)場多棵珍稀樹木的在線集中監(jiān)測，當(dāng)現(xiàn)場控制站判斷出現(xiàn)異常情況時(shí)，會給出報(bào)警信息，同時(shí)記錄下報(bào)警畫面。

3.2 下位機(jī)編程

下位機(jī)采用C語言對STM32F103VET6單片機(jī)開發(fā)?？刂葡到y(tǒng)的流程如圖4所示。系統(tǒng)使用震動傳感器、聲音傳感器，以及熱釋電紅外傳感器作為環(huán)境信息來源，采用多傳感器融合的方法對周圍環(huán)境的變化進(jìn)行監(jiān)測，從而降低了誤判行為。當(dāng)傳感器接收到信號并判斷存在破壞行為后，觸發(fā)攝像頭進(jìn)行拍攝。系統(tǒng)可以對圖像灰度直方圖進(jìn)行計(jì)算，如果較暗將開啟閃光燈進(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)控人員可通過上位機(jī)看到監(jiān)測系統(tǒng)的報(bào)警信息。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)珍稀樹木監(jiān)測系統(tǒng)

3.3 專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)

內(nèi)嵌的專家系統(tǒng)主要用于對現(xiàn)場傳感器的融合判斷分析，進(jìn)而提高報(bào)警的準(zhǔn)確率。知識庫采用正向推理，采用產(chǎn)生式規(guī)則表示。珍稀樹木監(jiān)測狀態(tài)分為：正常、擾動、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)場畫面發(fā)送到上位機(jī)；策略2：若系統(tǒng)判斷存在擾動狀態(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：不采取動作。系統(tǒng)分別設(shè)置了振動上限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)字信號溫度值，q(t)表示讀取的數(shù)字信號濕度值，專家規(guī)則如表1所示。

圖4 監(jiān)控流程圖

序號振動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)的珍稀樹木立體式監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)與軟件開發(fā)過程。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了用戶與系統(tǒng)之間的無線通訊，利用溫濕度傳感器實(shí)現(xiàn)了珍惜樹木土壤環(huán)境的監(jiān)控，通過紅外、震動、聲音等傳感器的融合使用完成了樹木的破壞性保護(hù)。采用攝像頭實(shí)現(xiàn)樹木現(xiàn)場的整體宏觀監(jiān)控，系統(tǒng)通過制定多傳感器融合的報(bào)警策略，不僅實(shí)現(xiàn)了對珍稀樹木的遠(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)。

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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)國家級大學(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。