活立木生物電智能移動終端查詢系統(tǒng)的設(shè)計

李冰雪　梁振宗　高珊　孫琳琳　陳路　黃文慧

摘要：為能夠?qū)盍⒛旧镫姰a(chǎn)生情況進(jìn)行有效的監(jiān)測，設(shè)計一種能遠(yuǎn)程查詢活立木生物電產(chǎn)生情況的移動終端查詢系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括對活立木生物電信號進(jìn)行測量及采集的下位機(jī)系統(tǒng)、進(jìn)行無線通信遠(yuǎn)程查詢的藍(lán)牙和GSM系統(tǒng)，以及對實時數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示以供用戶分析的上位機(jī)系統(tǒng)，通過鐵釘電極傳輸至下位機(jī)，經(jīng)采集電路、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和編程接口等模塊，將測得數(shù)據(jù)讀入并暫存至STC89C52RC單片機(jī)ROM中，用戶在手機(jī)端可通過指令驅(qū)動單片機(jī)將測得的實時數(shù)據(jù)以短消息的形式傳輸至手機(jī)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。試驗測試和應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確監(jiān)測活立木生物電量產(chǎn)生情況，并能將數(shù)據(jù)實時傳輸至用戶手機(jī)端，工作穩(wěn)定。該系統(tǒng)體積較小，便于攜帶和安裝，利用了現(xiàn)代智能手機(jī)終端的便捷性，提高了活立木生物電量數(shù)據(jù)獲取的效率，且具有可移動性、快速性，為了解活立木生物電量產(chǎn)生規(guī)律、收集、查詢、存儲和利用的深入研究提供參考。

關(guān)鍵詞：生物電;活立木;移動終端;藍(lán)牙;GSM

中圖分類號：S712;TP274文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-8023（2019）03-0041-07

Design of Intelligent Mobile Terminal System for Bioelectricity of Standing Tree

LI Bingxue， LIANG Zhenzong， GAO Shan*， SUN Linlin， CHEN Lu， HUANG Wenhui

（College of Engineering and Technology， Northeast Forestry University， Harbin 150040）

Abstract： In order to effectively monitor the state of bioelectricity of standing tree， a mobile terminal system was designed to achieve the remote query of the bioelectricity producing situation of trees. The system mainly includes the hypogyny machine system for measurement and collection of bioelectricity signals， bluetooth and GSM systems for wireless remote query， and the PC system of displaying real-time data for further analysis. The system is to transmit to the next bit machine by nails electrode， the sampling circuit， amplifying circuit， A/D conversion circuit and programming interface module， will read the measured data and temporary to STC89C52RC MCU in the ROM. The user can transmit the measured real-time data to the mobile phone in the form of a short message by using the instruction-driven MCU on the mobile terminal， realizing real-time monitoring of the data. The in-situ test and application showed that the system can accurately monitor the biological energy data， and the data can be real-time transmitted to the mobile terminal for checking and recording. The system operates steadily and can meet the need of real-time monitor and query of the test data. The system is small， easy to carry and install， the use of modern smart phone terminal convenience， improve the efficiency of living wood biological power data acquisition， and has mobility， rapidity. This paper provides reference for further studies to understand the law of generation， collection， query， storage， and utilization of bioelectricity of trees.

Keywords：Bioelectricity; standing tree; mobile terminal; Bluetooth; GSM

0引言

活立木生物電是指在部分樹木的韌皮部、木質(zhì)部和葉片等部位和鄰近土壤之間形成的一個持續(xù)的電勢差或微弱的電流[1]。這種電勢差大小通常在幾十至幾百毫伏之間，在兩個電極之間連接一個電阻或負(fù)載，就會形成連續(xù)的電流[2]。在大數(shù)據(jù)背景下，利用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對活立木生物電產(chǎn)生的信息進(jìn)行采集和遠(yuǎn)程終端監(jiān)測，則是林業(yè)智能化的體現(xiàn)和要求。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在林業(yè)方面雖尚在起步階段，但能擴(kuò)展傳統(tǒng)資源管理等能力有很大的發(fā)展空間[3]。移動終端查詢系統(tǒng)作為通訊設(shè)備推動了各個領(lǐng)域智能化發(fā)展，如今的智能移動終端查詢在物流查詢、林業(yè)數(shù)據(jù)采集、農(nóng)作物生長監(jiān)測、移動執(zhí)法和移動商務(wù)等生產(chǎn)生活的各個方面都起到了很大的作用。目前，活立木生物電監(jiān)測系統(tǒng)研究已有成效，但對裝置的便攜性及觀察的即時性仍有待探究，利用智能移動終端監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行活立木生物電產(chǎn)生和存儲的遠(yuǎn)程監(jiān)測還未見報導(dǎo)。

1生物電的產(chǎn)生和監(jiān)測研究現(xiàn)狀

1.1現(xiàn)有的生物電產(chǎn)生規(guī)律研究進(jìn)展

活立木生物電的產(chǎn)生受多種因素的影響，與樹木液流、光合作用和土壤pH等因素有著密切的關(guān)系。

早期學(xué)者在觀察到活立木生物電能的存在后，發(fā)現(xiàn)活立木生物電的大小的日變化與太陽輻射之間存在一定的關(guān)系[4]。法國學(xué)者M(jìn)orat發(fā)現(xiàn)樹液的存在是活立木生物電能產(chǎn)生的主要原因且活立木生物電的電勢差的變化與季節(jié)有關(guān)[5]。同樣，匈牙利學(xué)者通過5 a的連續(xù)試驗觀察，發(fā)現(xiàn)活立木生物電的變化與液流密度的變化有關(guān)，且電勢差的變化相對于液流通量的變化呈指數(shù)變化，并得出活立木的電勢差受蒸騰作用的影響[6]。也有研究表明電勢差的產(chǎn)生是液流、光合作用和環(huán)境因素共同作用的結(jié)果，提出活立木生物電產(chǎn)生是電荷從導(dǎo)電液流溝道向電阻木質(zhì)部墻擴(kuò)散過程[2]。Christopher J.Love等人得出活立木與其周圍的土壤之間電勢差是由木質(zhì)部和土壤之間pH值的變化產(chǎn)生的[1]。北京林業(yè)大學(xué)的馮超通過實驗亦證明此條結(jié)論，得出木的木質(zhì)部和其生長土壤之間pH值差值是影響活立木生物電能大小的重要因素，同時研究了活立木與土壤之間生物電能的發(fā)電電路模型[7]，也有研究證明木質(zhì)部和土壤之間的電壓與土壤pH之間符合Nernst方程[8]。

1.2現(xiàn)有的生物電存儲和遠(yuǎn)程監(jiān)測的研究進(jìn)展

最早的成型的活立木生物電存儲體系的研究來自于美國麻省理工大學(xué)的研究團(tuán)隊，國內(nèi)從事生物電產(chǎn)生、存儲和應(yīng)用的研究領(lǐng)隊是北京林業(yè)大學(xué)李文彬教授和闞江明教授的團(tuán)隊，相關(guān)研究已經(jīng)取得一定的進(jìn)展。

2008年，麻省理工大學(xué)成立了一家名為Voltree Power的公司，該公司的研發(fā)人員針對森林監(jiān)測中的無線傳感器節(jié)點供電問題設(shè)計、測試了樹電環(huán)境檢測儀系統(tǒng)，將利用在活立木上發(fā)現(xiàn)的微弱生物電放大并且通過充電電路將放大后的生物電儲存起來，為微型傳感器設(shè)備供電[9]。北京林業(yè)大學(xué)的李小婉對活立木生物電能產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了分析，設(shè)計了一種活立木生物電能與太陽能的收集系統(tǒng)，通過對收集系統(tǒng)進(jìn)行實地測試，確定了所設(shè)計電路能將采集到的活立木生物電能與太陽能存儲起來，并能應(yīng)用于低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中[10]。北京林業(yè)大學(xué)的尹鳳媛根據(jù)影響活立木生物電產(chǎn)生的因素進(jìn)行分析，對活立木生物電收集的可行性進(jìn)行了研究，設(shè)計并制作了活立木生物電能收集的電路，實現(xiàn)了為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電池的供電[11]。北京林業(yè)大學(xué)郝志斌研究了活立木生物電能存儲并為無線傳感器節(jié)點供電的問題，分析了環(huán)境因子對活立木生物電的影響，實現(xiàn)了連續(xù)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電的問題[12]。徐慶研制了一種活立木生物電和環(huán)境因子的監(jiān)測系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)對活立木生物電源參數(shù)進(jìn)行了遠(yuǎn)程監(jiān)測[13]。

在實際的實驗過程中發(fā)現(xiàn)，相同時間、相同環(huán)境條件下的生物電量是不穩(wěn)定的，研究活立木生物電能的周期性變化規(guī)律，則需要長時間、短間隔地對生物電能進(jìn)行持續(xù)測量，并能夠即時通訊，使實時數(shù)據(jù)從硬件傳輸?shù)接脩舳恕，F(xiàn)有的活立木生物電檢測主要依賴于人工立地測量，無法持續(xù)的獲取實驗數(shù)據(jù)。

因此本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種活立木生物電產(chǎn)生的智能移動終端查詢的實現(xiàn)方式，通過手機(jī)可即時查詢下位機(jī)系統(tǒng)實時監(jiān)測的活立木生物電產(chǎn)生情況，實現(xiàn)便攜可移動，近遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)查詢。

為后續(xù)了解活立木生物電量產(chǎn)生規(guī)律、收集、查詢、存儲和利用的深入研究提供參考。

2活立木生物電監(jiān)測原理

現(xiàn)有的活立木生物電的監(jiān)測基本上包括兩個部分：一是立地的儀器布置進(jìn)行電勢或電流的檢測和測量;二是利用多種信號采集功能的下位機(jī)系統(tǒng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。

2.1活立木生物電信號的檢測

植物體內(nèi)由于化學(xué)反應(yīng)會使植物體內(nèi)部、植物與環(huán)境之間產(chǎn)生產(chǎn)生微弱電勢差，其產(chǎn)生原因為陰陽離子分布不均，帶電粒子進(jìn)行跨膜運輸[10]。根據(jù)電流或電勢測量的回路原理，生物電的檢測一般是分別在樹干中和附近土壤插入金屬電極，在兩個電極之間連接一個的電阻，使木質(zhì)部和土壤之間形成閉合電路。將本文所設(shè)計查詢系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的兩個金屬夾分別夾在樹木和土壤的兩個金屬探針上，即可測得該活立木的生物電量。

2.2活立木生物電信號的傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)測

遠(yuǎn)程查詢活立木生物電產(chǎn)生情況的移動終端查詢系統(tǒng)主要包括對活立木生物電信號進(jìn)行測量及采集的下位機(jī)系統(tǒng)、進(jìn)行無線通信遠(yuǎn)程查詢的GSM系統(tǒng)和藍(lán)牙，以及對實時數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示以供用戶分析的上位機(jī)系統(tǒng)。

下位機(jī)系統(tǒng)具有多種信號采集功能，可同時用于采集活立木木質(zhì)部與土壤之間的電勢差，電勢差的測量量程可調(diào)節(jié)，并可將信號以電壓值傳送給單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換口，單片機(jī)得到轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)后，通過驅(qū)動程序控制周期性工作，提供多種傳感器接口和數(shù)字通信接口。

GSM數(shù)據(jù)傳輸模塊是一個類似于手機(jī)的通訊模塊， 可以發(fā)送短消息和語音等， 信號穩(wěn)定， 且通訊距離不受周圍環(huán)境影響[14]。在進(jìn)行單片機(jī)端硬件設(shè)計時，通過GSM采用串行異步通信接口與單片機(jī)鏈接，串行控制模塊可實現(xiàn)發(fā)送和接收短消息的功能， 幾乎滿足所有用戶的在空間尺寸上的要求。單片機(jī)與藍(lán)牙的連接方式為URAT連接，通過數(shù)據(jù)線、信號線、電源線以及天線來實現(xiàn)連接。在進(jìn)行單片機(jī)端對藍(lán)牙基本數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行軟件設(shè)計時，采用的方式為嵌入式，編程語言為C語言，開發(fā)環(huán)境為Keil[15]。藍(lán)牙初始化和交互鏈接完成后進(jìn)行處理數(shù)據(jù)，將傳輸完成的數(shù)據(jù)提取出來，通過液晶顯示器來進(jìn)行相應(yīng)的操作并發(fā)送到上位機(jī)軟件上。

3智能移動終端查詢系統(tǒng)的設(shè)計

3.1系統(tǒng)組成

基于系統(tǒng)功能，系統(tǒng)組成由單片機(jī)模塊、藍(lán)牙模塊、GSM模塊、編程端口和LCD液晶顯示等5個部分。單片機(jī)模塊作為整個系統(tǒng)的核心，控制下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取和采集，并能連接控制電流電壓采樣、放大電路部分，提供LCD液晶顯示模塊的控制信號等;藍(lán)牙模塊最大可傳輸距離為10 m，能實現(xiàn)近距離數(shù)據(jù)快速傳輸，與安卓手機(jī)進(jìn)行通信以及時查詢實時數(shù)據(jù);GSM模塊實現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)距離較遠(yuǎn)時藍(lán)牙系統(tǒng)連接出現(xiàn)困難，即可采用第二種方案，即GSM模塊，實現(xiàn)手機(jī)與查詢系統(tǒng)的通信，其具有發(fā)送SMS短信、語音通話和GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)然贕SM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的所有基本功能[16]，可通過網(wǎng)絡(luò)通信功能實現(xiàn)任何距離的數(shù)據(jù)傳輸;編程端口與單片機(jī)進(jìn)行串口通信，將程序下載到單片機(jī)里。LCD液晶顯示模塊進(jìn)行電壓值和電流值的瞬時顯示。下文在硬件組成和軟件服務(wù)界面等方面介紹本系統(tǒng)的設(shè)計情況。終端查詢系統(tǒng)組成模塊如圖1所示，原理如圖2所示。

3.2下位機(jī)系統(tǒng)

下位機(jī)系統(tǒng)以STC89C52RC單片機(jī)作為核心，該單片機(jī)是宏晶科技出產(chǎn)的，與8051單片機(jī)指令代碼相互兼容。其主要功能是數(shù)據(jù)的中間轉(zhuǎn)發(fā)等。主要特性：

（1）可選擇12或6時鐘/機(jī)器周期，為8051的增強(qiáng)型。

（2）工作電壓：5.5～3.3 V。

（3）工作頻率范圍：0～40 MHz，實際工作頻率達(dá)到48 MHz。

（4）應(yīng)用程序空間為8 K字節(jié)。

（5）RAM為512字節(jié)。

（6）32個通用I/O口，復(fù)位后為：P1/P2/P3/P4是準(zhǔn)雙向口/弱上拉。

STC89C52RC單片機(jī)的工作模式：

（1）掉電模式：典型功耗<0.1 μA，可由外部中斷喚醒，中斷結(jié)束后在斷點處繼續(xù)執(zhí)行主程序。

（2）空閑模式：典型功耗為2 mA。

（3）正常工作模式：典型功耗為4 Ma～7 mA。

（4）適用于水表、氣表等便攜設(shè)備。下位機(jī)系統(tǒng)框圖如圖3所示。

3.3藍(lán)牙近距離查詢系統(tǒng)

JDY-30透傳模塊是基于藍(lán)牙3.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，工作頻段為2.4 GHz范圍，具有信號強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸快和性能穩(wěn)定等特性。藍(lán)牙技術(shù)相對于其他無線通信技術(shù)，具備短距離、低功率和低功耗的特點[15]。

產(chǎn)品特點：

（1）支持藍(lán)牙SPP串口協(xié)議。

（2）內(nèi)置PCB天線。

（3）支持UART接口。

（4）藍(lán)牙Class2。

（5）數(shù)據(jù)傳輸比BLE藍(lán)牙快、可達(dá)到 8 K 每秒以上的速率。

（6）支持與 SPP 主藍(lán)牙模塊連接通信（JDY-30為從 SPP 藍(lán)牙模塊）。

（7）支持與電腦SPP藍(lán)牙通信。

（8）支持Android手機(jī)SPP通信。技術(shù)規(guī)格：工作電壓2.2～4.2 V，工作溫度-40 ～ 85 ℃，天線PCB板載天線，平均電流喚醒模式19 MA。JDY-30藍(lán)牙模塊尺寸封裝圖如圖4所示，引腳圖如圖5所示。

3.4GSM模塊遠(yuǎn)距離查詢系統(tǒng)

GSM模塊采用有方科技的M590E芯片，該芯片是全球第一款單芯片純數(shù)據(jù)GPRS模塊。提供短信和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等功能，在各種工業(yè)和民用領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。GSM模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

在本模塊基礎(chǔ)上設(shè)計了單片機(jī)控制GSM發(fā)送短信的程序，單片機(jī)與 GSM 模塊一般采用串行異步通信接口，通信速度可設(shè)定，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃暂^好[16]。采用C51語言進(jìn)行編程設(shè)計。

4上位機(jī)查詢實現(xiàn)主界面

上位機(jī)查詢服務(wù)系統(tǒng)是由Android手機(jī)“藍(lán)牙串口”應(yīng)用程序和手機(jī)自身藍(lán)牙功能，以及手機(jī)SIM卡短信等組成。下位機(jī)通過藍(lán)牙協(xié)議和GSM與上位機(jī)獲得通訊。

4.1藍(lán)牙模塊查詢服務(wù)軟件界面

當(dāng)下位機(jī)保持良好供電時，在上位機(jī)進(jìn)行藍(lán)牙連接請求，一旦請求通過，手機(jī)與下位機(jī)即可在程序驅(qū)動下進(jìn)行通訊，在手機(jī)端藍(lán)牙串口APP主界面中，若無數(shù)據(jù)發(fā)送，則上位機(jī)此刻不接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在下位機(jī)中暫存并在LCD液晶屏上顯示;若想查詢數(shù)據(jù)，在輸入欄中輸入“READ”并發(fā)送，此時單片機(jī)收到指令，驅(qū)動程序啟動，指示燈閃爍一次，單片機(jī)將數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙模塊發(fā)送至手機(jī)，用戶即可在手機(jī)上實時接收到下位機(jī)檢測并處理的實時數(shù)據(jù)。并可多次查詢，每發(fā)送一個“READ”字符串，單片機(jī)即被驅(qū)動進(jìn)行一次一組實時數(shù)據(jù)的發(fā)送。還可以通過下位機(jī)上的按鍵進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢，每按下一次按鍵，指示燈閃爍一次，手機(jī)端收到一次數(shù)據(jù)，按鍵操作和發(fā)送“READ”字符串具有相同效果，都可驅(qū)動單片機(jī)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)發(fā)送操作。上位機(jī)藍(lán)牙查詢程序流程圖如圖7所示，藍(lán)牙查詢軟件主界面如圖8所示。

4.2GSM查詢服務(wù)界面

首先將可正常使用的SIM卡放置在下位機(jī)GSM模塊中，并對下位機(jī)進(jìn)行上電啟動。為驗證GSM模塊工作正常，可進(jìn)行驗證，在手機(jī)端撥打其SIM卡號碼，持續(xù)一次響鈴的時間后自動掛斷電話，在此期間指示燈持續(xù)閃爍，即為工作正常。用手機(jī)自帶的短信服務(wù)對該號碼發(fā)送一條內(nèi)容為“獲取數(shù)據(jù)”的短信，下位機(jī)收到短信后指示燈閃爍一次，驅(qū)動單片機(jī)通過GSM模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，隨后手機(jī)端即可接收到一條內(nèi)容為一組實時數(shù)據(jù)的短信，可進(jìn)行短間隔多次查詢。也可通過下位機(jī)按鍵獲取短信，每按鍵一次即可收到一條數(shù)據(jù)短信，在效果上與發(fā)送短信查詢一致。短信的接收手機(jī)號碼在程序中編寫并已下載至單片機(jī)。上位機(jī)GSM程序流程圖如圖9所示，GSM查詢系統(tǒng)主界面如圖10所示。

5結(jié)束語

基于滿足生物電量智能移動終端查詢的需要，設(shè)計了本終端查詢系統(tǒng)。本系統(tǒng)設(shè)計主要由單片機(jī)下位機(jī)系統(tǒng)、藍(lán)牙、GSM通訊模塊及藍(lán)牙通訊app組成，以活立木表皮生物電量為測量對象，通過鐵釘電極傳輸至下位機(jī)，經(jīng)采集電路、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和編程接口等模塊，將測得數(shù)據(jù)讀入并暫存至STC89C52RC單片機(jī)ROM中。當(dāng)用戶在手機(jī)端發(fā)送“READ”或“獲取數(shù)據(jù)”指令時，驅(qū)動單片機(jī)將測得的實時數(shù)據(jù)以短消息的形式傳輸至手機(jī)，并可選擇在不同時間點多次發(fā)送讀取指令，同時在下位機(jī)LCD液晶屏幕上也有實時數(shù)據(jù)顯示。系統(tǒng)設(shè)計完成后對東北林區(qū)的落葉松進(jìn)行了試驗測試，上下位機(jī)保持好通訊后數(shù)據(jù)可以快速地傳輸至手機(jī)，并與其他儀器實地測量結(jié)果進(jìn)行比較，工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠，滿足設(shè)計要求，為用戶遠(yuǎn)程查詢采集實時數(shù)據(jù)和不同時間、不同溫度下采集數(shù)據(jù)提供了便捷，為后續(xù)的數(shù)據(jù)深入分析提供了平臺、奠定了基礎(chǔ)。

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