面向智慧林业环境因子监测系统的研究与设计探究

包琳

摘 要：针对目前传统林业在监测环境因子方面存在的体系不全面和力度集成度不高的原因，主要可以通过设计一种最原始的ARM和FPGA架构来全面地作为环境因子监测系统的终端。并在并入有效嵌入式处理器的基础上，再采用多功能的传感器来当做传感器的收集模块，最终再从终端将所采集到的数据和信息存储和打包之后传输到服务器，并保存到数据库，从而更加有效地实现全面地森林环境监测。这些数据将会对林业资源的评估的发展有着重要的参考价值。本文主要针对面对智慧林业环境因子监测系统的研究和设计进行全面的探查。

关键词：智慧林业;环境因子;监测系统;研究策略;设计策略

因为林业监测的方面一般都面临着离散性强和广阔性的特性，从而使得广大林业工作者一直都会有动态监测困难、监测周期长和监测数据准确度不高等诸多方面的问题。而“智慧林业”的诞生也就显得尤为重要。“智慧林业”在发展的过程中不断地嵌入了云计算和大数据等高新技术。只有通过对林业环境资源进行全面的监测才能够更好地掌握林业资源和环境的变化，并更好地促进现代林业的发展。只需要在监测的终端使用的核心芯片内部嵌入Linux系统作为有效的操作系统，才能够更好地实现通过采集数据信息来对林业环境更好地远程监测。

一、环境因子监测系统的概念

环境因子监测系统本身指的是针对森林生态系统内部典型区域内部的光、风、气压和降水等常规的气象因子进行系统和全天候的自动监测，最终的目的是为了更好地测量森林内部呈现梯度分布的相关特征的气候因子，并更好地测量不同森林植被类型的小气候的差异。环境因子监测系统的存在的最终目的是让相关部门对森林底部的小气候效应和对森林生态系统的影响提供全方位的数据支持。

智慧林业环境因子监测系统本身也属于一类规范的综合生态监测站，主要支持多种传感器来更好地搭配在一起，并全面地观测包括风向、温度、湿度、光、地下水位、太陽辐射、气体浓度和树茎等相关的要素。在工作的过程中，这样一个系统往往能够更好地监测各种气象环境因子和空气水环境因子，并在这之后更好地提供长期连续的准确生态气候的变化数据。该系统可以在野外各种环境下被使用，整体数据存储量极大。

二、系统总体设计

智慧林业的环境监测系统主要是由监测终端和服务器端口组成的。而整个服务器端口内部又主要由信息查询系统和数据存储模块组成。此外，监测的终端又被安置在测试森林区域内部，又是由数据采集系统、信息处理系统和数据传输系统组成。采集数据的模块在硬件系统中一直都占据重要地位。主要是由多种类型的传感器接入不同类型的电路组成。

总体而言，不同类型的电路主要由这几种构成。第一，数据处理电路主要是由终端处理器和看哦内置中心的板块组成，Zynq为整体电路中的核心。而开发板的内部又主要由FPGA模块、DDR3缓存电路、时钟电路和变压电路等组成。而数据传输电路又主要是由中兴ME37604G模块接入电路和以太网接入电路组成。

当整个森林的内部接入电路进行工作之后，采集模块可以通过功能传感器采集环境中的各项数据，再通过接口和有效电路来传至开发板上的FPGA处理器。当整体温度超过预定的值时就会有报警的信号出现，并发送给特制的FPGA处理器，以便能够更好地实现温度的控制和报警工作。当处理器上的温度超过预设值的终端时，也就会有相关的信号回传给FPGA处理器，从而顺利地实现温度的控制和报警。

当整个林区的终端都插上电并投入工作之后，采集模块也就会通过各种功能来全面采集各种类型的数据，并再通过接口和转换电路来传送到开发板的FPGA处理器上。如果当温度超过预设值之后就会有报警信息发送给FPGA处理器，从而更加有效地实现温度的监控和报警。处理器则更加需要通过调动驱动程序和数据采集程序来全面地存储数据，并在之后通过使用传输协议来让所有的数据都更好地被打包，并通过4G传输模块传输到服务器终端的显示器和存储器中。

三、监测终端的硬件设计系统

1.数据采集模块。几乎所有的终端都要使用SHTI0系统来监测森林中的温湿度环境因子。而从长远发展的角度来看，SHT10本身属于一种数字传感器。内部主要是由测湿元件、测温元件、串行电路和其他构件组成。在出厂之前，所有的SHT10都需要全面的温度和湿度的校验，才能够取得好的结果。而所有这一类传感器的相应时间较短，且抗干扰能力也较强，主要被广泛地应用于农业湿度和温度的测量过程中。

整体结构的DATA、SCK管脚都将会和处理器的接口相互连接。一旦温度超过了预设的值，那么便会触发主板上的报警信号。通常情况下，GPS模块都会使用专业公司生产的NEO-6M芯片进行定位。必要时可以使用UART和FPGA处理模块中的GPIO相连，最少则可连接四根线。

2.数据处理模块。该系统的数据终端模块主要选用了特制的ZC702开发板，最中间的部位主要为Zynq-7000芯片，主要是由ARM和FPGA两个部分组成。值得注意的是，整体Zynq-7000系列的芯片处理器的内部都存在着双核处理器，并在内部都存在完整的ARM处理子系统。

只有在芯片内部集成多样的外设和内核的控制器，才能够使得CortexTM-A9内部的内核和可编程逻辑单元是彼此独立的。而终端处理模块内部出了有主处理芯片之外，还会包括Flash芯片、DDR3芯片组、时钟芯片和其他结构。

四、数据采集系统的设计

1.温湿度数据采集。因为SHT10传感器会直接被连接到开发板上，因此需要用自己所拥有的驱动程序来模拟GPIO，并在之后更好地读取关于SHT10的温度和湿度的数据。整个驱动程序主要是由传感器、复位、读取数据、写入数据和其他几项组成。在交叉编译的工具环境下会生成一个后缀被称为“.ko”的可执行文件。当目标首次运行开机陈旭之后，可以根据情况来更好地进行手动加载驱动模块。当程序加载了该驱动模块之后，如果想在宿主机的内部通过串口工具来全面地读取温度和湿度，那么即可在调用温湿度的读取程序之后得到温度和湿度的值。

2.传输模块驱动加载。整个ME3760模块的驱动主要是由USB驱动和RNDIS驱动组成。首先，一定需要在内核配置中添加USB转接口驱动，之后再在内核文件中添加PID设备。这样也就能够有效地防止RNDIS口被USB串口驱动不断地加载，从而使得RNDIS驱动没有办法更加顺利地完成加载。

在修改内核驱动文件中的probe函数时，尤其需要对其内增加的blacklist进行过滤，并有效地对usb_serial_probe函数的内部对RNIDS接口进行全面的过滤，再将编译生成的内容一起加载到Linux系统的启动项目中。当所有的传输模块都安装成功之后，还需要将特制的传输程序将传感器采集到的数据信息按照Json格式进行打包，之后再按照规定的数据包的格式向服务器定时发送时间间隔。

五、结语

在启动熊主板内部的电能之后就可以在浏览器的内部输入终端网址，之后再登录 到终端采集网页上。而通过界面就可以较轻松地看到环境因子信息。而通过使用高性能处理芯片Zynq-7000也就能够使得数据监测和处理的能力得以大大地提升，从而使得终端的性能粉变得更加稳定。而本次设计的结构也能够更好地提高监测的质量和监测的效率，并在之后有效地降低开发的风险和周期。

参考文献：

[1] 刘亚秋，景维鹏，井云凌 . 高可靠云计算平台及其在智慧林业中的应用[J]. 世界林业研究，2015（5）：18-24.