濒危特色物种信息监测系统设计

怀化学院电气与信息工程学院 吴 昊 蔡 翔 杨佳沩 石洋铭 吴兆丰 罗贤林 黄利军

针对目前在复杂环境中生长的濒危物种，采用传统人工管理方式无法对其进行精细化管理，且GPS移动通信基站在地形复杂的情况下很难实施有效的监测与防护，为此设计了一款利用北斗卫星导航系统设计了一款濒危物种监测系统，实现了对山区不同海拔和区域的濒危特色物种环境条件监测，并实时将其回传到监控中心实施报警，引导工作人员采取有效措施进行防护，从而达到“山青水秀”的绿色生态环境。

长久以来，由于物种生存的环境问题而导致其野生种群和大部分的珍稀濒危物种资源呈现逐渐减少的趋势。因此，保护濒危特色物种生长环境迫在眉睫。

以武陵山为例，武陵山地区位于N27°28′～30°5′和E107°2′～111°35′，本片区地形复杂，海拔高度90m-2949m，高山耸立，气候温和，生态环境复杂多样，武陵山地区分布的一级保护植物有红豆杉、红肉猕猴桃、珙桐、细叶石斛、梵净山冷杉等16种，至于名录中的国家二级保护植物则有长果秤锤树、长瓣短柱茶、伞花木等8种，三级保护植物有黄连等8种，但由于人工管理的困难以及GPS通信对安装基站的不便。为克服该问题，本方案设计了基于北斗通信的终端监测管理系统。北斗卫星导航定位系统它具有快速三维定位、双向简短报文通信和精密授时三大基本功能。该系统是基于“三球交会”原理进行定位，覆盖范围为东经70°～145°，北纬5°～55°，在中国全境范围内具有良好的导航定位可用性。可以快速、高精度定位不同海拔、不同濒危特色物种的地理位置，做到实时监控、实时反馈信息。这也使物种信息更易于管理，并真正实现了人工智能与濒危物种之间的交互。

1 系统设计

整个设计的总体框图如图1所示。其中包含MCU、土地熵采集模块、信息传输模块、终端、电源模块组成。

图1 系统框图

土地熵采集模块：PH值传感器主要负责实时采集物种生长的土壤的PH值，温度传感器主要负责采集土壤的温度，然后数据进入MCU中进行处理，将数据转换成数字信号。

信息传输模块：温湿度传感器实时测量空气中的温湿度，PH值、温度的数据传输到MCU中，北斗模块是整个监测系统的“外交官”，负责将数据打包再通过短信发送出去。

终端：将手机所接收的有关节点环境的信息短信进行解析，并传输至监控中心；之后，在后台监控中的网页版地图进行显示，实现监测此节点的地理位置与周边环境信息，并进行标记。

2 硬件设计

硬件部分由信息传输模块和土地熵采集模块两部分所组成。其系统硬件组成的总体框图如图2所示。

图2 系统硬件组成的总体框图

2.1 土地熵采集模块

土地熵采集模块包括STM32主控模块、E-201CPH复合电极、DS18B20模块。DS18B20模块实时检测土壤中的温度，通过STM32单片机处理后将数据打包。因为E-201CPH复合电极拥有对不同溶液的不同电压值，所以采用STM32单片机运用ADC0832芯片对土地的PH值进行AD采样的方法从而进行测量。然后STM32单片机进行数据处理、打包。PH值AD采样电路图如图3所示。

图3 PH值AD采样电路图

2.2 信息传输模块

该模块包括STM32主控模块、SIM868北斗/GPS双模定位芯片、DHT11模块。DHT11数字温度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它可以检测空气中的温湿度，采集数据后将数据送达到主控芯片STM32进行处理，STM32处理完毕后将采集数据的结果显示在显示屏上。选用的SIM868模块，是一种支持全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、北斗和格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS，GLO）三大定位系统。高度集成全球移动通信系统（Global System for Mobile Communication，GSM）、通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service，GPRS）、GPS、蓝牙于一体，实现低功耗语音、短信、GPRS数据传输、蓝牙数据传输和GPS定位。同时，为保证SIM868模块无线信号有效传输，北斗采用有源天线设计，GPRS、蓝牙天线PCB电路均采用阻抗匹配设计。通过SIM868模块获取定位和海拔高度等信息后，再将土地熵采集模块测量的PH值和土壤温度值一起通过SIM868模块的短信方式发送至后台。

3 软件设计

信息传输主程序流程如图4所示，该程序主要用于将采集的空气中的温湿度、土壤的PH值、温度以及定位信息等数据打包发送给用户。主流程为对外部设备进行初始化、等待网络注册、网络注册后、接收SIM868模块采集的位置数据进行解析，然后将SIM传输的温湿度、PH值，位置信息等数据一起打包发送到用户。

图4 信息传输模块主程序

4 产品测试

该产品于2021年3月开始在武陵山地区一棵伞花木上中使用该系统进行了为期一周的性能测试。测试结果表明，该系统成功利用北斗定位导航系统集成了地理位置信息（经度，纬度）。来自采集点的空气温度，湿度，PH值和其他信息将传输到背景并显示在显示模块上。

经过测试，该系统可以成功收集和传输信息，例如空气温度和湿度，PH值，土壤温度和物种的地理位置。测试收集的数据与当天的实际数据基本一致，并且该数据具有极高的准确性。测试期间采集的数据已绘制成柱状图如图5所示。

图5 采集点环境指数柱状

为了能够及时的对濒危物种生长情况进行保护，该系统结合监测节点的动态监测信息、监测中心及网页地图显示的完整数据，提前在监测点进行地图建模、信息解析以便做出及时的处理。如当某处节点的数据产生异常，后台监控中的网页版地图将进行显示，实现监测此节点的地理位置与周边环境信息，并进行标记如图6(A)所示；将手机接收到的节点环境信息短信进行解析，传输至监控中心如图6(B)所示；后台人员将会利用北斗导航，规划出从起点到节点所在的终点最优路径如图6(C)所示，引导工作人员采取有效措施进行防护。

图6 后台标记图

本文开发并实现了濒危特色物种监控系统。旨在提供有关濒危物种生长的准确和最新的生态信息，并为满足信息化和情报需求的科学研究提供全面的参考资料。为了提高接收到的感知数据的准确性，感知数据是通过在发送之前组合数据来处理的。测试了系统的远程监控功能，并测试了所收集结果的准确性。试验结果表明，该系统可正常且稳定地工作，并且能够可靠地实时发送数据。通过服务器发布到物联网上，不仅可以随时随地追踪影响濒危物种的环境参数，而且可以共享濒危物种的信息资源，为将来在濒危领域研究和研究物种生态监测的基础知识，奠定了重要的技术基础。