專(zhuān)利名稱(chēng)：一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法，屬于地球土壤與大氣化學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
為了解決氣候變暖問(wèn)題，發(fā)達(dá)國(guó)家推動(dòng)全球建立了一套二氧化碳排放權(quán)交易系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)“碳交易”系統(tǒng)。它是一種向各國(guó)分配二氧化碳排放配額，并把配額投放到市場(chǎng)上進(jìn)行交易，從而降低二氧化碳排放量的一種市場(chǎng)化環(huán)境保護(hù)體系。碳交易市場(chǎng)發(fā)展非常迅猛。例如，2005年京都議定書(shū)正式生效后，全球碳交易市場(chǎng)出現(xiàn)了飛速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。2007年，全球碳交易量從2006年的16億噸躍升到27億噸，上升 68.75%。碳交易成交額增長(zhǎng)非常迅猛。例如，2007年，全球碳交易金額達(dá)400億歐元，比 2006年的220億歐元上升了 81.8%。2010年，全球碳交易額已超過(guò)930億歐元。到2020 年，全球碳交易額預(yù)計(jì)將達(dá)到3. 5萬(wàn)億美元，可能超過(guò)石油行業(yè)，成為全球第一大能源交易市場(chǎng)。一些國(guó)家或地區(qū)強(qiáng)制推廣碳交易，將極大地促進(jìn)碳交易市場(chǎng)的擴(kuò)張。例如，根據(jù)歐盟法律，從2012年1月起，全球航空業(yè)被納入歐盟碳排放交易機(jī)制，開(kāi)辟歐盟航線(xiàn)的外國(guó)航空公司全部被納入這一機(jī)制。為此，中國(guó)國(guó)航在2012年預(yù)計(jì)需要向歐盟繳納約3400萬(wàn)歐元的二氧化碳排放量購(gòu)買(mǎi)費(fèi)用。為了抵制不公平的碳交易體制，中國(guó)的國(guó)航、南航、東航正醞釀與中航協(xié)一起，共同向歐盟提起訴訟。碳交易不但已成為貿(mào)易壁壘，而且在全球已演化為核心的經(jīng)濟(jì)、政治問(wèn)題。發(fā)達(dá)國(guó)家認(rèn)為，中國(guó)是制造業(yè)大國(guó)，中國(guó)基本上占據(jù)了 60%多的CDM市場(chǎng)份額，因此發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)中國(guó)提出了越來(lái)越多的環(huán)境保護(hù)約束，對(duì)中國(guó)的國(guó)家碳配額提出了非?？量痰囊?。實(shí)際上，中國(guó)的碳排放在很大程度上是為發(fā)達(dá)國(guó)家提供消費(fèi)品和工業(yè)品；而且，中國(guó)擁有非常龐大的地下碳庫(kù)，尤其中國(guó)有世界上最大的竹林，對(duì)氣碳的土壤固化能力非常強(qiáng)。盡管中國(guó)是世界上工業(yè)氣碳的最大排放國(guó)，但中國(guó)也可能是世界上最大的氣碳植被土壤固化國(guó)，可能擁有世界上最大的地下碳庫(kù)。如果這個(gè)大規(guī)模、高速度消耗氣碳的地下碳庫(kù)真的存在，而且擁有此北美、西歐、日本等發(fā)達(dá)地區(qū)擁有的植被環(huán)境更強(qiáng)大、更快速的氣碳消耗能力，那么中國(guó)應(yīng)當(dāng)在碳交易全球配額體系中擁有主導(dǎo)性話(huà)語(yǔ)權(quán)。目前，公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)，以及公開(kāi)銷(xiāo)售、展示的土壤碳通量監(jiān)測(cè)設(shè)備不能滿(mǎn)足我國(guó)土壤碳通量測(cè)量的需求，不能為我國(guó)地下碳庫(kù)的土壤碳通量測(cè)量提供技術(shù)支持。其主要技術(shù)缺陷如現(xiàn)有的土壤碳通量監(jiān)測(cè)設(shè)備、系統(tǒng)、方法都不能實(shí)現(xiàn)無(wú)人遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，而且沒(méi)有出現(xiàn)自動(dòng)化的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，不能采集廣域野外環(huán)境的碳通量海量數(shù)據(jù)。與水文、雨雪等地球或大氣環(huán)境的自動(dòng)化聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)踐不同，碳通量的大范圍監(jiān)測(cè)設(shè)備需要進(jìn)行一系列的機(jī)械操作，機(jī)械故障多，測(cè)量環(huán)境的自動(dòng)化創(chuàng)建難度大，設(shè)備耗電量大，其軟件創(chuàng)新和硬件集成的難度很大?，F(xiàn)有設(shè)備只能單機(jī)本地測(cè)量，必須由測(cè)量人員在現(xiàn)場(chǎng)激發(fā)測(cè)量裝置，并當(dāng)場(chǎng)抄錄測(cè)量數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)測(cè)量室的遠(yuǎn)程啟閉控制。截至目前，國(guó)內(nèi)外沒(méi)有出現(xiàn)能夠完全無(wú)人看護(hù)、數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)共享、遠(yuǎn)程響應(yīng)機(jī)械操作、隨時(shí)監(jiān)控自身設(shè)備狀態(tài)、具有自我電量維持管理功能的碳通量測(cè)量系統(tǒng)。更沒(méi)有相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表。現(xiàn)有設(shè)備只能在現(xiàn)場(chǎng)關(guān)閉測(cè)量室，而且測(cè)量室僅僅為碳通量測(cè)量設(shè)備提供氣門(mén)， 僅能實(shí)現(xiàn)測(cè)量室內(nèi)外的大氣交換。為了獲取精確的測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)量室內(nèi)外需要具有相同的溫度、濕度、水文、大氣環(huán)境。這就需要實(shí)現(xiàn)測(cè)量室的整體性開(kāi)啟與關(guān)閉，而不僅是設(shè)置氣門(mén)。實(shí)現(xiàn)該整體性啟閉的遠(yuǎn)程電力控制系統(tǒng)并未出現(xiàn)在碳通量檢測(cè)設(shè)備與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中?，F(xiàn)有設(shè)備的土壤碳通量數(shù)據(jù)采集方式非常單一，獲取的數(shù)據(jù)不能為廣域、定時(shí)、采樣分析提供數(shù)據(jù)支撐，更不能實(shí)現(xiàn)智能化、多樣化的數(shù)據(jù)采集操作。而且，現(xiàn)有設(shè)備每臺(tái)的價(jià)格高達(dá)數(shù)十萬(wàn)元人民幣，從費(fèi)用上不能滿(mǎn)足大量設(shè)備的智能布網(wǎng)需求。現(xiàn)有設(shè)備的耗電量大，設(shè)備自持周期太短，更不能獲取太陽(yáng)能，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大量設(shè)備的智能化布網(wǎng)。總之，現(xiàn)有設(shè)備應(yīng)用的土壤碳通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、方法、網(wǎng)絡(luò)都需要進(jìn)行大規(guī)模革新， 從而為建立新的土壤碳通量監(jiān)測(cè)機(jī)制提供基礎(chǔ)性硬件、軟件技術(shù)，為我國(guó)地下碳庫(kù)的土壤碳通量測(cè)量提供技術(shù)支持。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開(kāi)了一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括至少一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)， 所述無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)；所述硬件系統(tǒng)包括電路器件、機(jī)械器件； 其特征在于，所述電路器件包括至少一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)接入模塊；所述無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)接入模塊包括微控制單元、無(wú)線(xiàn)收發(fā)器；所述電路器件還包括至少一個(gè)(X)2傳感器測(cè)量模塊；所述(X)2傳感器測(cè)量模塊包括至少一個(gè)紅外二氧化碳傳感器；所述電路器件還包括至少一個(gè)主控制電路，所述主控制電路包括穩(wěn)壓電路、CO2傳感器驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。所述的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述電路器件還包括至少一個(gè)顯示模塊，所述顯示模塊包括至少一個(gè)液晶、LED或OLED顯示模塊。所述的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述電路器件還包括至少一個(gè)溫濕度傳感器測(cè)量模塊，所述溫濕度傳感器測(cè)量模塊將傳感元件和信號(hào)處理電路集成在一塊微型電路板上，輸出完全標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)；所述溫濕度傳感器測(cè)量模塊還包括一個(gè)電容性聚合體測(cè)濕敏感元件、一個(gè)用能隙材料制成的測(cè)溫元件，并在同一芯片上，與14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。所述的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路用于控制CO2測(cè)量室的打開(kāi)與關(guān)閉；所述電機(jī)的工作由H橋電路控制，實(shí)施測(cè)量前，提供高電平控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，關(guān)閉測(cè)量室；測(cè)量完畢后，提供高電平控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，打開(kāi)測(cè)量室。所述的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的機(jī)械器件包括太陽(yáng)能充電板、頂蓋、測(cè)量室，所述測(cè)量室包括測(cè)量室基座、固定中蓋和滑動(dòng)蓋圍成的空間，所述滑動(dòng)蓋開(kāi)啟后，出現(xiàn)通風(fēng)口。
所述的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述測(cè)量室內(nèi)部部署有彈簧、墊圈、滑動(dòng)蓋、電路板支架，所述彈簧在測(cè)量啟動(dòng)前，用于密閉所述測(cè)量室，當(dāng)滑動(dòng)蓋向下移動(dòng)直到緊觸墊圈，停止移動(dòng)，測(cè)量室關(guān)閉，而在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，彈簧處于壓縮狀態(tài)，彈簧給墊圈向上的作用力，提高測(cè)量室的密封性。所述的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述滑動(dòng)蓋通過(guò)至少一個(gè)絲桿和固定槽實(shí)施啟閉，滑動(dòng)蓋的上下移動(dòng)通過(guò)所述絲桿實(shí)現(xiàn)；絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的一種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)；所述滑動(dòng)蓋與固定中蓋用固定槽相對(duì)固定，兩者無(wú)法進(jìn)行相對(duì)的圓周運(yùn)動(dòng)，通過(guò)絲桿將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)絲桿，絲桿使得滑動(dòng)蓋上下移動(dòng)，完成所述測(cè)量室的啟閉。所述的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)包括集成控制子系統(tǒng)、通訊子系統(tǒng)、電力管理子系統(tǒng)、機(jī)械控制子系統(tǒng)、信息采集子系統(tǒng)、設(shè)備監(jiān)測(cè)與維護(hù)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、指令響應(yīng)子系統(tǒng)；所述通訊子系統(tǒng)用于控制所述無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)接入模塊；所述信息采集子系統(tǒng)用于控制所述(X)2傳感器測(cè)量模塊；所述設(shè)備監(jiān)測(cè)與維護(hù)子系統(tǒng)用于控制所述顯示模塊；所述信息采集子系統(tǒng)還可控制所述溫濕度傳感器測(cè)量模塊；所述集成控制子系統(tǒng)用于控制所述主控制電路模塊；所述電力管理子系統(tǒng)用于控制所述各電源模塊；所述機(jī)械控制子系統(tǒng)用于控制所述機(jī)械器件的運(yùn)行；所述數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)用于控制所述數(shù)據(jù)傳輸電路；所述指令響應(yīng)子系統(tǒng)能接收互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，或者其他有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)來(lái)的指令，通過(guò)所述集成控制子系統(tǒng)要求相關(guān)電路器件、機(jī)械器件或者軟件子系統(tǒng)作出操作或信號(hào)響應(yīng)。所述大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路用于控制(X)2測(cè)量室的整體打開(kāi)與關(guān)閉；所述測(cè)量室的整體打開(kāi)操作用于為所述測(cè)量室提供與測(cè)量室外完全相同的溫度、濕度、水文、大氣環(huán)境。所述CO2測(cè)量室的整體打開(kāi)方式包括，單側(cè)平移式展開(kāi)、兩側(cè)平移式展開(kāi)、開(kāi)合式打開(kāi)、翻開(kāi)式打開(kāi)、翻蓋式打開(kāi)。所述單側(cè)平移式展開(kāi)包括測(cè)量室上方的部件整體性向一側(cè)移開(kāi)，使雨水可以垂直落入測(cè)量室內(nèi)部的土壤；兩側(cè)平移式展開(kāi)包括測(cè)量室上方的部件分成至少2部分各自整體性向不同的方向平移式移開(kāi)；開(kāi)合式打開(kāi)包括測(cè)量室上方的部件分成至少2部分開(kāi)合式展開(kāi)，使雨水可以垂直落入測(cè)量室內(nèi)部的土壤；翻開(kāi)式打開(kāi)包括測(cè)量室上方的部件向外側(cè)翻開(kāi)，使雨水可以垂直落入測(cè)量室內(nèi)部的土壤；翻蓋式打開(kāi)包括測(cè)量室上方的部件作為蓋體翻開(kāi)，使雨水可以垂直落入測(cè)量室內(nèi)部的土壤。所述的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)包括輕量級(jí)線(xiàn)程技術(shù)模塊、主動(dòng)消息通信技術(shù)模塊、事件驅(qū)動(dòng)模式技術(shù)模塊、組件化編程技術(shù)模塊；其應(yīng)用子程序設(shè)置為包括無(wú)線(xiàn)通訊子程序、顯示子程序、溫濕度傳感子程序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序、位移檢測(cè)子程序、電源電壓檢測(cè)子程序、CO2傳感子程序。本發(fā)明還公開(kāi)了應(yīng)用所述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟Si.部署兩個(gè)以上無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)，啟用至少一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)；S2.把Sl中的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)接入局域網(wǎng)，或互聯(lián)網(wǎng)，或電信網(wǎng)，或廣電網(wǎng)，或所述網(wǎng)絡(luò)的融合網(wǎng)絡(luò)；S3.把至少一個(gè)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)終端接入S2中的所述網(wǎng)絡(luò)；所述終端包括手機(jī)、計(jì)算機(jī)、筆記本電腦、智能手機(jī)、平板電腦、智能上網(wǎng)設(shè)備；S4. S3中的網(wǎng)絡(luò)終端從所述Sl中的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)接收信息，或者向所述Sl中的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令。所述的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)包括至少一個(gè)人機(jī)登陸界面，所述遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)終端通過(guò)所述人機(jī)登陸界面的鑒權(quán)認(rèn)證后，在其獲得的授權(quán)范圍內(nèi)訪問(wèn)所述無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。所述的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述碳通量監(jiān)測(cè)方法包括2 種碳通量測(cè)量方式(1)單次測(cè)量即在儀器現(xiàn)場(chǎng)，按動(dòng)啟動(dòng)按鍵，從顯示屏人工讀取測(cè)量結(jié)果，實(shí)現(xiàn)單次測(cè)量；(2)定時(shí)測(cè)量即通過(guò)服務(wù)器遠(yuǎn)程設(shè)定定時(shí)時(shí)間，定時(shí)測(cè)量碳通量值。所述的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述碳通量監(jiān)測(cè)方法包括4 種碳通量測(cè)量方式(1)隨機(jī)指定區(qū)域測(cè)量即通過(guò)服務(wù)器遠(yuǎn)程發(fā)送隨機(jī)測(cè)量命令，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)把所述命令發(fā)送給指定區(qū)域內(nèi)的一個(gè)或者多個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)，采集指定區(qū)域內(nèi)的碳通量；(2)隨機(jī)全網(wǎng)測(cè)量即通過(guò)服務(wù)器遠(yuǎn)程發(fā)送隨機(jī)測(cè)量命令，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)把所述命令發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中有效的全部測(cè)量節(jié)點(diǎn)，采集整個(gè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的碳通量；(3)人機(jī)界面數(shù)據(jù)庫(kù)指令指定區(qū)域測(cè)量即通過(guò)一個(gè)人機(jī)界面設(shè)定數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)， 數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)設(shè)定的參數(shù)生成測(cè)量命令，所述無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)來(lái)的環(huán)境信息滿(mǎn)足所述參數(shù)時(shí)，所述測(cè)量命令向所述服務(wù)器發(fā)出并執(zhí)行，服務(wù)器遠(yuǎn)程發(fā)送所述測(cè)量命令，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)把所述命令發(fā)送給指定區(qū)域內(nèi)的一個(gè)或者多個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)，采集指定區(qū)域內(nèi)的碳通量，所述參數(shù)包括溫度、濕度、高度、位置、風(fēng)速、時(shí)間、降雨量、植被密度、植被類(lèi)型；(4)人機(jī)界面數(shù)據(jù)庫(kù)指令全網(wǎng)測(cè)量即通過(guò)一個(gè)人機(jī)界面設(shè)定數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)，數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)設(shè)定的參數(shù)生成測(cè)量命令，所述無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)來(lái)的環(huán)境信息滿(mǎn)足所述參數(shù)時(shí)， 所述測(cè)量命令向所述服務(wù)器發(fā)出并執(zhí)行，服務(wù)器遠(yuǎn)程發(fā)送所述測(cè)量命令，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)把所述命令發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中有效的全部測(cè)量節(jié)點(diǎn)，采集整個(gè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的碳通量，所述參數(shù)包括溫度、濕度、高度、位置、風(fēng)速、時(shí)間、降雨量、植被密度、植被類(lèi)型。所述的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，每個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)一次完整的測(cè)量過(guò)程包括如下步驟Si.完全關(guān)閉測(cè)量室；S2. CO2傳感器預(yù)熱；S3.測(cè)量(X)2 濃度；S4.顯示或發(fā)送(X)2濃度數(shù)據(jù)并把該數(shù)據(jù)與測(cè)量時(shí)間、地點(diǎn)數(shù)據(jù)，以及測(cè)量(X)2濃度時(shí)獲取的溫度、濕度數(shù)據(jù)同時(shí)顯示或發(fā)送；S5.打開(kāi)測(cè)量室，使測(cè)量室內(nèi)部獲得與外部相同的溫度、濕度、水文、大氣環(huán)境。具體而言，本發(fā)明的大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)；其中硬件系統(tǒng)包括電路器件、機(jī)械器件兩部分。本發(fā)明的大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)的電路器件包括無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)接入模塊、CO2傳感器測(cè)量模塊、顯示模塊、溫濕度傳感器測(cè)量模塊、主控制電路模塊，具體如下1、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)接入模塊。所述電路器件包括至少一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)接入模塊(如TelosB模塊)XO2傳感器測(cè)量模塊、主控制電路模塊；還可包括顯示模塊、溫濕度傳感器測(cè)量模塊。所述無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)接入模塊包括微控制單元、無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，以及USB轉(zhuǎn)換器、低能耗電量管理器組成。所述無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)接入模塊與(X)2傳感器測(cè)量模塊、顯示模塊、溫濕度傳感器測(cè)量模塊、主控制電路模塊組成的一臺(tái)測(cè)試儀相當(dāng)于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)， 它具有感知CO2濃度、溫濕度，處理信息，通信的能力。所述節(jié)點(diǎn)具有質(zhì)量輕、體積小、成本低的特點(diǎn)；因?yàn)樗窃谝巴猸h(huán)境下工作，低能耗也是最重要的特點(diǎn)之一。所述節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至用戶(hù)的計(jì)算機(jī)、筆記本電腦、平板電腦、智能上網(wǎng)設(shè)備或者手機(jī)上。這樣，用戶(hù)可不必身臨節(jié)點(diǎn)所處的環(huán)境，就能獲得該環(huán)境中的一些有用信息。2、CO2傳感器測(cè)量模塊。所述電路器件包括至少一個(gè)(X)2傳感器測(cè)量模塊。所述 CO2傳感器測(cè)量模塊包括至少一個(gè)紅外二氧化碳傳感器，其預(yù)留易插拔插針，方便用戶(hù)與其他設(shè)備連接使用；并且，所述(X)2傳感器測(cè)量模塊的輸出接口多樣，易于數(shù)據(jù)傳輸讀取，適合多種場(chǎng)合安裝和拆卸。3、顯示模塊。所述電路器件可包括一個(gè)顯示模塊。所述顯示模塊包括至少一個(gè)液晶、LED或OLED顯示模塊。其顯示模式包括光標(biāo)顯示、畫(huà)面移位、自定義字符、睡眠模式等。4、溫濕度傳感器測(cè)量模塊。所述電路器件可包括一個(gè)溫濕度傳感器測(cè)量模塊。所述溫濕度傳感器測(cè)量模塊將傳感元件和信號(hào)處理電路集成在一塊微型電路板上，輸出完全標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)；所述溫濕度傳感器測(cè)量模塊還包括一個(gè)電容性聚合體測(cè)濕敏感元件、一個(gè)用能隙材料制成的測(cè)溫元件，并在同一芯片上，與14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。每個(gè)傳感器芯片都在極為精確的濕度腔室中進(jìn)行標(biāo)定，校準(zhǔn)系數(shù)以程序形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，用于內(nèi)部的信號(hào)校準(zhǔn)。兩線(xiàn)制的串行接口與內(nèi)部的電壓調(diào)整，使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡(jiǎn)單。其默認(rèn)分辨率為14bit (溫度)和12bit (濕度)，但是在一些要求測(cè)量速度極高或者功耗極低的應(yīng)用下，分辨率可降低為12it (溫度)和8it (濕度)。這能保證實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的低功耗目標(biāo)在休眠狀態(tài)下，功率消耗僅2uW、電流為0. 3uA(最大為1. 5uA)；測(cè)量狀態(tài)下功率消耗為3mW，電流為0. 55mA(最大為ImA)；所述溫濕度傳感器測(cè)量模塊相對(duì)濕度測(cè)量精度典型值為士2% RH，溫度測(cè)量精度典型值為士0.3°C。5、主控制電路。所述電路器件包括至少一個(gè)主控制電路。所述主控制電路包括穩(wěn)壓電路、(X)2傳感器驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)據(jù)傳輸電路(調(diào)壓)、電源監(jiān)測(cè)電路、電源指示電路等，具體包括I)所述穩(wěn)壓電路為微功耗的穩(wěn)壓器的電壓輸入范圍為4. 5V 24V ；提供3. 3V或 5V的固定電壓輸出和可調(diào)電壓輸出(1. 25V VIN)。II)所述CO2傳感器驅(qū)動(dòng)電路利用三極管的開(kāi)關(guān)功能，在需要進(jìn)行CO2測(cè)量時(shí)，產(chǎn)生控制信號(hào)，輸出12V工作電壓，用兩個(gè)三極管并聯(lián)產(chǎn)生足夠大的驅(qū)動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)(X)2傳感器工作。III)所述電機(jī)控制電路用于控制CO2測(cè)量室的打開(kāi)與關(guān)閉；所述電機(jī)的工作由H橋電路控制，實(shí)施測(cè)量前，提供高電平控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，關(guān)閉測(cè)量室；測(cè)量完畢后，提供高電平控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，打開(kāi)測(cè)量室；即可完成一次CO2濃度的測(cè)量。所述電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電流的大小與電機(jī)所受阻力有關(guān)，當(dāng)所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)蓋(具體見(jiàn)下文的機(jī)械器件模塊)向下移動(dòng)時(shí)，流過(guò)電機(jī)的電流會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)滑動(dòng)蓋碰到密封圈(具體見(jiàn)下文的機(jī)械器件模塊)時(shí)，電機(jī)運(yùn)動(dòng)遇到阻力，電流加大；繼續(xù)提供高電平，電機(jī)繼續(xù)工作，電流將繼續(xù)增加，而CO2測(cè)量室的密封性將越來(lái)越好；本發(fā)明設(shè)定電流增到一定的大小時(shí)，測(cè)量室的密封性達(dá)到CO2濃度測(cè)試需求；此時(shí)，電機(jī)停止工作，開(kāi)始密閉環(huán)境下對(duì)土壤(X)2濃度的測(cè)量，系統(tǒng)預(yù)設(shè)一定時(shí)間的封閉采樣測(cè)量時(shí)間，本發(fā)明優(yōu)選為2-4分鐘，再優(yōu)選為3分鐘。封閉測(cè)量完成后，需打開(kāi)測(cè)量室時(shí)，所述電機(jī)需反轉(zhuǎn)；電機(jī)反轉(zhuǎn)過(guò)程中并沒(méi)有遇到阻礙，所以其電流保持在一定范圍內(nèi)，沒(méi)有太大波動(dòng)。至于何時(shí)停止電機(jī)的反轉(zhuǎn)？本發(fā)明設(shè)定一定時(shí)間的電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)間，該時(shí)間屆滿(mǎn)時(shí)，所述電機(jī)停止反轉(zhuǎn)，所述反轉(zhuǎn)時(shí)間優(yōu)選為3-20 秒，再優(yōu)選為5-10秒；在所述反轉(zhuǎn)停止前，滑動(dòng)蓋移開(kāi)，恢復(fù)測(cè)量室的通風(fēng)環(huán)境。IV)所述數(shù)據(jù)傳輸電路用于把(X)2傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳送給無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)接入模塊，由后者進(jìn)行處理和傳輸。V)所述電源電壓監(jiān)測(cè)電路用于監(jiān)測(cè)電源電壓。他)所述電源指示電路用于指示電源。所述主控制電路還包括或連接到太陽(yáng)能充電電路、測(cè)量室未密封報(bào)警電路、位移傳感器控制電路等。VII)所述太陽(yáng)能充電電路用于啟動(dòng)太陽(yáng)能充電模塊。VIII)所述測(cè)量室未密封報(bào)警電路用于本發(fā)明硬件器件的設(shè)備報(bào)警。測(cè)量啟動(dòng)前， 所述設(shè)備要進(jìn)行測(cè)量室的密封動(dòng)作；如果密封不到位，所述報(bào)警電路啟動(dòng)報(bào)警操作，包括啟動(dòng)蜂鳴器，或者發(fā)送遠(yuǎn)程故障信號(hào)。IX)所述位移傳感器控制電路用于利用位移傳感器控制滑動(dòng)蓋的移動(dòng)距離。本發(fā)明采用直線(xiàn)位移傳感器實(shí)現(xiàn)該功能。本發(fā)明的機(jī)械器件包括太陽(yáng)能充電板、頂蓋、固定中蓋、測(cè)量室基座等。其中，測(cè)量室包括測(cè)量室基座、固定中蓋和滑動(dòng)蓋圍成的空間，滑動(dòng)蓋開(kāi)啟后，出現(xiàn)通風(fēng)口 ；測(cè)量室基座內(nèi)徑為5-40cm，優(yōu)選為10-30cm，再優(yōu)選為20cm。測(cè)量室內(nèi)部可見(jiàn)彈簧、墊圈、滑動(dòng)蓋、電路板支架等。所述彈簧主要功能是測(cè)量前，關(guān)閉測(cè)量室，當(dāng)滑動(dòng)蓋向下移動(dòng)直到緊觸墊圈，停止移動(dòng)，測(cè)量室關(guān)閉，而在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，彈簧處于壓縮狀態(tài)，彈簧給墊圈向上的作用力，能保證測(cè)量室更好的密封性。所述墊圈同樣是為了提高測(cè)量室的密封性，從而提高測(cè)量精度。頂蓋拆除后，可見(jiàn)電池支架、電機(jī)與位移傳感器支架、CO2傳感器固定裝置；下部設(shè)置有滑動(dòng)蓋、絲桿、固定槽?；瑒?dòng)蓋的上下移動(dòng)通過(guò)所述絲桿實(shí)現(xiàn)；絲桿是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的一種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，這種運(yùn)動(dòng)具有很小的摩擦力。在整個(gè)機(jī)械器件中，由于滑動(dòng)蓋與固定中蓋用固定槽相對(duì)固定了，兩者無(wú)法進(jìn)行相對(duì)的圓周運(yùn)動(dòng)，因此可通過(guò)絲桿將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)絲桿，絲桿使得滑動(dòng)蓋上下移動(dòng)，完成測(cè)量室的打開(kāi)與關(guān)閉。本發(fā)明的大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)包括輕量級(jí)線(xiàn)程技術(shù)模塊、主動(dòng)消息通信技術(shù)模塊、事件驅(qū)動(dòng)模式技術(shù)模塊、組件化編程技術(shù)模塊。輕量級(jí)線(xiàn)程技術(shù)模塊和主動(dòng)消息通信技術(shù)模塊能提高無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能，發(fā)揮硬件的特點(diǎn)，大大降低其功耗，并且簡(jiǎn)化了應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)難度。根據(jù)系統(tǒng)硬件的組成，將系統(tǒng)的應(yīng)用子程序設(shè)置為包括無(wú)線(xiàn)通訊子程序、顯示子程序、溫濕度傳感子程序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序、位移檢測(cè)子程序、電源電壓檢測(cè)子程序、CO2傳感子程序。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)碳通量測(cè)量的方式主要有6種1、單次測(cè)量即在儀器現(xiàn)場(chǎng)，按動(dòng)啟動(dòng)按鍵，從顯示屏人工讀取測(cè)量結(jié)果，實(shí)現(xiàn)單次測(cè)量一次；2、定時(shí)測(cè)量即通過(guò)服務(wù)器遠(yuǎn)程設(shè)定定時(shí)時(shí)間，定時(shí)測(cè)量碳通量值；3、隨機(jī)指定區(qū)域測(cè)量即通過(guò)服務(wù)器遠(yuǎn)程發(fā)送隨機(jī)測(cè)量命令，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)把所述命令發(fā)送給指定區(qū)域內(nèi)的一個(gè)或者多個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)，采集指定區(qū)域內(nèi)的碳通量；4、隨機(jī)全網(wǎng)測(cè)量即通過(guò)服務(wù)器遠(yuǎn)程發(fā)送隨機(jī)測(cè)量命令，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)把所述命令發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中有效的全部測(cè)量節(jié)點(diǎn)，采集整個(gè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的碳通量；5、人機(jī)界面數(shù)據(jù)庫(kù)指令指定區(qū)域測(cè)量即通過(guò)一個(gè)人機(jī)界面設(shè)定數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)，數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)設(shè)定的參數(shù)生成測(cè)量命令，所述無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)來(lái)的環(huán)境信息滿(mǎn)足所述參數(shù)時(shí)，所述測(cè)量命令向所述服務(wù)器發(fā)出并執(zhí)行，服務(wù)器遠(yuǎn)程發(fā)送所述測(cè)量命令，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)把所述命令發(fā)送給指定區(qū)域內(nèi)的一個(gè)或者多個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)，采集指定區(qū)域內(nèi)的碳通量，所述參數(shù)包括溫度、濕度、高度、位置、風(fēng)速、時(shí)間、降雨量、植被密度、植被類(lèi)型等；6、人機(jī)界面數(shù)據(jù)庫(kù)指令全網(wǎng)測(cè)量即通過(guò)一個(gè)人機(jī)界面設(shè)定數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)，數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)設(shè)定的參數(shù)生成測(cè)量命令，所述無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)來(lái)的環(huán)境信息滿(mǎn)足所述參數(shù)時(shí)，所述測(cè)量命令向所述服務(wù)器發(fā)出并執(zhí)行，服務(wù)器遠(yuǎn)程發(fā)送所述測(cè)量命令，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)把所述命令發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中有效的全部測(cè)量節(jié)點(diǎn)，采集整個(gè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的碳通量，所述參數(shù)包括溫度、濕度、高度、位置、風(fēng)速、時(shí)間、降雨量、植被密度、植被類(lèi)型等。所述第一種碳通量測(cè)量方式在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)出現(xiàn)，但是公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)與公開(kāi)銷(xiāo)售、展示的產(chǎn)品中，沒(méi)有出現(xiàn)或包含第2-6種測(cè)量方式；能夠?qū)崿F(xiàn)第2-6種測(cè)量方式的方法、儀器或者設(shè)備也沒(méi)有公開(kāi)發(fā)表，或者公開(kāi)銷(xiāo)售、展示。每個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)一次完整的測(cè)量過(guò)程如下LCO2傳感器預(yù)熱100秒；研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)該傳感器先預(yù)熱，可以提高測(cè)量值的精確度。研究測(cè)定的預(yù)熱時(shí)間為至少20秒，優(yōu)選為不低于100秒。2.電機(jī)正轉(zhuǎn)，位移傳感器每0. 1秒采樣一次，判斷測(cè)量室是否關(guān)閉；3. CO2濃度、溫濕度、電源電壓采樣3分鐘，同時(shí)IXD輸出顯示值，CCM20發(fā)送數(shù)據(jù)；4.電機(jī)反轉(zhuǎn)，位移傳感器每0.1秒采樣一次，判斷測(cè)量室是否完全開(kāi)啟。從應(yīng)用子系統(tǒng)看，本發(fā)明的應(yīng)用程序可包含集成控制子系統(tǒng)、通訊子系統(tǒng)、電力管理子系統(tǒng)、機(jī)械控制子系統(tǒng)、信息采集子系統(tǒng)、設(shè)備監(jiān)測(cè)與維護(hù)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、指令響應(yīng)子系統(tǒng)。所述通訊子系統(tǒng)用于控制所述無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)接入模塊；所述信息采集子系統(tǒng)用于控制所述(X)2傳感器測(cè)量模塊；所述設(shè)備監(jiān)測(cè)與維護(hù)子系統(tǒng)用于控制所述顯示模塊；所述信息采集子系統(tǒng)還可控制所述溫濕度傳感器測(cè)量模塊；所述集成控制子系統(tǒng)用于
1控制所述主控制電路模塊；所述電力管理子系統(tǒng)用于控制所述各電源模塊；所述機(jī)械控制子系統(tǒng)用于控制所述機(jī)械器件的運(yùn)行；所述數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)用于控制所述數(shù)據(jù)傳輸電路； 所述指令響應(yīng)子系統(tǒng)能接收互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，或者其他有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)來(lái)的指令，通過(guò)所述集成控制子系統(tǒng)要求相關(guān)電路器件、機(jī)械器件或者軟件子系統(tǒng)做出操作或信號(hào)響應(yīng)。本發(fā)明的有益效果是，它可以幫助用戶(hù)在野外惡劣、長(zhǎng)期無(wú)人看守環(huán)境下進(jìn)行土壤碳通量監(jiān)測(cè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的大量、快速部署，并在全自動(dòng)的遠(yuǎn)程環(huán)境下采集、無(wú)線(xiàn)發(fā)送海量數(shù)據(jù)，還能全自動(dòng)地響應(yīng)遠(yuǎn)程指令，隨時(shí)啟動(dòng)或停止測(cè)量進(jìn)程。其測(cè)量精度高，測(cè)量范圍廣，測(cè)量速快，自動(dòng)化水平高，具有廣闊的科研、商業(yè)應(yīng)用前景。本發(fā)明的土壤碳通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由多個(gè)土壤碳通量測(cè)量器或節(jié)點(diǎn)組成，且都工作在野外環(huán)境，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)能耗具有很高的要求。本發(fā)明在機(jī)械、電路器件的選用和電路設(shè)計(jì)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)中，最大化地解決了能耗問(wèn)題，此國(guó)外需要人工抄取數(shù)據(jù)，不能無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的同類(lèi)設(shè)備可持續(xù)工作3倍以上的時(shí)間；在應(yīng)用太陽(yáng)能充電的情況下，本發(fā)明的能耗優(yōu)勢(shì)更加明顯。


圖1是TelosB模塊與主電路的端口設(shè)置圖。其中，101是太陽(yáng)能充電板；102是顯示屏；103是頂蓋；104是固定中蓋；105是通風(fēng)口 ； 106是測(cè)量室基座。圖2是穩(wěn)壓電路原理圖。其中，201是電路板支架；202是滑動(dòng)蓋；203是墊圈；204
是彈簧。圖3是(X)2傳感器驅(qū)動(dòng)電路原理圖。其中，301是電池支架；302是電機(jī)、位移傳感器支架；303是(X)2傳感器固定位置；203是墊圈。圖4是電機(jī)控制電路原理圖。其中，401是滑動(dòng)蓋；402是絲桿；403是固定槽；104
是固定中蓋。圖5是數(shù)據(jù)傳輸電路原理圖。圖6是電源電壓監(jiān)測(cè)電路原理圖。圖7是電路指示電路原理圖。圖8是太陽(yáng)能充電電路圖。圖9是測(cè)量室未密封報(bào)警電路圖。圖10是位移傳感器電路圖。圖11是機(jī)械器件外觀圖。圖12是機(jī)械器件內(nèi)視圖。圖13是機(jī)械器件解剖圖。圖14是機(jī)械器件制動(dòng)機(jī)構(gòu)圖。圖15是單次測(cè)量流程圖。圖16是定時(shí)測(cè)量流程圖。圖17是主程序流程圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
本實(shí)施例的大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含硬件和軟件編程；其中硬件設(shè)計(jì)包括電路設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)兩大塊一、電路設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)包含TelosB模塊、CO2傳感器測(cè)量模塊、顯示模塊、溫濕度傳感器測(cè)量模塊、主控制電路模塊。現(xiàn)對(duì)各模塊進(jìn)行介紹1、TelosB 模塊TelosB是CroSSBoW(柯思博)公司Telos系列節(jié)點(diǎn)的Rev. B。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)實(shí)體元素叫做傳感器節(jié)點(diǎn)。TelosB就是其中一種節(jié)點(diǎn)。大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最終需要接入無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。每一個(gè)由CO2傳感器測(cè)量模塊、溫濕度測(cè)量模塊以及 TelosB等模塊組成的一臺(tái)測(cè)試儀相當(dāng)于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，它具有感知CO2濃度、溫濕度，處理信息，通信的能力。節(jié)點(diǎn)具有質(zhì)量輕、體積小、成本低的特點(diǎn)，因其是工作在野外環(huán)境下，低能耗也是最重要的特點(diǎn)之一。節(jié)點(diǎn)可以將數(shù)據(jù)發(fā)送至用戶(hù)的本地計(jì)算機(jī)上。這樣， 用戶(hù)可不必身臨節(jié)點(diǎn)所處的環(huán)境，就能獲得該環(huán)境中一些有用信息。TelosB主要具有以下技術(shù)參數(shù)通信電波2. 4GHz無(wú)線(xiàn)電，250Kbps高速數(shù)據(jù)傳輸；MAC 協(xié)議 JEEE 802. 15. 4 ；與其他IEEE 802. 15. 4設(shè)備的互通性；MCU :8MHz 的 MSP430 (10K RAM, 48K 閃存)；具有ADC、DAC模塊、電源電壓監(jiān)測(cè)和DMA控制器；內(nèi)置天線(xiàn)(集成在電路板內(nèi))；集成濕度、溫度、光感應(yīng)器；極低的電流消耗；極短的喚醒時(shí)間(< 6 μ S)；硬件鏈路層可加密認(rèn)證；通過(guò)USB接口編程和收集數(shù)據(jù)；外圍擴(kuò)展16腳，可用SMA接口進(jìn)行天線(xiàn)連接；操作系統(tǒng)TinyOS;TelosB主要由微控制單元，無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，以及USB轉(zhuǎn)換器組成；選用關(guān)鍵器件為 MSP430F1611、CC2420 和 FT232BM I)MSP430F1611TelosB模塊的低功耗特性與其微處理器(MSP430F1611)有很大的關(guān)系。 MSP430F1611具有IOKB的RAM，48KB的閃存和128B的信息存儲(chǔ)；它是一個(gè)16位的單片機(jī)， 采用了精簡(jiǎn)指令集(RISC)結(jié)構(gòu)，使得它具有極低的工作和休眠電流，這也保證了 TelosB能工作很長(zhǎng)時(shí)間。MSP430有一個(gè)內(nèi)部DCO數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)，頻率可達(dá)8MHz，6us內(nèi)就能從休眠狀態(tài)喚醒(室溫下一般僅需^2ns。當(dāng)DCO關(guān)閉時(shí)，MSP430還可以使用一個(gè)32468Hz 的晶體振蕩器。DCO的頻率會(huì)隨著電壓和溫度變化，但是它可以通過(guò)32KHz的振蕩器校正。 MSP還具有8個(gè)外部ADC和8個(gè)內(nèi)部ADC端口，內(nèi)部的ADC端口可以進(jìn)行電源電壓監(jiān)測(cè)；除此之外，它還具有很多的片內(nèi)外設(shè)SPI、UART、數(shù)字I/O端口、看門(mén)狗等等；MSP430F1611還具有一個(gè)2端口的12位DAC模塊、電源電壓監(jiān)測(cè)和3端口的DMA控制器。以下表格是它的典型操作參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括至少一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)，所述無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)；所述硬件系統(tǒng)包括電路器件、機(jī)械器件；其特征在于，所述電路器件包括至少一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)接入模塊；所述無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)接入模塊包括微控制單元、無(wú)線(xiàn)收發(fā)器；所述電路器件還包括至少一個(gè)(X)2傳感器測(cè)量模塊；所述(X)2傳感器測(cè)量模塊包括至少一個(gè)二氧化碳傳感器；所述電路器件還包括至少一個(gè)主控制電路，所述主控制電路包括穩(wěn)壓電路、CO2傳感器驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述電路器件還包括至少一個(gè)顯示模塊，所述顯示模塊包括至少一個(gè)液晶、LED或OLED顯示模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述電路器件還包括至少一個(gè)溫濕度傳感器測(cè)量模塊，所述溫濕度傳感器測(cè)量模塊將傳感元件和信號(hào)處理電路集成在一塊微型電路板上，輸出完全標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)；所述溫濕度傳感器測(cè)量模塊還包括一個(gè)電容性聚合體測(cè)濕敏感元件、一個(gè)用能隙材料制成的測(cè)溫元件，并在同一芯片上，與14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路用于控制CO2測(cè)量室的滑動(dòng)蓋打開(kāi)與關(guān)閉；所述電機(jī)的工作由H橋電路控制，實(shí)施測(cè)量前，提供高電平控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，關(guān)閉測(cè)量室；測(cè)量完畢后，提供高電平控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，打開(kāi)測(cè)量室；所述測(cè)量室的滑動(dòng)蓋打開(kāi)操作用于為所述測(cè)量室提供與測(cè)量室外完全相同的大氣環(huán)境。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路用于控制CO2測(cè)量室的整體打開(kāi)與關(guān)閉；所述測(cè)量室的整體打開(kāi)操作用于為所述測(cè)量室提供與測(cè)量室外完全相同的溫度、濕度、水文、大氣環(huán)境。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5的任一項(xiàng)所述的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于， 所述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的機(jī)械器件包括太陽(yáng)能充電板、頂蓋、測(cè)量室，所述測(cè)量室包括測(cè)量室基座、 固定中蓋和滑動(dòng)蓋圍成的空間，所述滑動(dòng)蓋開(kāi)啟后，出現(xiàn)通風(fēng)口。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述測(cè)量室內(nèi)部部署有彈簧、墊圈、滑動(dòng)蓋、電路板支架，所述彈簧在測(cè)量啟動(dòng)前，用于密閉所述測(cè)量室，當(dāng)滑動(dòng)蓋向下移動(dòng)直到緊觸墊圈，停止移動(dòng)，測(cè)量室關(guān)閉，而在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，彈簧處于壓縮狀態(tài)，彈簧給墊圈向上的作用力，提高測(cè)量室的密封性。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述滑動(dòng)蓋通過(guò)至少一個(gè)絲桿和固定槽實(shí)施啟閉，滑動(dòng)蓋的上下移動(dòng)通過(guò)所述絲桿實(shí)現(xiàn)；絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的一種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)；所述滑動(dòng)蓋與固定中蓋用固定槽相對(duì)固定，兩者無(wú)法進(jìn)行相對(duì)的圓周運(yùn)動(dòng)，通過(guò)絲桿將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)絲桿，絲桿使得滑動(dòng)蓋上下移動(dòng)，完成所述測(cè)量室的啟閉。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)包括輕量級(jí)線(xiàn)程技術(shù)模塊、主動(dòng)消息通信技術(shù)模塊、事件驅(qū)動(dòng)模式技術(shù)模塊、 組件化編程技術(shù)模塊；其應(yīng)用子程序設(shè)置為包括無(wú)線(xiàn)通訊子程序、顯示子程序、溫濕度傳感子程序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序、位移檢測(cè)子程序、電源電壓檢測(cè)子程序、CO2傳感子程序。
10.應(yīng)用權(quán)利要求1至9的任一項(xiàng)所述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟s1.部署兩個(gè)以上無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)，啟用至少一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)；s2.把Sl中的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)接入局域網(wǎng)，或互聯(lián)網(wǎng)，或電信網(wǎng)，或廣電網(wǎng)，或所述網(wǎng)絡(luò)的融合網(wǎng)絡(luò)；s3.把至少一個(gè)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)終端接入S2中的所述網(wǎng)絡(luò)；s4.S3中的網(wǎng)絡(luò)終端從所述Sl中的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)接收信息，或者向所述Sl中的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)包括至少一個(gè)人機(jī)登陸界面，所述遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)終端通過(guò)所述人機(jī)登陸界面的鑒權(quán)認(rèn)證后，在其獲得的授權(quán)范圍內(nèi)訪問(wèn)所述無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述碳通量監(jiān)測(cè)方法包括2種碳通量測(cè)量方式(1)單次測(cè)量即在儀器現(xiàn)場(chǎng)，按動(dòng)啟動(dòng)按鍵，從顯示屏人工讀取測(cè)量結(jié)果，實(shí)現(xiàn)單次測(cè)量；(2)定時(shí)測(cè)量即通過(guò)服務(wù)器遠(yuǎn)程設(shè)定定時(shí)時(shí)間，定時(shí)測(cè)量碳通量值。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述碳通量監(jiān)測(cè)方法包括4種碳通量測(cè)量方式(1)隨機(jī)指定區(qū)域測(cè)量即通過(guò)服務(wù)器遠(yuǎn)程發(fā)送隨機(jī)測(cè)量命令，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)把所述命令發(fā)送給指定區(qū)域內(nèi)的一個(gè)或者多個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)，采集指定區(qū)域內(nèi)的碳通量；(2)隨機(jī)全網(wǎng)測(cè)量即通過(guò)服務(wù)器遠(yuǎn)程發(fā)送隨機(jī)測(cè)量命令，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)把所述命令發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中有效的全部測(cè)量節(jié)點(diǎn)，采集整個(gè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的碳通量；(3)人機(jī)界面數(shù)據(jù)庫(kù)指令指定區(qū)域測(cè)量即通過(guò)一個(gè)人機(jī)界面設(shè)定數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)，數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)設(shè)定的參數(shù)生成測(cè)量命令，所述無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)來(lái)的環(huán)境信息滿(mǎn)足所述參數(shù)時(shí)， 所述測(cè)量命令向所述服務(wù)器發(fā)出并執(zhí)行，服務(wù)器遠(yuǎn)程發(fā)送所述測(cè)量命令，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)把所述命令發(fā)送給指定區(qū)域內(nèi)的一個(gè)或者多個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)，采集指定區(qū)域內(nèi)的碳通量，所述參數(shù)包括溫度、濕度、高度、位置、風(fēng)速、時(shí)間、降雨量、植被密度、植被類(lèi)型；(4)人機(jī)界面數(shù)據(jù)庫(kù)指令全網(wǎng)測(cè)量即通過(guò)一個(gè)人機(jī)界面設(shè)定數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)，數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)設(shè)定的參數(shù)生成測(cè)量命令，所述無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)來(lái)的環(huán)境信息滿(mǎn)足所述參數(shù)時(shí)，所述測(cè)量命令向所述服務(wù)器發(fā)出并執(zhí)行，服務(wù)器遠(yuǎn)程發(fā)送所述測(cè)量命令，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)把所述命令發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中有效的全部測(cè)量節(jié)點(diǎn)，采集整個(gè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的碳通量， 所述參數(shù)包括溫度、濕度、高度、位置、風(fēng)速、時(shí)間、降雨量、植被密度、植被類(lèi)型。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，每個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)一次完整的測(cè)量過(guò)程包括如下步驟s1.完全關(guān)閉測(cè)量室；s2.CQe傳感器預(yù)熱；所述傳感器預(yù)熱可在測(cè)量室關(guān)閉操作開(kāi)始的同時(shí)啟動(dòng)，或者在設(shè)備檢測(cè)到測(cè)量室關(guān)閉成功后啟動(dòng)；s3.測(cè)量(X)2濃度；s4.顯示或發(fā)送(X)2濃度數(shù)據(jù)并把該數(shù)據(jù)與測(cè)量時(shí)間、地點(diǎn)數(shù)據(jù)，以及測(cè)量CO2濃度時(shí)獲取的溫度、濕度數(shù)據(jù)同時(shí)顯示或發(fā)送；S5.打開(kāi)測(cè)量室，使測(cè)量室內(nèi)部獲得與外部相同的溫度、濕度、水文、大氣環(huán)境。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種大范圍土壤碳通量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法，其系統(tǒng)包括至少一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)，所述無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)；所述硬件系統(tǒng)包括電路器件、機(jī)械器件；其特征在于，所述電路器件包括至少一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)接入模塊；所述無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)接入模塊包括微控制單元、無(wú)線(xiàn)收發(fā)器；所述電路器件還包括至少一個(gè)CO2傳感器測(cè)量模塊；所述CO2傳感器測(cè)量模塊包括至少一個(gè)紅外二氧化碳傳感器；所述電路器件還包括至少一個(gè)主控制電路，所述主控制電路包括穩(wěn)壓電路、CO2傳感器驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。本發(fā)明的方法包括遠(yuǎn)程設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接入步驟。本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、快速、密集的節(jié)點(diǎn)部署，測(cè)量精度高，測(cè)量速度快，自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化程度高，在科研、商業(yè)、社會(huì)管理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G01D21/02GK102506939SQ20111036398
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月15日
發(fā)明者吳曉平, 周?chē)?guó)模, 周宇峰, 莫路鋒 申請(qǐng)人:周?chē)?guó)模