专利名称：一种大范围土壤碳通量监测系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种大范围土壤碳通量监测系统及方法，属于地球土壤与大气化学监测技术领域。
背景技术：
为了解决气候变暖问题，发达国家推动全球建立了一套二氧化碳排放权交易系统，简称“碳交易”系统。它是一种向各国分配二氧化碳排放配额，并把配额投放到市场上进行交易，从而降低二氧化碳排放量的一种市场化环境保护体系。碳交易市场发展非常迅猛。例如，2005年京都议定书正式生效后，全球碳交易市场出现了飞速增长的态势。2007年，全球碳交易量从2006年的16亿吨跃升到27亿吨，上升 68.75%。碳交易成交额增长非常迅猛。例如，2007年，全球碳交易金额达400亿欧元，比 2006年的220亿欧元上升了 81.8%。2010年，全球碳交易额已超过930亿欧元。到2020 年，全球碳交易额预计将达到3. 5万亿美元，可能超过石油行业，成为全球第一大能源交易市场。一些国家或地区强制推广碳交易，将极大地促进碳交易市场的扩张。例如，根据欧盟法律，从2012年1月起，全球航空业被纳入欧盟碳排放交易机制，开辟欧盟航线的外国航空公司全部被纳入这一机制。为此，中国国航在2012年预计需要向欧盟缴纳约3400万欧元的二氧化碳排放量购买费用。为了抵制不公平的碳交易体制，中国的国航、南航、东航正酝酿与中航协一起，共同向欧盟提起诉讼。碳交易不但已成为贸易壁垒，而且在全球已演化为核心的经济、政治问题。发达国家认为，中国是制造业大国，中国基本上占据了 60%多的CDM市场份额，因此发达国家对中国提出了越来越多的环境保护约束，对中国的国家碳配额提出了非常苛刻的要求。实际上，中国的碳排放在很大程度上是为发达国家提供消费品和工业品；而且，中国拥有非常庞大的地下碳库，尤其中国有世界上最大的竹林，对气碳的土壤固化能力非常强。尽管中国是世界上工业气碳的最大排放国，但中国也可能是世界上最大的气碳植被土壤固化国，可能拥有世界上最大的地下碳库。如果这个大规模、高速度消耗气碳的地下碳库真的存在，而且拥有此北美、西欧、日本等发达地区拥有的植被环境更强大、更快速的气碳消耗能力，那么中国应当在碳交易全球配额体系中拥有主导性话语权。目前，公开发表的文献，以及公开销售、展示的土壤碳通量监测设备不能满足我国土壤碳通量测量的需求，不能为我国地下碳库的土壤碳通量测量提供技术支持。其主要技术缺陷如现有的土壤碳通量监测设备、系统、方法都不能实现无人远程监测，而且没有出现自动化的联网监测产品，不能采集广域野外环境的碳通量海量数据。与水文、雨雪等地球或大气环境的自动化联网监测实践不同，碳通量的大范围监测设备需要进行一系列的机械操作，机械故障多，测量环境的自动化创建难度大，设备耗电量大，其软件创新和硬件集成的难度很大。现有设备只能单机本地测量，必须由测量人员在现场激发测量装置，并当场抄录测量数据，远未实现测量室的远程启闭控制。截至目前，国内外没有出现能够完全无人看护、数据无线共享、远程响应机械操作、随时监控自身设备状态、具有自我电量维持管理功能的碳通量测量系统。更没有相关文献发表。现有设备只能在现场关闭测量室，而且测量室仅仅为碳通量测量设备提供气门， 仅能实现测量室内外的大气交换。为了获取精确的测量数据，测量室内外需要具有相同的温度、湿度、水文、大气环境。这就需要实现测量室的整体性开启与关闭，而不仅是设置气门。实现该整体性启闭的远程电力控制系统并未出现在碳通量检测设备与无线传感器网络设备中。现有设备的土壤碳通量数据采集方式非常单一，获取的数据不能为广域、定时、采样分析提供数据支撑，更不能实现智能化、多样化的数据采集操作。而且，现有设备每台的价格高达数十万元人民币，从费用上不能满足大量设备的智能布网需求。现有设备的耗电量大，设备自持周期太短，更不能获取太阳能，无法实现大量设备的智能化布网。总之，现有设备应用的土壤碳通量监测系统、方法、网络都需要进行大规模革新， 从而为建立新的土壤碳通量监测机制提供基础性硬件、软件技术，为我国地下碳库的土壤碳通量测量提供技术支持。
发明内容
本发明公开了一种大范围土壤碳通量监测系统，包括至少一个无线传感器节点， 所述无线传感器节点包括硬件系统和软件系统；所述硬件系统包括电路器件、机械器件； 其特征在于，所述电路器件包括至少一个无线传感器网络接入模块；所述无线传感器网络接入模块包括微控制单元、无线收发器；所述电路器件还包括至少一个(X)2传感器测量模块；所述(X)2传感器测量模块包括至少一个红外二氧化碳传感器；所述电路器件还包括至少一个主控制电路，所述主控制电路包括稳压电路、CO2传感器驱动电路、电机驱动电路。所述的一种大范围土壤碳通量监测系统，其特征在于，所述电路器件还包括至少一个显示模块，所述显示模块包括至少一个液晶、LED或OLED显示模块。所述的一种大范围土壤碳通量监测系统，其特征在于，所述电路器件还包括至少一个温湿度传感器测量模块，所述温湿度传感器测量模块将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上，输出完全标定的数字信号；所述温湿度传感器测量模块还包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。所述的一种大范围土壤碳通量监测系统，其特征在于，所述电机驱动电路用于控制CO2测量室的打开与关闭；所述电机的工作由H桥电路控制，实施测量前，提供高电平控制电机正转，关闭测量室；测量完毕后，提供高电平控制电机反转，打开测量室。所述的一种大范围土壤碳通量监测系统，其特征在于，所述监测系统的机械器件包括太阳能充电板、顶盖、测量室，所述测量室包括测量室基座、固定中盖和滑动盖围成的空间，所述滑动盖开启后，出现通风口。
所述的一种大范围土壤碳通量监测系统，其特征在于，所述测量室内部部署有弹簧、垫圈、滑动盖、电路板支架，所述弹簧在测量启动前，用于密闭所述测量室，当滑动盖向下移动直到紧触垫圈，停止移动，测量室关闭，而在整个测量过程中，弹簧处于压缩状态，弹簧给垫圈向上的作用力，提高测量室的密封性。所述的一种大范围土壤碳通量监测系统，其特征在于，所述滑动盖通过至少一个丝杆和固定槽实施启闭，滑动盖的上下移动通过所述丝杆实现；丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的一种传动结构；所述滑动盖与固定中盖用固定槽相对固定，两者无法进行相对的圆周运动，通过丝杆将回转运动转变为直线运动电路驱动电机转动，电机带动丝杆，丝杆使得滑动盖上下移动，完成所述测量室的启闭。所述的一种大范围土壤碳通量监测系统，其特征在于，所述监测系统的软件系统包括集成控制子系统、通讯子系统、电力管理子系统、机械控制子系统、信息采集子系统、设备监测与维护子系统、数据处理子系统、指令响应子系统；所述通讯子系统用于控制所述无线传感器网络接入模块；所述信息采集子系统用于控制所述(X)2传感器测量模块；所述设备监测与维护子系统用于控制所述显示模块；所述信息采集子系统还可控制所述温湿度传感器测量模块；所述集成控制子系统用于控制所述主控制电路模块；所述电力管理子系统用于控制所述各电源模块；所述机械控制子系统用于控制所述机械器件的运行；所述数据处理子系统用于控制所述数据传输电路；所述指令响应子系统能接收互联网、无线传感器网络，或者其他有线或无线通信网络发来的指令，通过所述集成控制子系统要求相关电路器件、机械器件或者软件子系统作出操作或信号响应。所述大范围土壤碳通量监测系统，其特征在于，所述电机驱动电路用于控制(X)2测量室的整体打开与关闭；所述测量室的整体打开操作用于为所述测量室提供与测量室外完全相同的温度、湿度、水文、大气环境。所述CO2测量室的整体打开方式包括，单侧平移式展开、两侧平移式展开、开合式打开、翻开式打开、翻盖式打开。所述单侧平移式展开包括测量室上方的部件整体性向一侧移开，使雨水可以垂直落入测量室内部的土壤；两侧平移式展开包括测量室上方的部件分成至少2部分各自整体性向不同的方向平移式移开；开合式打开包括测量室上方的部件分成至少2部分开合式展开，使雨水可以垂直落入测量室内部的土壤；翻开式打开包括测量室上方的部件向外侧翻开，使雨水可以垂直落入测量室内部的土壤；翻盖式打开包括测量室上方的部件作为盖体翻开，使雨水可以垂直落入测量室内部的土壤。所述的一种大范围土壤碳通量监测系统，其特征在于，所述监测系统的软件系统包括轻量级线程技术模块、主动消息通信技术模块、事件驱动模式技术模块、组件化编程技术模块；其应用子程序设置为包括无线通讯子程序、显示子程序、温湿度传感子程序、电机驱动子程序、位移检测子程序、电源电压检测子程序、CO2传感子程序。本发明还公开了应用所述监测系统的一种大范围土壤碳通量监测方法，其特征在于，包括如下步骤Si.部署两个以上无线传感器节点，启用至少一个无线传感器网络；S2.把Sl中的无线传感器网络接入局域网，或互联网，或电信网，或广电网，或所述网络的融合网络；S3.把至少一个远程网络终端接入S2中的所述网络；所述终端包括手机、计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑、智能上网设备；S4. S3中的网络终端从所述Sl中的无线传感器节点接收信息，或者向所述Sl中的无线传感器节点发送指令。所述的一种大范围土壤碳通量监测方法，其特征在于，所述无线传感器网络包括至少一个人机登陆界面，所述远程网络终端通过所述人机登陆界面的鉴权认证后，在其获得的授权范围内访问所述无线传感器网络。所述的一种大范围土壤碳通量监测方法，其特征在于，所述碳通量监测方法包括2 种碳通量测量方式(1)单次测量即在仪器现场，按动启动按键，从显示屏人工读取测量结果，实现单次测量；(2)定时测量即通过服务器远程设定定时时间，定时测量碳通量值。所述的一种大范围土壤碳通量监测方法，其特征在于，所述碳通量监测方法包括4 种碳通量测量方式(1)随机指定区域测量即通过服务器远程发送随机测量命令，无线传感器网络中的节点把所述命令发送给指定区域内的一个或者多个测量节点，采集指定区域内的碳通量；(2)随机全网测量即通过服务器远程发送随机测量命令，无线传感器网络中的节点把所述命令发送给网络中有效的全部测量节点，采集整个网络覆盖区域内的碳通量；(3)人机界面数据库指令指定区域测量即通过一个人机界面设定数据库参数， 数据库根据设定的参数生成测量命令，所述无线传感器网络发来的环境信息满足所述参数时，所述测量命令向所述服务器发出并执行，服务器远程发送所述测量命令，无线传感器网络中的节点把所述命令发送给指定区域内的一个或者多个测量节点，采集指定区域内的碳通量，所述参数包括温度、湿度、高度、位置、风速、时间、降雨量、植被密度、植被类型；(4)人机界面数据库指令全网测量即通过一个人机界面设定数据库参数，数据库根据设定的参数生成测量命令，所述无线传感器网络发来的环境信息满足所述参数时， 所述测量命令向所述服务器发出并执行，服务器远程发送所述测量命令，无线传感器网络中的节点把所述命令发送给网络中有效的全部测量节点，采集整个网络覆盖区域内的碳通量，所述参数包括温度、湿度、高度、位置、风速、时间、降雨量、植被密度、植被类型。所述的一种大范围土壤碳通量监测方法，其特征在于，每个测量节点一次完整的测量过程包括如下步骤Si.完全关闭测量室；S2. CO2传感器预热；S3.测量(X)2 浓度；S4.显示或发送(X)2浓度数据并把该数据与测量时间、地点数据，以及测量(X)2浓度时获取的温度、湿度数据同时显示或发送；S5.打开测量室，使测量室内部获得与外部相同的温度、湿度、水文、大气环境。具体而言，本发明的大范围土壤碳通量监测系统包含硬件系统和软件系统；其中硬件系统包括电路器件、机械器件两部分。本发明的大范围土壤碳通量监测硬件系统的电路器件包括无线传感器网络接入模块、CO2传感器测量模块、显示模块、温湿度传感器测量模块、主控制电路模块，具体如下1、无线传感器网络接入模块。所述电路器件包括至少一个无线传感器网络接入模块(如TelosB模块)XO2传感器测量模块、主控制电路模块；还可包括显示模块、温湿度传感器测量模块。所述无线传感器网络接入模块包括微控制单元、无线收发器，以及USB转换器、低能耗电量管理器组成。所述无线传感器网络接入模块与(X)2传感器测量模块、显示模块、温湿度传感器测量模块、主控制电路模块组成的一台测试仪相当于无线网络中的一个节点， 它具有感知CO2浓度、温湿度，处理信息，通信的能力。所述节点具有质量轻、体积小、成本低的特点；因为它是在野外环境下工作，低能耗也是最重要的特点之一。所述节点通过无线传感器网络接入互联网，将数据发送至用户的计算机、笔记本电脑、平板电脑、智能上网设备或者手机上。这样，用户可不必身临节点所处的环境，就能获得该环境中的一些有用信息。2、CO2传感器测量模块。所述电路器件包括至少一个(X)2传感器测量模块。所述 CO2传感器测量模块包括至少一个红外二氧化碳传感器，其预留易插拔插针，方便用户与其他设备连接使用；并且，所述(X)2传感器测量模块的输出接口多样，易于数据传输读取，适合多种场合安装和拆卸。3、显示模块。所述电路器件可包括一个显示模块。所述显示模块包括至少一个液晶、LED或OLED显示模块。其显示模式包括光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等。4、温湿度传感器测量模块。所述电路器件可包括一个温湿度传感器测量模块。所述温湿度传感器测量模块将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上，输出完全标定的数字信号；所述温湿度传感器测量模块还包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。每个传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定，校准系数以程序形式储存在OTP内存中，用于内部的信号校准。两线制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集成变得快速而简单。其默认分辨率为14bit (温度)和12bit (湿度)，但是在一些要求测量速度极高或者功耗极低的应用下，分辨率可降低为12it (温度)和8it (湿度)。这能保证实现设计的低功耗目标在休眠状态下，功率消耗仅2uW、电流为0. 3uA(最大为1. 5uA)；测量状态下功率消耗为3mW，电流为0. 55mA(最大为ImA)；所述温湿度传感器测量模块相对湿度测量精度典型值为士2% RH，温度测量精度典型值为士0.3°C。5、主控制电路。所述电路器件包括至少一个主控制电路。所述主控制电路包括稳压电路、(X)2传感器驱动电路、电机驱动电路、数据传输电路(调压)、电源监测电路、电源指示电路等，具体包括I)所述稳压电路为微功耗的稳压器的电压输入范围为4. 5V 24V ；提供3. 3V或 5V的固定电压输出和可调电压输出(1. 25V VIN)。II)所述CO2传感器驱动电路利用三极管的开关功能，在需要进行CO2测量时，产生控制信号，输出12V工作电压，用两个三极管并联产生足够大的驱动电流驱动(X)2传感器工作。III)所述电机控制电路用于控制CO2测量室的打开与关闭；所述电机的工作由H桥电路控制，实施测量前，提供高电平控制电机正转，关闭测量室；测量完毕后，提供高电平控制电机反转，打开测量室；即可完成一次CO2浓度的测量。所述电机转动时，电流的大小与电机所受阻力有关，当所述电机驱动滑动盖(具体见下文的机械器件模块)向下移动时，流过电机的电流会发生变化，当滑动盖碰到密封圈(具体见下文的机械器件模块)时，电机运动遇到阻力，电流加大；继续提供高电平，电机继续工作，电流将继续增加，而CO2测量室的密封性将越来越好；本发明设定电流增到一定的大小时，测量室的密封性达到CO2浓度测试需求；此时，电机停止工作，开始密闭环境下对土壤(X)2浓度的测量，系统预设一定时间的封闭采样测量时间，本发明优选为2-4分钟，再优选为3分钟。封闭测量完成后，需打开测量室时，所述电机需反转；电机反转过程中并没有遇到阻碍，所以其电流保持在一定范围内，没有太大波动。至于何时停止电机的反转？本发明设定一定时间的电机反转时间，该时间届满时，所述电机停止反转，所述反转时间优选为3-20 秒，再优选为5-10秒；在所述反转停止前，滑动盖移开，恢复测量室的通风环境。IV)所述数据传输电路用于把(X)2传感器采集到的数据传送给无线传感器网络接入模块，由后者进行处理和传输。V)所述电源电压监测电路用于监测电源电压。他)所述电源指示电路用于指示电源。所述主控制电路还包括或连接到太阳能充电电路、测量室未密封报警电路、位移传感器控制电路等。VII)所述太阳能充电电路用于启动太阳能充电模块。VIII)所述测量室未密封报警电路用于本发明硬件器件的设备报警。测量启动前， 所述设备要进行测量室的密封动作；如果密封不到位，所述报警电路启动报警操作，包括启动蜂鸣器，或者发送远程故障信号。IX)所述位移传感器控制电路用于利用位移传感器控制滑动盖的移动距离。本发明采用直线位移传感器实现该功能。本发明的机械器件包括太阳能充电板、顶盖、固定中盖、测量室基座等。其中，测量室包括测量室基座、固定中盖和滑动盖围成的空间，滑动盖开启后，出现通风口 ；测量室基座内径为5-40cm，优选为10-30cm，再优选为20cm。测量室内部可见弹簧、垫圈、滑动盖、电路板支架等。所述弹簧主要功能是测量前，关闭测量室，当滑动盖向下移动直到紧触垫圈，停止移动，测量室关闭，而在整个测试过程中，弹簧处于压缩状态，弹簧给垫圈向上的作用力，能保证测量室更好的密封性。所述垫圈同样是为了提高测量室的密封性，从而提高测量精度。顶盖拆除后，可见电池支架、电机与位移传感器支架、CO2传感器固定装置；下部设置有滑动盖、丝杆、固定槽。滑动盖的上下移动通过所述丝杆实现；丝杆是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的一种传动结构，这种运动具有很小的摩擦力。在整个机械器件中，由于滑动盖与固定中盖用固定槽相对固定了，两者无法进行相对的圆周运动，因此可通过丝杆将回转运动转变直线运动电路驱动电机转动，电机带动丝杆，丝杆使得滑动盖上下移动，完成测量室的打开与关闭。本发明的大范围土壤碳通量监测软件系统包括轻量级线程技术模块、主动消息通信技术模块、事件驱动模式技术模块、组件化编程技术模块。轻量级线程技术模块和主动消息通信技术模块能提高无线传感器网络的性能，发挥硬件的特点，大大降低其功耗，并且简化了应用程序的开发难度。根据系统硬件的组成，将系统的应用子程序设置为包括无线通讯子程序、显示子程序、温湿度传感子程序、电机驱动子程序、位移检测子程序、电源电压检测子程序、CO2传感子程序。本发明实现碳通量测量的方式主要有6种1、单次测量即在仪器现场，按动启动按键，从显示屏人工读取测量结果，实现单次测量一次；2、定时测量即通过服务器远程设定定时时间，定时测量碳通量值；3、随机指定区域测量即通过服务器远程发送随机测量命令，无线传感器网络中的节点把所述命令发送给指定区域内的一个或者多个测量节点，采集指定区域内的碳通量；4、随机全网测量即通过服务器远程发送随机测量命令，无线传感器网络中的节点把所述命令发送给网络中有效的全部测量节点，采集整个网络覆盖区域内的碳通量；5、人机界面数据库指令指定区域测量即通过一个人机界面设定数据库参数，数据库根据设定的参数生成测量命令，所述无线传感器网络发来的环境信息满足所述参数时，所述测量命令向所述服务器发出并执行，服务器远程发送所述测量命令，无线传感器网络中的节点把所述命令发送给指定区域内的一个或者多个测量节点，采集指定区域内的碳通量，所述参数包括温度、湿度、高度、位置、风速、时间、降雨量、植被密度、植被类型等；6、人机界面数据库指令全网测量即通过一个人机界面设定数据库参数，数据库根据设定的参数生成测量命令，所述无线传感器网络发来的环境信息满足所述参数时，所述测量命令向所述服务器发出并执行，服务器远程发送所述测量命令，无线传感器网络中的节点把所述命令发送给网络中有效的全部测量节点，采集整个网络覆盖区域内的碳通量，所述参数包括温度、湿度、高度、位置、风速、时间、降雨量、植被密度、植被类型等。所述第一种碳通量测量方式在现有技术中已经出现，但是公开发表的文献与公开销售、展示的产品中，没有出现或包含第2-6种测量方式；能够实现第2-6种测量方式的方法、仪器或者设备也没有公开发表，或者公开销售、展示。每个测量节点一次完整的测量过程如下LCO2传感器预热100秒；研究发现，对该传感器先预热，可以提高测量值的精确度。研究测定的预热时间为至少20秒，优选为不低于100秒。2.电机正转，位移传感器每0. 1秒采样一次，判断测量室是否关闭；3. CO2浓度、温湿度、电源电压采样3分钟，同时IXD输出显示值，CCM20发送数据；4.电机反转，位移传感器每0.1秒采样一次，判断测量室是否完全开启。从应用子系统看，本发明的应用程序可包含集成控制子系统、通讯子系统、电力管理子系统、机械控制子系统、信息采集子系统、设备监测与维护子系统、数据处理子系统、指令响应子系统。所述通讯子系统用于控制所述无线传感器网络接入模块；所述信息采集子系统用于控制所述(X)2传感器测量模块；所述设备监测与维护子系统用于控制所述显示模块；所述信息采集子系统还可控制所述温湿度传感器测量模块；所述集成控制子系统用于
1控制所述主控制电路模块；所述电力管理子系统用于控制所述各电源模块；所述机械控制子系统用于控制所述机械器件的运行；所述数据处理子系统用于控制所述数据传输电路； 所述指令响应子系统能接收互联网、无线传感器网络，或者其他有线或无线通信网络发来的指令，通过所述集成控制子系统要求相关电路器件、机械器件或者软件子系统做出操作或信号响应。本发明的有益效果是，它可以帮助用户在野外恶劣、长期无人看守环境下进行土壤碳通量监测设备节点的大量、快速部署，并在全自动的远程环境下采集、无线发送海量数据，还能全自动地响应远程指令，随时启动或停止测量进程。其测量精度高，测量范围广，测量速快，自动化水平高，具有广阔的科研、商业应用前景。本发明的土壤碳通量监测系统由多个土壤碳通量测量器或节点组成，且都工作在野外环境，因此系统设计对能耗具有很高的要求。本发明在机械、电路器件的选用和电路设计、机械驱动中，最大化地解决了能耗问题，此国外需要人工抄取数据，不能无线联网的同类设备可持续工作3倍以上的时间；在应用太阳能充电的情况下，本发明的能耗优势更加明显。
图1是TelosB模块与主电路的端口设置图。其中，101是太阳能充电板；102是显示屏；103是顶盖；104是固定中盖；105是通风口 ； 106是测量室基座。图2是稳压电路原理图。其中，201是电路板支架；202是滑动盖；203是垫圈；204
是弹簧。图3是(X)2传感器驱动电路原理图。其中，301是电池支架；302是电机、位移传感器支架；303是(X)2传感器固定位置；203是垫圈。图4是电机控制电路原理图。其中，401是滑动盖；402是丝杆；403是固定槽；104
是固定中盖。图5是数据传输电路原理图。图6是电源电压监测电路原理图。图7是电路指示电路原理图。图8是太阳能充电电路图。图9是测量室未密封报警电路图。图10是位移传感器电路图。图11是机械器件外观图。图12是机械器件内视图。图13是机械器件解剖图。图14是机械器件制动机构图。图15是单次测量流程图。图16是定时测量流程图。图17是主程序流程图。
具体实施例方式实施例1
本实施例的大范围土壤碳通量监测系统包含硬件和软件编程；其中硬件设计包括电路设计和机械设计两大块一、电路设计电路设计包含TelosB模块、CO2传感器测量模块、显示模块、温湿度传感器测量模块、主控制电路模块。现对各模块进行介绍1、TelosB 模块TelosB是CroSSBoW(柯思博)公司Telos系列节点的Rev. B。在无线传感器网络中，每一个实体元素叫做传感器节点。TelosB就是其中一种节点。大范围土壤碳通量监测系统最终需要接入无线传感器网络。每一个由CO2传感器测量模块、温湿度测量模块以及 TelosB等模块组成的一台测试仪相当于无线网络中的一个节点，它具有感知CO2浓度、温湿度，处理信息，通信的能力。节点具有质量轻、体积小、成本低的特点，因其是工作在野外环境下，低能耗也是最重要的特点之一。节点可以将数据发送至用户的本地计算机上。这样， 用户可不必身临节点所处的环境，就能获得该环境中一些有用信息。TelosB主要具有以下技术参数通信电波2. 4GHz无线电，250Kbps高速数据传输；MAC 协议 JEEE 802. 15. 4 ；与其他IEEE 802. 15. 4设备的互通性；MCU :8MHz 的 MSP430 (10K RAM, 48K 闪存)；具有ADC、DAC模块、电源电压监测和DMA控制器；内置天线(集成在电路板内)；集成湿度、温度、光感应器；极低的电流消耗；极短的唤醒时间(< 6 μ S)；硬件链路层可加密认证；通过USB接口编程和收集数据；外围扩展16脚，可用SMA接口进行天线连接；操作系统TinyOS;TelosB主要由微控制单元，无线收发器，以及USB转换器组成；选用关键器件为 MSP430F1611、CC2420 和 FT232BM I)MSP430F1611TelosB模块的低功耗特性与其微处理器(MSP430F1611)有很大的关系。 MSP430F1611具有IOKB的RAM，48KB的闪存和128B的信息存储；它是一个16位的单片机， 采用了精简指令集(RISC)结构，使得它具有极低的工作和休眠电流，这也保证了 TelosB能工作很长时间。MSP430有一个内部DCO数字振荡器时钟系统，频率可达8MHz，6us内就能从休眠状态唤醒(室温下一般仅需^2ns。当DCO关闭时，MSP430还可以使用一个32468Hz 的晶体振荡器。DCO的频率会随着电压和温度变化，但是它可以通过32KHz的振荡器校正。 MSP还具有8个外部ADC和8个内部ADC端口，内部的ADC端口可以进行电源电压监测；除此之外，它还具有很多的片内外设SPI、UART、数字I/O端口、看门狗等等；MSP430F1611还具有一个2端口的12位DAC模块、电源电压监测和3端口的DMA控制器。以下表格是它的典型操作参数
权利要求
1.一种大范围土壤碳通量监测系统，包括至少一个无线传感器节点，所述无线传感器节点包括硬件系统和软件系统；所述硬件系统包括电路器件、机械器件；其特征在于，所述电路器件包括至少一个无线传感器网络接入模块；所述无线传感器网络接入模块包括微控制单元、无线收发器；所述电路器件还包括至少一个(X)2传感器测量模块；所述(X)2传感器测量模块包括至少一个二氧化碳传感器；所述电路器件还包括至少一个主控制电路，所述主控制电路包括稳压电路、CO2传感器驱动电路、电机驱动电路。
2.根据权利要求1所述的一种大范围土壤碳通量监测系统，其特征在于，所述电路器件还包括至少一个显示模块，所述显示模块包括至少一个液晶、LED或OLED显示模块。
3.根据权利要求1所述的一种大范围土壤碳通量监测系统，其特征在于，所述电路器件还包括至少一个温湿度传感器测量模块，所述温湿度传感器测量模块将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上，输出完全标定的数字信号；所述温湿度传感器测量模块还包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。
4.根据权利要求1所述的一种大范围土壤碳通量监测系统，其特征在于，所述电机驱动电路用于控制CO2测量室的滑动盖打开与关闭；所述电机的工作由H桥电路控制，实施测量前，提供高电平控制电机正转，关闭测量室；测量完毕后，提供高电平控制电机反转，打开测量室；所述测量室的滑动盖打开操作用于为所述测量室提供与测量室外完全相同的大气环境。
5.根据权利要求1所述的一种大范围土壤碳通量监测系统，其特征在于，所述电机驱动电路用于控制CO2测量室的整体打开与关闭；所述测量室的整体打开操作用于为所述测量室提供与测量室外完全相同的温度、湿度、水文、大气环境。
6.根据权利要求1至5的任一项所述的一种大范围土壤碳通量监测系统，其特征在于， 所述监测系统的机械器件包括太阳能充电板、顶盖、测量室，所述测量室包括测量室基座、 固定中盖和滑动盖围成的空间，所述滑动盖开启后，出现通风口。
7.根据权利要求6所述的一种大范围土壤碳通量监测系统，其特征在于，所述测量室内部部署有弹簧、垫圈、滑动盖、电路板支架，所述弹簧在测量启动前，用于密闭所述测量室，当滑动盖向下移动直到紧触垫圈，停止移动，测量室关闭，而在整个测量过程中，弹簧处于压缩状态，弹簧给垫圈向上的作用力，提高测量室的密封性。
8.根据权利要求6所述的一种大范围土壤碳通量监测系统，其特征在于，所述滑动盖通过至少一个丝杆和固定槽实施启闭，滑动盖的上下移动通过所述丝杆实现；丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的一种传动结构；所述滑动盖与固定中盖用固定槽相对固定，两者无法进行相对的圆周运动，通过丝杆将回转运动转变为直线运动电路驱动电机转动，电机带动丝杆，丝杆使得滑动盖上下移动，完成所述测量室的启闭。
9.根据权利要求6所述的一种大范围土壤碳通量监测系统，其特征在于，所述监测系统的软件系统包括轻量级线程技术模块、主动消息通信技术模块、事件驱动模式技术模块、 组件化编程技术模块；其应用子程序设置为包括无线通讯子程序、显示子程序、温湿度传感子程序、电机驱动子程序、位移检测子程序、电源电压检测子程序、CO2传感子程序。
10.应用权利要求1至9的任一项所述监测系统的一种大范围土壤碳通量监测方法，其特征在于，包括如下步骤s1.部署两个以上无线传感器节点，启用至少一个无线传感器网络；s2.把Sl中的无线传感器网络接入局域网，或互联网，或电信网，或广电网，或所述网络的融合网络；s3.把至少一个远程网络终端接入S2中的所述网络；s4.S3中的网络终端从所述Sl中的无线传感器节点接收信息，或者向所述Sl中的无线传感器节点发送指令。
11.根据权利要求10所述的一种大范围土壤碳通量监测方法，其特征在于，所述无线传感器网络包括至少一个人机登陆界面，所述远程网络终端通过所述人机登陆界面的鉴权认证后，在其获得的授权范围内访问所述无线传感器网络的数据。
12.根据权利要求10所述的一种大范围土壤碳通量监测方法，其特征在于，所述碳通量监测方法包括2种碳通量测量方式(1)单次测量即在仪器现场，按动启动按键，从显示屏人工读取测量结果，实现单次测量；(2)定时测量即通过服务器远程设定定时时间，定时测量碳通量值。
13.根据权利要求10所述的一种大范围土壤碳通量监测方法，其特征在于，所述碳通量监测方法包括4种碳通量测量方式(1)随机指定区域测量即通过服务器远程发送随机测量命令，无线传感器网络中的节点把所述命令发送给指定区域内的一个或者多个测量节点，采集指定区域内的碳通量；(2)随机全网测量即通过服务器远程发送随机测量命令，无线传感器网络中的节点把所述命令发送给网络中有效的全部测量节点，采集整个网络覆盖区域内的碳通量；(3)人机界面数据库指令指定区域测量即通过一个人机界面设定数据库参数，数据库根据设定的参数生成测量命令，所述无线传感器网络发来的环境信息满足所述参数时， 所述测量命令向所述服务器发出并执行，服务器远程发送所述测量命令，无线传感器网络中的节点把所述命令发送给指定区域内的一个或者多个测量节点，采集指定区域内的碳通量，所述参数包括温度、湿度、高度、位置、风速、时间、降雨量、植被密度、植被类型；(4)人机界面数据库指令全网测量即通过一个人机界面设定数据库参数，数据库根据设定的参数生成测量命令，所述无线传感器网络发来的环境信息满足所述参数时，所述测量命令向所述服务器发出并执行，服务器远程发送所述测量命令，无线传感器网络中的节点把所述命令发送给网络中有效的全部测量节点，采集整个网络覆盖区域内的碳通量， 所述参数包括温度、湿度、高度、位置、风速、时间、降雨量、植被密度、植被类型。
14.根据权利要求10所述的一种大范围土壤碳通量监测方法，其特征在于，每个测量节点一次完整的测量过程包括如下步骤s1.完全关闭测量室；s2.CQe传感器预热；所述传感器预热可在测量室关闭操作开始的同时启动，或者在设备检测到测量室关闭成功后启动；s3.测量(X)2浓度；s4.显示或发送(X)2浓度数据并把该数据与测量时间、地点数据，以及测量CO2浓度时获取的温度、湿度数据同时显示或发送；S5.打开测量室，使测量室内部获得与外部相同的温度、湿度、水文、大气环境。
全文摘要
本发明公开了一种大范围土壤碳通量监测系统及方法，其系统包括至少一个无线传感器节点，所述无线传感器节点包括硬件系统和软件系统；所述硬件系统包括电路器件、机械器件；其特征在于，所述电路器件包括至少一个无线传感器网络接入模块；所述无线传感器网络接入模块包括微控制单元、无线收发器；所述电路器件还包括至少一个CO2传感器测量模块；所述CO2传感器测量模块包括至少一个红外二氧化碳传感器；所述电路器件还包括至少一个主控制电路，所述主控制电路包括稳压电路、CO2传感器驱动电路、电机驱动电路。本发明的方法包括远程设备的网络接入步骤。本发明能实现大规模、快速、密集的节点部署，测量精度高，测量速度快，自动化、网络化、智能化程度高，在科研、商业、社会管理领域具有广阔的应用前景。
文档编号G01D21/02GK102506939SQ20111036398
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月15日 优先权日2011年11月15日
发明者吴晓平, 周国模, 周宇峰, 莫路锋 申请人:周国模