一种气象要素测量仪和数据传输系统的制作方法

1.本技术涉及一种自动测量森林的空气和土壤情况的气象要素及土壤测量仪和数据传输系统。


背景技术：

2.在林业调查中，树木生长环境的气象要素是必不可少的参数。采集树木生长环境的气象要素，对评估森林和林地的生产力、利用价值、生态状况等有重要意义，是林业调查、监测、经营、管理等一切工作的基础数据需求。目前国内外尚未发现森林气象要素的自动测量，且国内外都没有相关的数据传输和管理系统。关于气象要素的自动测量且智能传送，特别是具有信息自动传送功能的装置未见到报道，结合4g、5g，北斗、gps通信平台的数据传输也未见相关信息，相关市场基本空白。


技术实现要素：

3.本技术提出一种气象要素测量仪和数据传输系统。在户外环境下，上述设备安装在树木附近或森林中选定的地点，可以将气象要素数据和地理坐标等信息通过通信模块(wifi、4g、5g、北斗等)发送至数据中心。
4.为实现本技术之目的，采用以下技术方案予以实现：
5.第一方面，本技术提供一种气象要素测量仪，所述测量仪包括壳体、测量电路和测量机构，其中，所述测量电路包括处理器、信号处理模块、输入/输出模块、存储器、电源模块和传感器，所述测量电路设置在所述壳体内；所述测量机构包括空气检测部和土壤探头，所述空气检测部设置在所述壳体的外部并与空气接触，所述土壤探头插入土壤中；所述空气检测部包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器、风速表和二氧化碳浓度传感器；所述土壤探头包括土壤ph值传感器，水分传感器，氮、磷、钾元素传感器。
6.在一种可能的设计中，所述测量电路还包括时钟模块。
7.在一种可能的设计中，所述水分传感器的检测电路埋设在树木根部，所述检测电路用于检测土壤水分，当土壤水分含量低于第一预设水分含量时，所述检测电路输出一个高电平；当土壤水分含量高于第二预设水分含量时，所述检测电路输出一个低电平。当然，也可以是当土壤水分含量低于第一预设水分含量时，所述检测电路输出一个低电平；当土壤水分含量高于第二预设水分含量时，所述检测电路输出一个高电平。
8.在一种可能的设计中，所述壳体形成一体化结构，所述壳体与所述测量机构的连接区域设置有密封件。
9.在一种可能的设计中，所述电源模块按照预设时间周期控制测量仪启动，并在测量完成后控制测量仪进入深度休眠状态。
10.第二方面，本技术提供一种数据传输系统，所述系统包括如第一方面所述的测量仪、远程服务器和应用终端，所述测量仪还包括通信模块；其中，所述测量仪，用于获取气象要素的测量数据，并通过所述通信模块向所述远程服务器发送第一消息，所述第一消息包
括所述测量数据；所述远程服务器，用于对所述第一消息进行处理，生成处理后的数据，并向所述应用终端发送第二消息，所述第二消息包括所述处理后的数据；所述应用终端，用于呈现所述处理后的数据。
11.在一种可能的设计中，所述通信模块通过4g或5g网络与所述远程服务器通信。
12.在一种可能的设计中，所述通信模块通过北斗通信网络与所述远程服务器通信。
13.在一种可能的设计中，所述远程服务器还包括报警防盗模块，所述报警防盗模块根据测量仪的温度信息报警，当远程服务器接收的测量仪的温度信息大于温度预设阈值时，所述报警防盗模块发出报警信号。
14.在一种可能的设计中，所述远程服务器还包括报警防盗模块，所述报警防盗模块根据所述测量仪获取的红外线信息报警，当测量仪检测到预定波长的红外线时，所述报警防盗模块发出报警信号。
15.在一种可能的设计中，所述远程服务器还包括报警防盗模块，所述报警防盗模块根据测量仪的位移信息报警，当远程服务器接收的测量仪的位移信息大于或等于位移预设阈值时，所述报警防盗模块发出报警信号。
16.根据本技术提供的气象要素测量仪及数据传输系统，可以精确地获取空气环境和土壤营养等环境状态监测，测量设备结构轻便，安装简易，支持远程实时或定期查看气象要素和树木位置，使用寿命长，测量数据可视化展示，可实现异常状态告警，市场应用前景广阔。
附图说明
17.图1是本发明实施例的数据传输系统的一种结构示意图；
18.图2是本发明实施例的气象要素测量仪的一种结构示意图；
19.图3是本发明实施例的数据传输系统的一种通信流程图；
20.图4是本发明实施例的服务器的一种结构示意图。
具体实施方式
21.为进一步阐述本技术达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施方式、对本技术的具体结构及其功效进行详细说明。以下，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，并且不能理解为对技术特征的顺序限制。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。在本技术实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
22.本技术实施例提供了一种气象要素测量仪和数据传输系统，图1示出了该数据传输系统的一种结构示意图。如图1所示，该数据传输系统可以包括一个或多个测量终端10、服务器20、通信网络30和应用终端40。其中，测量终端10也可以称为气象要素测量仪、终端或终端设备，用于获取气象要素数据。测量终端10固定设置在树木上，通常一颗树木上固定设置一个终端。测量终端10也可以设置在森林中选定的地点，对本领域技术人员而言，这些选定的地点应当能够较好地反映森林气象要素和土壤情况。
23.服务器20，又称为远程服务器，服务器设置在数据中心，用于接收测量终端10发送
array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件，硬件部件或者其任意组合。作为一个例子，处理器141可以采用stm32f103 zet6芯片。
28.时钟模块142，用于在处理器无法提供时钟的情况下配合处理器工作，为系统提供准确时间，保证测量精度。作为一个例子，上述处理器为单片机系统，时钟模块配合单片机工作。可以理解，如果采用具有时钟模块的处理系统，则不需要单独设置时钟模块，即，时钟模块142可以根据实际需要选择配置。
29.信号处理模块143，用于处理传感器148发来的信号，对重复精度和位移精度进行整理处理，补偿后得出气象要素的数值。可选地，信号处理模块143可以集成到处理器141上。
30.通信模块144，可用于各种信号的接收和发送，例如接收远程控制指令或发送传送装置的状态信息。通信模块144包括但不限于至少一个天线、放大器、收发信机、耦合器、低噪声放大器(low noise amplifier，lna)、双工器、有线网络适配器等。通信模块144可以前述通信网络与其他设备通信，从而满足通信需求。在一个示例中，通信模块144可以包括四种类型的通信模块，分别为4g、5g、wi-fi及北斗通信模块，通信模块144可以同时包括上述四种通信模块，也可以包括其中一种、两种或三种通信模块的组合。在另一个示例中，可以通过tcp方式和北斗转发实现数据传送，可以在野外环境架设wi-fi热点，数据可以先通过无线局域网tcp传送到北斗数据终端，北斗数据终端再将数据通过北斗发送到数据中心。在其它一些示例中，数据可由通过电信运营商的4g网络传输，还可以通过北斗短报文传输。通信模块144与处理器141的连接方式，可以是通过mini-pci接口连接，本技术对此不作限制。
31.输入/输出模块(i/o模块)145，用于测量终端10的数据输入和输出控制。i/0模块145可以通过有线或无线的方式与测量终端10的其它部件通信。在一个示例中，i/o模块通过usb接口进行数据的输入和输出。在另一个示例中，通过wi-fi模块进行数据的输入和输出，由此便于生产应用。
32.存储器146，用于存储终端10采集的数据。例如，存储器146可以存储6-12个月内采集的数据。存储器146还可以用于存储一个或多个计算机程序，该一个或多个计算机程序包括指令。处理器141可以通过运行存储在存储器146的上述指令，从而执行本技术实施例中的方法步骤，以及各种功能应用和数据处理等。存储器146可以是高速随机存取存储器，还可以是非易失性存储器，例如一个或多个磁盘存储器件、电子可擦除可编程只读存储器(electrically erasable programmable read-only memory，eeprom)、闪存器件，例如反或闪存(nor flash memory)或是反及闪存(nand flash memory)、半导体器件，例如固态硬盘(solid state disk，ssd)等。
33.电源模块147用于向终端10的各个部件供电。电源模块147可以包括供电电路和电池。在一个示例中，电源模块147还包括电源管理模块，电源管理模块用于监测电池电量，获取电池健康状态(漏电，阻抗)等参数。在其他一些示例中，电源管理模块的功能也可以由处理器141替代。电池可以为锂离子电池。通过控制终端各个部件的用电量，可以实现整机系统5年免维护。
34.传感器148包括位置传感器，位置传感器可以包括全球定位系统(global positioning system，gps)、北斗系统(compass)、格洛纳斯系统(glonass)和伽利略系统(galileo)，用于获取测量终端10的地理位置坐标。位置传感器还可以通过移动网络的基站
或wi-fi热点等进行定位，或者综合使用上述定位方式，从而获得更精确的测量终端位置信息。
35.控制程序149存储在存储器146内，处理器141通过运行或执行所述控制程序，以及调用存储在存储器146内的数据，通过低功耗单片机或低功耗的小型处理系统，控制整个系统完成系统定位、参数采集、存储和发送。
36.以下结合附图详细阐述本技术实施例提供的测量终端及其测量方法。如图1所示，测量终端10的壳体12环绕固定在树干上。在一个示例中，测量终端10的壳体12可以通过套绳固定在树干上，通过套绳固定的方式，可以实现测量终端方便、稳定的固定。在另一些示例中，测量终端10的壳体12也可以固定在人工搭建的支架上。由于地面具有较大湿度和容易被动植物破坏，测量终端10的壳体12可以距离地面一定高度设置，从而防止测量终端的壳体及其内部元件被腐蚀或破坏。
37.测量终端10的测量机构16包括空气检测部161和土壤探头162。其中，空气检测部161可以包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器、风速表和二氧化碳(co2)浓度传感器，用于检测空气中的温度、湿度、大气压、风速和co2浓度。测量co2浓度可以采用红外线(infrared，ir)测量方法，例如，通过测量4.4微米波长(μm)的ir测量co2浓度。具体在测量时，光线先经过4.4μm滤光片，使得只有4.4μm附近的红外光会通过，然后用红外传感器来接收过滤后的红外光。空气检测部161可以设置在壳体12的外部并与空气接触，也可以与土壤探头162集成设置到一根杆状元件上。当空气检测部161与土壤探头162集成设置到一根杆状元件上时，空气检测部161设置在杆状元件的上部，该上部与空气接触；土壤探头162设置在杆状元件的下部，该下部插入到树木周围的土壤中。
38.土壤探头162，也称土壤传感器，土壤探头可以集成土壤ph值传感器，水分传感器，氮、磷、钾等营养元素传感器，用于检测土壤的ph值，水分，氮、磷、钾等营养元素的含量。以水分传感器为例，将水分传感器的检测电路埋设在树木根部，以检测树木根部土壤的水分，该传感器经检测电路将“温湿度过高”和“温湿度过低”信号经编码器传至主控制器，由主控制器决定控制状态。传感器可用于检测土壤的水分，当土壤的水分含量低于第一预设水分含量时，模块输出一个高电平；反之，当土壤的水分含量高于第二预设水分含量，模块输出低电平。上述第一预设水分含量可以是判断土壤是否缺水的临界值，第二预设水分含量可以是判断土壤水分是否过量的临界值。在另一个示例中，当土壤的水分含量低于第一预设水分含量时，模块输出一个低电平；反之，当土壤的水分含量高于第二预设水分含量，模块输出高电平。通过上述高、低电平输出设置，可以减小系统运行的功耗，快速输出检测结果。土壤探头的芯片可以采用lm393芯片。为防止或减缓土壤对土壤探头的腐蚀，土壤探头表面可以设置防腐材料涂层。防腐材料涂层包括石油沥青、环氧煤沥青、聚乙烯胶带、硬质聚氨酯泡沫塑料、聚乙烯塑料、粉末环氧树脂等，并在涂层外设置玻璃布加固层。阻燃黑色灌注料是由环氧树脂、阻燃剂、填充料、颜料及稀释剂等按严格的配比、特殊的工艺，经干燥、搅拌、混练而成，是一种以高分子(环氧树脂)结构为主体的混合物。与胺类固化剂或酸酐类固化剂、稀释剂配合使用，灌封到土壤探头内部芯组上下及周围，起固定、防潮、绝缘、阻燃等作用。土壤探头162可以为单独部件，插入到树木周围的土壤中；也可以与空气检测部集成设置在一根杆状元件上，土壤探头162设置在该杆状元件的下部，所述下部插入到树木周围的土壤中。
39.可选地，上述传感器148也可以与上述测量机构16集成设置，例如，传感器148可以设置在杆状元件上，或者与空气检测部161集成设置，或者与土壤探头162集成设置，本技术对此不作限制。
40.气象要素测量仪10获取气象要素数据，可以按照预设频率启动测量，并在非测量时段进入深度休眠状态。系统可以通过时钟芯片(real_time clock，rtc)定时唤醒启动，测量完成后控制测量仪重新进入深度休眠状态，由此可以减少部件的电量消耗，延长终端的使用时间。在一个示例中，预设频率可以为一周，即，气象要素测量仪每周获取一次气象要素数据。在另一个示例中，预设频率可以为一个月，即，气象要素测量仪10每月获取一次气象要素数据。时钟模块142用于提供准确时间，当测量时间到达时，处理器141将相关部件从休眠状态唤醒，并控制相关部件获取气象要素数据。在获得到测量数据后，处理器141将数据存储到存储器146中，然后控制相关部件进入休眠状态，从而完成单次测量作业。可以理解，上述预设频率可以根据实际需要确定，例如还可以是一天、半个月或半年等，本技术对此不作限制。上述预设频率可以在测量仪使用前事先设定好，也可以在测量仪投入使用后根据需要现场或者远程进行设定。
41.以下结合附图详细阐述本技术实施例提供的数据传输系统。如图1、3所示，该数据传输系统包括测量终端10、服务器20和应用终端40。其中，测量终端10为前文所述的气象要素测量仪，服务器20位于远程的数据中心。应用终端40可以包括智能手机、平板电脑、个人电脑(personal computer，pc)、台式计算机、膝上型计算机(laptop，也称笔记本电脑)、个人数字助理和/或便携式电子设备。
42.在步骤s101中，测量终端10用于根据前文所述的方式，获取气象要素的测量数据。测量数据可以包括空气温度、湿度、大气压、风速和co2浓度，土壤的ph值、水分含量，以及氮、磷、钾等营养元素含量数据。
43.在步骤s102中，测量终端10通过通信网络30向服务器20发送第一消息，第一消息包括所述测量数据。
44.测量终端10向服务器发送测量数据，可以按照预设频率进行，从而减少部件的电量消耗，延长终端的使用时间。在一个示例中，预设频率可以与测量终端10的测量部件的工作频率保持一致，例如，测量终端10的预设频率为一周，则测量终端10按照每周一次向服务器发送测量数据，由此可以保持与测量的同步。在另一个示例中，预设频率可以根据通信模块的实际使用需求设置，无需与测量部件的工作频率保持一致。由于通信模块通常耗电更多，因此可以适当缩减通信模块的工作时间，从而减少电量消耗。当通信模块被唤醒时，可以将之前存储在存储器146中的测量数据发送到服务器20。
45.在步骤s103中，在接收到第一消息之后，服务器20对第一消息进行处理，根据第一消息生成处理后的数据。服务器可以在本地或远程存储器(例如云存储器)上存储原始的和处理后的数据。所述处理后的数据，可以包括测量数据、针对测量数据进行后续计算的结果、测量数据报表等各类表格，基于测量数据绘制的各类图形图像，本技术对此不作限制。可选地，第一消息还可以包括测量终端10的id信息、所在位置的地理位置信息，例如经度和纬度信息，该地理位置信息可以由北斗系统提供，其定位精度可以根据北斗系统的定位精度确定。
46.在步骤s104中，服务器20向应用终端40发送第二消息，所述第二消息包括处理后
的数据。
47.在步骤s105中，在接收到该第二消息之后，应用终端40呈现处理后的数据。上述呈现可以包括：在服务器20的监视屏幕、计算机的显示屏或者在例如智能手机或平板电脑上显示处理后的数据。可以理解，还可以采用本领域的其它呈现方式，本技术对此不作限制。
48.可选地，在步骤s106中，服务器20通过通信网络30向测量终端10发送第三消息，该第三消息包括控制指令。在步骤s107中，测量终端10可以根据该控制指令更新系统，例如更新系统设置或升级固件，基于更新的系统开展后续的测量作业。
49.可选地，在一些实施例中，服务器20还可以包括报警防盗模块，报警防盗模块可以设置在服务器20上。报警防盗模块可以包括软件、硬件、或者软件与硬件的结合模块。在步骤s108中，报警防盗模块可以用于根据测量终端发送的信息发出报警信号(或称“报警”)，提示或警告操作人员关注有关地区或测量终端。上述信息包括在前述第一消息中。
50.在一个示例中，报警防盗模块根据温度信息报警。温度预设阈值可以是70℃或142℃，当服务器20接收的温度值超过上述温度预设阈值时，服务器判断该测量终端所在的区域存在火灾隐患，控制报警防盗模块报警。上述温度预设阈值也可以根据实际情况确定，本技术对此不作限制。服务器控制报警防盗模块报警时，由于服务器接收的数据还包括测量终端的id信息和/或位置信息，因此可以针对上述id和/或位置信息的测量终端报警。报警可以通过声音或图像提示灯方式进行。可选地，报警防盗模块可以根据不同的温度，提供不同的报警形态。例如，当温度值达到或超过70℃时，由于服务器接收的数据还包括终端的位置信息，因此可以在数据中心监控屏幕上针对该位置闪亮红点，由此告知工作人员该位置的空气温度存在隐患。当温度值达到或超过142℃时，在上述红点闪亮的基础上，还可以提供语音提示，进行二次报警。
51.在另一示例中，防火传感器具有滤光片，可检测林木燃烧时产生的特定波长的红外线，当检测到林木燃烧时，向服务器20报警，然后服务器端人员可以通过自动或手动进行相应的处理。通过对co2浓度报警，可以发现森林火灾或潜在的火灾隐患。报警方式可以参照前文所述的方式，此处不再赘述。
52.在另一个示例中，报警防盗模块可以根据终端的位移报警。该位移预设阈值可以为0.5米。测量终端的位移可以根据前后两次采集的位置信息获得。当位移超过上述位移预设阈值时，服务器控制报警防盗模块报警。可以理解，上述位移预设阈值也可以为1米、0.75米或1.5米，可以根据实际情况确定，本技术对此不作限制。由于在通常情况下测量终端固定到树木保持位置不变，通过对测量终端的位移进行报警，可以及时发现测量终端或树木出现移动的情况，可以防止测量终端或树木被盗等违法活动。报警方式可以参照前文所述的方式，此处不再赘述。
53.服务器包括处理器210、存储器220、通信模块230、展示模块240和前述报警防盗模块250。系统平台采用浏览器/服务器(browser/server，bs)架构。处理模块210、存储模块220和通信模块230可以分别与前述处理器141、存储器146、和通信模块144相同，也可以采用本领域已知的其它类型的处理器、存储器和通信模块，此处不再赘述。展示模块240可以包括一个或多个显示屏幕，所述显示屏幕与服务器连接，用于呈现相关数据和信息。通过上述模块，该系统可以实现以下功能：
54.(1)实时监测
55.实施展现处理后的数据，通过列表、地图等方式，展示模块240实时展现树木的监测数据，包括位置、温度、湿度、气压等；
56.(2)历史监测
57.借助存储的历史处理后的数据，通过列表、地图、曲线图等方式，展示模块240展示单棵树木的变化情况。
58.(3)报警监测
59.根据处理后的数据，通过声音、列表等方式实时监测树木的生长环境，如出现异常情况，系统会实时推送到监控客户端或配置的手机等，报警防盗模块进行报警。
60.(4)档案管理
61.存储处理后的数据，协助林业等部门对相关基础数据的管理。
62.(5)统计报表
63.基于处理后的数据生成统计报表，快速了解最新状态：通过时间段、树木编号、分组等方式查询林木的生长环境状态。气象要素变化：提供按照时间、树木编号等方式查询变化情况，并通过列表、曲线的方式展示，可以按天、月、年分析直接变化情况。
64.根据本技术提供的气象要素测量仪及数据传输系统，可以精确地获取空气环境和土壤营养等环境状态监测，测量设备结构轻便，安装简易，支持远程实时或定期查看气象要素和树木位置，使用寿命长，传感数据可视化展示，可实现异常状态告警，市场应用前景广阔。
65.本技术的上述实施例仅用以说明本技术的原理和结构，并不用于限制本技术，凡在本技术精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均包含于本技术的保护范围之内。