草原监测（共7篇）
草原监测 篇1
为进一步做好草原虫害监测工作, 掌握灾害发生动态, 确保适时开展防治, 特提出以下技术要点。
一、监测重点
2014年5月要重点关注毛足棒角蝗等早期蝗虫、叶甲和春尺蠖发生动态, 6月要重点关注亚洲小车蝗、西伯利亚蝗、意大利蝗、西藏飞蝗、草原毛虫和草地螟发生动态, 7月要密切关注境外亚洲飞蝗发生动态。当前, 各级草原技术推广部门要组织做好虫卵调查和孵化进度监测工作, 及时发布预警信息。
二、技术要点
㈠草原蝗虫当前, 草原蝗虫监测重点是卵期调查和发生期调查。
1.卵期调查。蝗虫越冬卵死亡率和发育进度调查应在当地春季土壤解冻时开始, 每间隔5d挖一次卵, 共查3次, 每次至少挖取5个卵块, 检查时需将卵块剖成卵粒。通过掌握虫卵越冬情况和发育进度, 预测当年灾害发生情况。为准确预测当年的发生面积和程度, 应在蝗卵孵化前调查1次, 并记录虫卵密度。上年若为一般发生年份, 只需在上年残蝗分布区域内调查。若为严重发生年份或成虫有远距离迁飞习性, 应扩大调查面积。
2.发生期调查。自蝗蝻出土始期3 d后, 每3 d调查一次直至3龄结束。在蝗蝻出土盛期和2~3龄期各进行1次调查, 调查蝗蝻发生面积及密度, 记录蝗蝻发生情况, 通过蝗蝻发育进度, 预测当年灾害发生面积、程度和时间, 以便提前准备防治工作。
㈡其他害虫叶甲、春尺蠖、草原毛虫、草地螟等害虫要做好越冬幼虫发育进度调查。早春土壤解冻后, 在既发地或越冬地进行定点调查, 直至成虫羽化, 记录幼虫密度, 并观察发育进度, 预测当年的发生面积、程度和时间。对于草地螟等具有迁飞习性的害虫要利用诱虫灯进行成虫调查, 在此基础上结合气象数据, 严密监视种群的迁移路线和扩散地, 调查其分布面积及虫口密度, 预测下一代或翌年灾害发生情况。
三、注意事项
㈠及时发布灾害信息。积极组织人员开展监测, 密切注意害虫发生动态, 准确掌握发生趋势, 及时准确发布中、短期虫害预报, 为防治决策提供依据。
㈡严格执行技术规范。严格执行相关的国家 (行业) 技术标准, 强化责任, 加强管理, 规范调查工作。
㈢适时开展防治工作。及时汇总、分析监测数据, 根据发生特点和趋势制定预案, 储备物资, 发动群众。一旦虫口密度达到防治指标, 迅速开展防治工作, 避免贻误战机。
㈣确保灾害信息畅通。防治关键时期, 各级草原虫害防治机构实行24小时值班周报和零报告制度, 如遇重大虫情随时上报, 值班期间禁止脱岗、漏岗, 杜绝瞒报、错报。
草原监测 篇2
扎鲁特旗2010年在上级业务主管部门大力支持和指导下，严格按照《全国草原监测技术操作手册》及自治区秋季草原监测工作总体要求，认真开展秋季监测工作，合理设置样地、详细监测、准确收集地面数据、圆满完成各项工作任务，为各级决策部门提供了可靠的科学依据。
1、牧草的生长情况
扎鲁特旗数半干旱草地类型，植被共分为5类，17组、37型，5类分别是山地草甸草原类、山地草甸类、低山丘陵干草原、沙丘沙地干草原、河泛地低湿地草甸类。从5月中下旬开始，组织业务精通的技术人员进行牧草返青期监测调查。由于今年普遍气温比较低，春季草原较干旱，大地回温也比常年晚15到20天，4月份以来，全旗境内出现连续几次降雨，全旗牧草返青比常年也晚10到15天，进入5月中旬后，气温回升较快，雨水偏多，遏制了全旗的旱情，牧草长势有所好转，牧草返青初期为５月１０日左右，牧草返青普遍期在５月３０日－６月２日。
一般山地草甸草原地带返青牧草以贝加尔针茅、羊草、铁杆蒿为主，盖度在１0—１5％、牧草高度在３-１０厘米、牧草产量2０—２５克/平方米；低山丘陵干草原地带返青牧 草多是大针茅、胡枝子、羊草、隐子草及杂类草为主，盖度在２５－３０％、牧草高度在４-８厘米、牧草产量３０—４０克/平方米。
沙丘、沙地干草原多是草麻黄、藜、猪毛蒿、杂类草，盖度在２０—４０％、牧草高度在3-32厘米、牧草产量４０—100克/平方米。今年4-6月雨水较足，牧草长势较好，但进入7、8月牧草长势高峰期，我旗境内没有有效降雨，7月降雨量最高的道老杜苏木仅为14.9毫米，牧草长势缓慢，7月末开始牧草呈现出黄绿色，一片干旱景象。
秋季监测山地草甸草原类盖度75-80％、高度35-36厘米、产草量146克/平方米；山地草甸类盖度95％、高度38厘米、产草量211克/平方米；低山丘陵干草原盖度60-90％、高度20-38厘米、产草量102克/平方米；沙丘、沙地干草原盖度65-85％、高度32-50厘米、产草量132克/平方米。
二、认真落实上级工作任务
（1）、2010年为及时准确获取草原资源与生态环境的动态信息，掌握草原保护建设工程效益状况，6月末派出一名业务骨干参加在呼伦贝尔市鄂温克旗举办的全区草情监测培训班，认真学习领会各项监测技术和措施，不断提高监测能力，并根据自治区《关于做好2010年秋季草原监测工作的通知》的具体要求，根据草原类型和路线实际情况，8月13日开始，利用三天时间，选业务熟练的监测人员，南 部北部分两个组，沿国道304线及民开线(格日朝鲁—开鲁)，在4个苏木镇设置的10个样地及5组退牧还草工程项目，开展了秋季草原监测野外调查工作。其中沿国道304线 设置8个样地，在北部阿日昆都冷镇样地2个，格日朝鲁苏木样地1个、工程效益1组（温性草甸草原类、山地草甸类），南部在道老杜苏木样地5个、工程效益3组（温性草原类、水泛类、低地草甸类），并沿民开线在乌力吉木仁苏木设置样地2个、工程效益1组（温性草原类）。监测人员对样地草地类型、地貌、土壤质地、地表特征、利用方式、状况和对入户补饲情况及草食牲畜数量及样方内植物盖度、高度、种数、产草量认真做了登记及测定。往年温性草原具西伯利亚杏+大针茅型(灌木)工程效益监测样地是设在鲁北镇荷叶哈达嘎查2004年建退牧还草项目区内，2010年已到5年管护期，今年项目区维护不好,所以将监测点改设在道老杜苏木查干套里皋嘎查境内。8月23日按要求将汇总的数据信息上传到全国草原监测信息报送管理系统。
（2）、认真按照草原类型和主要牧草信息系统照片拍摄和收集要求,对大油芒、糙叶黄芪等20种牧草和温性草甸草原类、温性草原沙地草原亚类、低地草甸类3种类型的草原拍摄，并对所拍照植物进行分类，做到植物照充分反映出植物不同物候期颜色、花（果）、营养植和生殖植等生物学特征，草原类型照充分反映植物在景观中的镶嵌分布和分层现 象，并按要求在规定的时间内上传到草原类型和主要牧草信息系统。
3、存在问题及建议
（1）、扎鲁特旗草原面积较大，监测路途远，任务较重，保质保量完成监测任务需要一定的资金保障，监测费用缺乏是如今面临的一难题，望上级部门在资金保障方面适当给予支持。
草原监测 篇3
农业部日前发布了《2014年全国草原监测报告》,通过禁牧封育和草畜平衡管理,我国草原生态环境持续改善,生态系统宏观结构整体稳定,草原固有的涵养水源、保持土壤、防风固沙和维护生物多样性等生态功能得到恢复和增强。
农业部畜牧业司草原处处长李维薇表示,全国草原综合植被覆盖度去年达到53.6%,比2010年提高了2.6个百分点;鲜草产量10.2亿吨 , 比2010年增加了4.7%,持续保持在较高水平。我国草原生态持续恶化势头得到控制,局部地区的生态环境正在加快好转。
监测数据显示,全国重点天然草原牲畜超载率从2010年的30%下降到2014年的15.2%,其中268个牧区半牧区旗县牲畜超载率从44%下降到19.4%。在草原保护建设工程和草原补奖政策的推动下,牧区各地加快推进草原承包工作。目前,全国累计落实草原承包2.83亿公顷。其中, 承包到户2.23亿公顷,承包到联户0.54亿公顷。牧区各地以实施草原补奖政策为契机,通过加大棚圈和人工饲草地建设力度、改良牲畜品种、优化畜群结构、推广舍饲半舍饲圈养等措施,有效减轻了天然草原的放牧压力。(摘自中国草原网)
草原返青期的遥感监测探讨 篇4
1 监测材料和监测方法
首先, 通过MODIS、NDVI对草原产草量、长势等状况信息进行反映, 并确定样本数据, 以回归分析的方法对草原的生产力和盖度情况进行分析, 进而实现草原动态监测。其次, 依据近年来的草原监测结果, 对草地和非草地进行严格划分, 确保研究对象全部属于草地范围。样本数据主要包括草原的成分、草的长势 (高度和盖度) 、牲畜数量及管理方式等多个内容。最后, 有关人员可以将样本信息数据输入计算机中, 传入遥感监测设备中, 加强遥感技术的应用[1]。
此外, 还需要确定数据源, 包括遥感数据源和地面数据源。MODIS是遥感监测技术有效应用的重要探测仪器, 具有图谱合一的功能优势, 能够以图像形式反映草原监测情况, 为研究人员提供更为直观的参考信息。首先, 在监测过程中, 地面分辨率应对250 m的第1、2通道, 通过NDVI对草的长势情况进行提取和数据分析。其次, 研究人员应对近5 a的地面数据源进行分析, 依据事先建立的固定样条资料而开展监测。一方面, 将地面数据进行调查单元的划分, 主要依据草原的分布规律和呈现的影响特征等方面进行划分。另一方面, 对草原监测区域内草的生长环境、种类、结构组成、产草量、放牧情况、环境破坏等状况进行记录。
2 监测结果和分析
通过对草原地区的遥感监测, 其结果如下。
近年来, 通过NDVI的分析, 值域较大的草原监测地带, 其状况良好。例如:2015年6月末-6月初, 某草原出现萌动, 通过遥感技术, 可表明草原进入返青期。到5月中下旬, 返青现象十分明显。草的种类主要以羊草为主, 且针茅属、隐子草和冷蒿等牧草也相对较高, 达到近5 a内返青率最高。
通过对历年来, 该草原的长势、生长状况进行对比分析, 将草原进行较好、平稳、较差3个等级划分。2015年, 产草量比2014年增加35%, 比2013年增加40.98%, 比2012年增加49.76%;比2011年增加65.83%。
通过对该草原产草量、放牧承载力、草的盖度等相关数据分析, 2015年草原产草量有明显上升, 放牧承载力增加, 且草的盖度指标更高。对近5 a的草原产草量、放牧承载力和盖度等指标的结果分析可知, 随着遥感技术在草原返青期中的监测应用, 不仅为研究人员提供了数据信息的参考, 而且为相关部门管理人员提供了决策依据, 使有关部门能够根据草原返青期动态而采取措施, 加强草原保护和限制放牧情况, 确保草原产草量和草畜平衡, 对草原实现可持续发展发挥着重要作用[2]。
遥感技术在草原返青期监测中的应用, 使牧草长势与气温、降水等自然环境条件间的关系更加明确。我国草原大多分布在北方地区, 受冬季降雪和初春降雨等环境条件的影响, 使草原土壤能够获得充足的水分, 为牧草生长提供必要的基本条件。近年来, 草原监测区域的降水量逐渐提升, 且持续周期相对较长, 促使草原牧草长势良好。另外, 随着生态环境破坏现象严重, 条件逐渐恶化, 但监测区域内的草原, 较少受大风、沙尘暴等恶劣天气的影响, 对牧草更好生长提供有利条件。
3 讨论
基于遥感技术的草原返青期监测, 能够对牧草长势等状况进行实时数据监测, 为草原休牧管理和修复提供了必要的技术手段。长期以来, 国家重视草原返青期的监测, 但在传统监测方法下, 不仅经济成本相对较高, 而且需要消耗大量的人力、物力, 且实时监测效果较差。因而, 基于遥感技术的草原返青期监测, 具有无可比拟的优越性。另外, 近年来, 草原牧草长势较好, 且牧草种类增加。这与草原管理水平提高和休牧制度逐渐完善有着密切联系。因此, 我国有关部门有必要对草原返青期进行遥感技术的监测, 以更好地管理草原, 加强草原生态建设和维护草畜平衡[3]。
首先, 草原所在区域政府等部门应加强重视, 制定或完善草原禁牧制度、休牧制度和草畜平衡制度, 并提出相关措施, 促进制度的落实, 为草原生态建设提供必要的条件。为此, 政府等相关部门应积极调动牧民的积极性, 提高牧民的草原生态建设思想觉悟, 使牧民积极响应政府的号召, 尤其在草原返青期, 牧民必须自觉遵守相关禁牧制度, 避免对草原过度破坏。其次, 有关部门对草原生态建设加大技术投入力度和提高管理水平。所以, 相关部门有必要总结以往经验教训, 合理制定休牧期, 确保草原返青期中无放牧现象, 避免对草原进行不必要的践踏, 对草原返青产生不良影响。最后, 有关部门通过遥感监测技术, 不仅要对同年的草原返青期进行监测, 而且要依据近年来草原返青期数据信息, 对第2年草原返青期进行有效预测, 以更好地制定草原休牧计划[4]。
4 结论
近年来, 我国生态环境日益破坏, 对草原可持续发展有着不良影响。随着科学技术水平的不断提升, 遥感技术得以发展和广泛应用, 对经济发展和社会进步发挥着重要作用。因而, 遥感技术在草原返青期监测中的应用具有必要性。对草原返青期进行有效监测, 有利于相关部门人员要及时采取草原保护措施, 加强草原生态建设和维护草畜平衡。因此, 对草原返青期遥感监测技术的探讨具有积极意义。
摘要：随着国家经济的快速发展和科学技术水平的不断提升, 进一步推动了我国信息化发展进程。为更好地掌握草原的动态变化信息, 将遥感监测技术广泛应用于草原返青期监控中, 具有积极作用。近年来, 遥感监测技术在草原返青期动态监测中的应用, 使有关部门人员更好地了解草原动态信息。主要对监测材料和方法进行阐述, 并对监测结果进行深入讨论, 对草原保护和维护草畜平衡发挥着积极的作用。
关键词：草原,返青期,遥感监测技术
参考文献
[1]崔凯, 蒙继华, 左廷英.遥感作物物候监测方法研究[J].安徽农业科学, 2012 (10) :6279-6281, 6321.
[2]于海达, 杨秀春, 金云翔, 等.草原植被长势遥感监测研究进展[J].地理科学进展, 2012 (7) :885-894.
[3]崔凯.基于遥感技术的作物物候监测方法及动态变化分析研究[D].长沙:中南大学, 2012.
温性草原生产力监测与评价 篇5
关键词：温性草原,生产力,监测,评价,民和
草原生产力监测是草原建设和保护的基础性工作, 对制定草原建设和保护政策、编制草业发展规划、指导草原畜牧业生产、加强草原监督管理、促进草业可持续发展具有重要作用。民和县草原站在民和县境内选择具有代表性的重点类型草原区域作为样地, 就牧草产量及植被分布、面积等连续3 a进行定点监测, 为更好地建设和保护草原提供一定依据。
1 材料与方法
1.1 试验时间与地点
试验于2010-2012年在民和县境内进行。
1.2 草地类型
根据植被-地形学分类原则, 将民和县天然草场分为温性草原类草地、温性荒漠草原类草地、山地草甸类草地和田间地埂附属类草地四大类, 其中温性草原面积占草原总面积的70%以上。
1.3 检测方法
选取具有代表性的温性草原样地3个 (见表1) , 每个样方1 m2, 设3个重复, 自然放牧情况下每年同一时间测定草原生产力。
2 结果与分析
每年7月24日测定样地内的牧草生产情况 (见表2) 和植被生长情况 (见表3) , 分析对比其中的变化。
kg/hm2
从表2可以看出, 监测样地的牧草总产量逐年增长, 由2010年的1 343 kg/hm2增加到2011年的1 494 kg/hm2和2012年的2 846 kg/hm2, 增长率分别为11.24%、111.91%;可食鲜草产量由2010年的1 267 kg/hm2增加到2011年的1 476 kg/hm2和2012年的2 598 kg/hm2, 增长率分别为16.50%和105.05%。
从表3可以看出, 监测样地的植被盖度、高度以及植物种数均呈逐年增加的趋势, 毒草比例也均下降, 说明全县草原植被和生态环境有了明显的改善。
3 讨论
3.1 草原生产力变化的原因分析
通过3 a的监测发现, 样地的植被盖度、高度和植物种数均呈现逐年增长的趋势, 毒草种数逐年减少, 鲜草总产草量和可食草产量也有较大幅度的提高, 特别是2012年比2010年翻倍增长, 分析原因主要有以下几方面。
1) 雨水充沛保证了植物的生长。2012年, 民和县降雨量达到700 mm以上, 是往年的2倍, 且雨水分布均匀, 故牧草生长良好。
2) 2011年, 民和县实行草原承包到联户或户, 实施草畜平衡机制, 核减超载牲畜;同时农民合理利用和保护草原的意识进一步增强, 超载过牧现象减少。
3) 2012年, 民和县进一步加大草原监理力度, 全年共查处占用草原采砂、取土、采矿的单位和个人53家 (名) , 打击了非法占用和破坏草原行为。
4) 2012年, 根据青海省草原监理站关于开展草原普法宣传月活动的通知和民和县委宣传部科技、文化、卫生三下乡活动的安排, 在全县八大集镇进行了草原普法宣传, 发放宣传资料2.5万册, 公路沿线漆写宣传标语20条, 有力地宣传了草原法律法规, 提高了全社会依法保护草原的意识。
5) 2012年, 草原生态保护补奖机制工作新增优质紫花苜蓿2 000 hm2, 二茬复种饲草项目完成燕麦种植1 333 hm2、双垄覆膜玉米种植2万hm2, 很大程度上丰富了饲草料资源, 加快了舍饲圈养进程。
3.2 草原生产力综合评价
草原监测 篇6
1样地选择
在全县东、西、南、北、中5个方位10个乡、镇,每个乡、镇设立1块样地,共设立10块样地。其中包括北部中三家的国家沟村、卧虎沟乡的四家子村,南部白塔子镇的杨树沟村、山嘴子镇的道虎沟村,东部羊角沟乡的老窝铺村、十二德堡乡的白庙子村,西部大营子乡的大营子村、坤都营子乡的张家窑村及中部大城子镇的双庙村、草场乡的郭彩店村。
2地形地貌
除十二德堡乡的白庙子村样地为丘陵外,其余9块样地均为山地。中三家镇的国家沟样地土壤质地为砂土,其余地块土壤质地为砾石质土。
3草原类型及主要草原植物
草原类型主要为温性草原、暖性草丛、暖性灌草丛,植被属于华北植物区系向内蒙古植物区系的过渡地带,地带性植被为羊草草甸草原,植物以旱中生或中旱生多年生根茎禾草和丛生禾草占优势,并混生或连续混生大量的中生和混生类杂草。野生植物2 000多种,饲用植物1 000多种,优良饲用植物70科219属311种,其中,菊科50种,占16.1%;豆科31种,占10%;禾本科26种,占8.3%;蔷薇科25种,占8.1%;此外,还有百合科、唇形科、毛莨科等。主要植物有羊草、胡枝子、荆条、冷蒿、针茅、节骨草、小叶锦鸡、仓耳、隐子草、猫尾草、黄背草和鸡眼草等。
4产草量
每块样地选3个样方,每个样方大小为1 m2,每个样方重复3次测量产量。见表1。
5草群高度和植物盖度
2005～2009年各样地草的草群高度和植物盖度见表2。
6结果分析
从以上结果看,产草量最高的年份是2006年,其次是2005年、2008年、2007年,最差的年份是2009年,也有个别地块2005年好于2006年,同一样方重复的次数不同,产草量也有很大的差别。草群高度最高的是2006年,平均高度达到了132 mm,尽管2006年植物盖度相对2005年和2007年要低一些,由于草群高度相对较高,总的产草量要高于这两个年份。2005年植物盖度超过最好的2006年,草群高度在5个年份中仅次于2006年。2007年和2009年产草量和草群高度都明显低于其他年份,尽管2007年植物盖度较高,由于草群高度较低,影响了产草量。
在影响产草量的两大因素中,植物盖度除2009年外,其他年份变化不大,所以草群高度是影响产草量的重要因素。草群高度和植物盖度与当年的气候、水热条件有很大关系,由于辽西地区十年九旱,各年份之间降雨量有很大的差别,最好的年份降雨量可达到500 mmm左右,而最差的年份降雨量只有300 mm左右,并且大多集中在7、8月份。2006年、2005年雨量充沛、水热条件好于往年,草群高度和植物盖度较高,产草量明显高于其他年份。2009年遇到了历史上罕见的旱灾,从6月下旬开始连续20多天滴雨未下,平均气温比往年同期高2～6℃,超过30℃以上天气24 d,最高气温达到38℃,大部分牧草枯死,使得植物盖度大幅度下降,草群平均高度没有达到两位数,产草量明显低于其他年份。
草原监测 篇7
内蒙古草原草肥水美,是国家重要的畜牧业生产基地。由于得天独厚的自然资源,养牛业在内蒙古畜牧业中占有重要的地位,不仅增加了当地农牧民的经济收入,而且每年还向全国各地输送了大量的优质牛肉。然而,内蒙古草原畜牧业生产过程中存在着各种问题,诸如科学管理水平化低,生产效率不高等。在内蒙古草原养牛畜牧业生产过程中,牛群被放入水草充足的牧场以后在没有特殊情况下要长时间在草场上进食,牧民想要远距离统计当前牧场上牛群的数量,目前还没有一个有效的、科学化的方法。这样就会造成牛群中有牛丢失不能及时被牧民发觉,给牧民造成经济损失。由于动物运动的随机性,正确监测到每头牛是否脱离牛群的结果尤为困难。另外,草原放养牛群由于吃的是天然牧草,饮用的是自然清泉,又在不停地走动,所以相对于圈养牛肉,散养牛肉更加健康,并且肉质鲜美,富有营养,受到广大肉类消费者青睐;但是,市场上牛肉类有很多,不法商贩以次充好蒙骗消费者,消费者在面临选择时没有一个有效的办法辨别散养牛肉还是圈养牛肉。 针对这种情况,本文利用Zig Bee技术、GPS卫星定位追踪技术和远程无线通信技术设计一种系统,其能够在没有人工干预的情况下,自动监测草原牧场上牛群的数量和牛群的位置,并提出一种在牛群中随机加入路由节点,提高系统监测准确率的策略,同时能够向牛肉消费者间接提供是散养牛肉还是圈养牛肉的信息。
1 Zig Bee和GPS技术简介
近年来,随着社会信息化、家庭智能化和工业自动化等领域对无线通信和数据传输需求的日益增长,Zig⁃Bee协议标准作为一种全新的无线传感网络技术应运而生,并展示出迅猛发展的良好势头,引起了国内外广大科技工作者的极大兴趣和关注。Zig Bee技术是一种具有低速率、近距离、低复杂度、低成本、通信可靠和网络容量大等特点的无线通信技术[1⁃3]。Zig Bee的通信网络由三种类型的节点组成:协调器节点(ZC)、路由器节点(ZR)和终端设备节点(ZD)[4]。
全球定位系统(GPS)技术是由美国研发、建立。随着GPS技术日益成熟和完善,其应用领域越来越广,涉及到军事、航海、航天、农业等许多领域。自从美国改变其GPS政策以后,许多民用GPS模块定位精度可以达到5 m以内[5]。该系统由位于地面的监控部分,空中卫星以及用户接收设备三部分组成。其定位原理主要是测量无线电信号从地面接收机传播到天空中卫星的时间乘以光速得到两者之间距离,然后结合其他卫星数据,就可确定接收机所处具体位置。草原环境地势平坦几乎没有高大建筑物,而且在草原这种大面积的区域内,GPS定位精度完全符合要求。
2 系统总体结构设计
本文所设计系统是通过建立Zig Bee通信网络,通过GPS全球定位系统,获取牛群所在地理位置的经纬度数据,完成远距离实时统计草原牧场上牛群数量及实时监测牛群所处位置,并可根据经纬度计算出牛群在整个生长过程中所行走公里数,从而确定牛群生长环境。系统主要由一号系统、二号系统和终端节点三部分组成。一号系统包括主控芯片、Zig Bee协调器、GPS模块、无线远程通信(GPRS)模块。
无线远程通信(GPRS)模块、GPS模块、协调器节点通过串口分别与主控芯片连接,实现数据交换;协调器节点通过Zig Bee网络分别与终端节点、二号系统路由节点连接,实现数据交换;二号系统包括主控芯片和Zig⁃Bee网络中的终端节点和路由节点,终端节点通过串口与第二主控芯片连接,实现数据交换;路由节点通过Zig Bee网络和终端节点、协调器节点连接,实现数据交换。终端节点负责向一号系统协调器节点或者向二号系统路由器节点发送数据。系统的整体构架图如图1所示。
本文系统的实施方案是给牛群的头牛佩戴一号系统,在牛群中随机找到几头牛(除头牛外)佩戴二号系统,剩下的牛佩戴终端节点。终端节点通过Zig Bee无线网络和Zig Bee协调器通信,通信的内容是能够代表佩戴该节点的牛的编号。主控芯片根据协调器节点接收到的数据,分析判断出当前牧场上牛群的数量,GPS模块采集经纬度数据,远程无线通信模块把牛群的数量和经纬度数据发送到上位机进行存储,农牧民通过查阅这些数据便可得知当前牧场上牛群的数量和位置信息。
本文所设计系统需要长时间工作在无人值守的空旷草原地区,因此保证系统判断准确率是本次系统设计的核心。为了提高系统监测准确率,利用Zig Bee技术的优势,提出在多次查找后仍有查找不到的编号时,自动开启随机分布在牛群中二号系统上的路由节点,通过路由转发数据的方式把数据发送到协调器节点,以此来提高系统的监测准确率。
3 系统硬件设计概述
系统的主控芯片是美国德州仪器公司(TI)生产的一款16 位RISC混合信号处理器MSP430F149。该芯片突出的特点是:低电源电压,超低功耗、5 种低功耗模式,可在6 μs之内快速从待机模式唤醒[6⁃7]。在本文设计中,由于MSP430F149 单片机只有2 个串口,其中一个设计为远程无线通信模块,另一个采用74LS244 双线总线控制器虚拟转化为两个串口,与GPS模块、Zig Bee协调器节点进行数据通信,从而达到串口分时复用的目的。单片机外围及串口分时复用电路如图2 所示。
在本文设计系统中主控单片机的主要功能是:
()比较、分析协调器节点接收到的数据。
(2)转换GPS模块采集的经纬度数据的格式。
(3)控制GPS模块开关机和远程通信模块睡眠与唤醒。
Zig Bee节点的硬件型号选用CC2530号芯片,是一个真正用于IEEE802.15.4和Zig Bee应用的片上系统解决方案。提供了一种可靠而又低廉的网络节点构建方式[8]。该芯片还集成了51单片机内核,内存为256 KB,具有极高的接收灵敏度和抗干扰性[9]。在本文所设计系统中通过CC2530和CC2591相结合的设计增加了RF发射功率,使Zig Bee节点间的直接通信距离达到了260~300 m。远程无线通信模块选用SIMCOM推出新款紧凑型产品—SIM900A,它是一个专门为中国大陆设计的双频GSM/GPRS模块。SIM900A采用省电技术设计,在SLEEP模式下电流[10]只有1.0 m A。该模块还内嵌TCP/IP协议,方面数据传输。在本文设计的系统中,不需要和上位机通信时,该部分处于睡眠状态。SIM900A外围电路见图3。
GPS模块采用U⁃blox公司的GPS芯片,该芯片数据刷新频率小于1 s,定位精度小于10 m。在本文设计系统中,在没有经纬度数据请求时,通过主控模块控制其供电电路使该模块处于关机状态。其供电电路设计如图4 所示。
4 系统软件设计
软件设计分为三个部分:一号系统软件设计部分,二号系统软件设计部分、终端节点软件设计部分。
4.1 一号系统和二号系统软件设计
一号系统开机,将牛群中每头牛的编号存储到一号系统主控芯片中,初始化系统。一号系统的协调器节点建立网络,网络建立完成后,开始等待终端节点或路由节点加入网络。二号系统的终端节点和系统的其他终端节点加入一号系统协调器节点已经建立的网络,然后开始向协调器节点发送编号信息,二号系统的路由节点此时是处于关机状态。终端节点加入网络后向一号系统的协调器节点发送代表佩戴该终端节点牛的编号。协调器节点将收到编号通过串口发送到一号系统的主控芯片,主控芯片将收到的编号与存储的编号作比较。当协调器节点接收到的编号信息和主控芯片所存储的编号信息相等时,称为正常状态;当协调器节点接收到的编号信息和主控芯片所存储的编号信息不相等时,称为不正常状态。当一号系统的主控芯片判断到连续的三次不正常状态时,把三次不正常状态的编号取交集,当三次不正常状态的编号交集为空,则视为正常状态。当三次不正常状态交集不为空时,一号系统的主控芯片将三次不正常状态编号的交集进行格式转换,并将转换后的编号信息通过串口通信发送到协调器节点,协调器节点开始向Zig Bee网络中所有终端节点广播这些编号的交集。
当二号系统的终端节点收到协调器节点广播的编号时,将收到编号通过串口通信发送到二号系统的主控芯片。当二号系统的主控芯片根据所收到编号的格式判定所收到的编号不是协调器节点广播的一号系统的判断结果时,二号系统不做任何响应;当二号系统的主控芯片根据所收到编号的格式判定所收到的编号是协调器节点广播的一号系统的判断结果时,触发二号系统的路由节点开机。
当二号系统路由节点开机后,所有终端节点向协调器节点发送编号时都是经过二号系统的路由节点转发的。协调器节点在收到路由节点转发的数据后,一号系统的主控芯片在收到的编号中查找是否有交集中的编号,如果有交集中的全部编号,则认为这些编号处于正常状态。如果有交集的某个或者某几个编号,则认为某个或者某几个编号是处于正常状态的。当一号系统在分析出牛群中各头牛处于的状态后,一号系统的主控芯片控制GPS模块开机,采集经纬度数据,并将经纬度数据通过串口通信发送到一号系统的主控芯片。一号系统的主控芯片把经纬度数据转换成简单易懂的格式后,控制无线远程通信(GPRS)模块开机,并把一号系统主控芯片判断的结果和经纬度数据发送到上位机。一号系统和二号各个部分软件设计流程如图5所示。
4.2 终端节点软件设计
终端节点的软件流程如图6 所示。终端节点加入网络以后会进入睡眠模式,此睡眠模式可由外部中断或者定时器唤醒。当终端节点被唤醒后就会执行相应的操作。
4.3 实验结果
系统的设计与制作完成后,在实验室条件下进行了测试。终端节点每隔5 min通过Zig Bee网络向系统发一次数据,系统收到数据后执行相应的命令。图7 是三组试验数据,第一组数据是所有终端节点都在安全通信范围内,系统判断结果是safe;第二组数据是把代表1号牛的终端节点关闭,把代表2,3 号牛的终端节点放到节点间直接安全通信范围以外,经过系统判断,报告发现编号为1 的牛不在安全范围以内,这组数据说明随机分布的带有路由节点的二号系统可以把更远距离的终端节点信息转发到一号系统的协调器节点;第三组数据是关闭代表1,2,3 号牛的终端节点,系统通过判断发现编号为1,2,3 的牛不在安全通信范围内。在20 头牛集体放牧中进行测试,带有路由节点的二号系统随机佩戴3 套,系统监测准确率达到100%。
在无人值守的空旷草原地区,常常会由于终端节点距离协调器节点较远,或者节点被一些障碍物遮挡而使Zig Bee网络信号强度变弱,导致Zig Bee网络中的终端节点不能及时的将编号信息发送到协调器节点,造成系统监测准确率下降。
本文通过在牛群中随机找到几头牛佩戴带有Zig⁃Bee路由节点的二号系统,有效地解决了这一问题,提高了系统监测准确率。另外,由于牛群中每头牛都有惟一的、能够区别其他牛的编号,这样农牧民就能清楚的知道牛群中哪头牛丢失了,并且可以根据纬度数据确定牛丢失的地点,为寻找丢失的牛提供了依据,通过该系统极大地保护了农牧民财产安全,在为农牧民节省人力物力的同时,增加经济了收入。
5 结语
根据草原环境以及草原牧民独特的放牧特点,提出利用Zig Bee技术、GPS卫星定位追踪技术和GPRS技术相结合的方式设计远程牛群监管系统,实现了对牧场上牛群数量和位置信息的有效监测。设计系统不仅使牧民能够及时准确地获得牧场上牛群的信息,节省大量的人力物力,而且有利于牧民及时发现牧场上的险情,减少财产损失。本文所设计的系统结构简单、佩戴方便、成本低廉,为草原畜牧业生产、提高农牧民收入有重要的促进作用。
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