一种树木径向生长数据的采集系统、采集仪及采集方法与流程

1.本发明涉及林业环境研究技术领域，尤其是涉及一种树木径向生长数据的采集系统、采集仪及采集方法。


背景技术：

2.在现有技术中，如何选择适宜的林木品种，具有针对性地根据当地自然土壤等环境因素种植适宜林木，并通过有效管理使其很好生长，目前在我国各地区的相关研究还不是很多，而有关林木的管理，其中核心研究中的难点便是有关树木径向生长数据的采集，传统的树木径向生长数据采集一般采用人工采集，红外传输、电脑直采等方式，其工作量大、成本高、功耗大需要太阳能或者市电，难以大面积布设。
3.申请号为：201720317465.9的中国实用新型专利公开了一种用于林木生长智能监测的系统，统主要包括：处理器模块、数据采集模块、数据传输模块、智能分类存储模块、数据输出模块、电源装置；所述的处理器模块是采用以太网服务器进行数据处理；所述的数据采集模块通过数据采集装置对相关数据信息进行采集；所述数据传输模块是通过无线传感服务器将采集到的数据传输到以太网服务器终端；所述智能分类存储模块为终端处理器自存储器；所述数据输出模块为客户端显示装置和报警装置。然而，该种用于林木生长智能监测的系统通过无线传输端口和usb接口进行数据信息传输，受到信号和数据线的限制，对在野外大面积林地中生长的树木进行信息采集不现实，并且现有的树干径向变化记录仪通常采用直接测量方式测量树木的径向变化，容易影响树木的生长，测量精度低，无法保证测量结果贴合树木的生长规律，并且其与树木之间的稳定性较差，贴合度不高，容易脱落，影响测量精度，无法应用在野外大面积林地的环境中，实用性较差。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种树木径向生长数据的采集系统、采集仪及采集方法。
5.为实现上述目的，本发明提出的技术方案是：
6.一种树木径向生长数据采集系统，包括用于采集树木径向生长数据的节点采集器、用于处理采集数据的终端处理器、用于对处理后的数据进行传输的数据传输模块、用于为用户执行应用和访问存储提供基础支持的云平台以及用于为客户提供本地服务的客户端，节点采集器与终端处理器之间进行数据传输，终端处理器与云平台之间通过数据传输模块进行数据传输，云平台与客户端进行数据传输。
7.节点采集器包括用于采集树木径向生长变化的采集仪、用于为节点采集器供电的节点电源管理模块、用于对所述采集仪采集到的数据进行转换的节点数据转换模块以及用于进行数据传输的节点lora通讯模块，所述采集仪设置在树木外侧，所述节点电源管理模块与所述采集仪、所述节点数据转换模块以及所述节点lora通讯模块均电性连接，所述节点数据转换模块与所述节点lora通讯模块电性连接。
8.终端处理器包括用于为终端处理器供电的终端电源管理模块、用于对节点采集器
传来的数据进行处理的终端数据处理模块、用于进行数据传输的终端lora通讯模块、用进行实时通讯的终端gprs通讯模块以及用于保存数据的终端数据存储模块，所述终端电源管理模块与所述终端数据处理模块、所述终端lora通讯模块、所述终端gprs通讯模块以及所述终端数据存储模块均电性连接，所述终端数据处理模块与所述终端lora通讯模块以及所述终端数据存储模块均电性连接，所述终端gprs通讯模块与所述终端数据存储模块电性连接。
9.终端处理器包括wifi收发模块、网口模块、4g网络数据传模块以及卫星数据传输模块，终端采集器通过wifi收发模块或网口模块或4g网络数据传输模块或卫星数据传输模块与节点采集器进行数据传输。
10.一种应用在树木径向生长数据采集系统中的采集器，其包括钢索，所述钢索环绕设置在树木外侧，所述钢索包括贴合部以及预紧部，所述贴合部与树木贴合设置，所述预紧部远离树木设置，还包括用于为测量机构提供支撑的支撑机构、用于将测量机构固定在树木上的固定机构以及用于测量树木径向生长量的测量机构，支撑机构对应所述预紧部设置在树木一侧，固定机构设置在树木与支撑机构外侧，测量机构设置在支撑机构与所述预紧部之间。
11.支撑机构包括支撑支架以及支撑外壳，所述支撑支架设置在树木靠近所述预紧部的一侧且与树木贴合设置，所述支撑支架与树木贴合处对应树木设有开口，开口处的宽度大于所述支撑支架远离树木的一端的宽度，所述支撑外壳设置在所述支撑支架远离树木的一端且与所述支撑支架固定连接。
12.固定机构包括固定绑带，所述固定绑带有两条，两条所述固定绑带环绕设置在树木与支撑支架的外侧且与树木以及支撑支架贴合设置，两条所述固定绑带并列设置且分别位于支撑支架的上部与下部，所述固定绑带为带有弹性的松紧带。
13.测量机构包括位移传感器、测量头以及弹簧复位器，所述位移传感器设置在支撑外壳远离树木的一端且与支撑外壳固定连接，所述位移传感器位于树木与所述预紧部之间，所述测量头设置在所述位移传感器远离树木的一端且与所述预紧部固定连接，所述弹簧复位器设置在所述位移传感器与所述测量头之间且其两端分别与所述位移传感器以及所述测量头固定连接，所述测量头通过所述弹簧复位器与所述位移传感器连接。
14.还包括防护块以及用于控制所述钢索松紧的紧线器，所述防护块有若干个，若干个所述防护块对应所述贴合部呈弧形设置在所述贴合部与树木连接处且与树木贴合设置，所述贴合部贯穿若干个所述防护块且通过所述防护块与树木贴合，若干个所述防护块间隔设置，所述紧线器设置在所述钢索的预紧部且与所述钢索固定连接。
15.一种树木径向生长数据采集系统的采集方法，其特征在于，包括如下步骤：
16.a、采集仪根据树干周长c
i
＝钢丝长度c
wire
‑
弦长+弧长；
17.c
wire
＝初始周长c0‑
初始弧长+初始弦长；
18.初始弧长＝2
×
r0×
arccos(r0/d0)；
19.弧长＝r
i
‑1×
arccos(r
i
‑
1/d
i
)；
20.初始弦长＝(d
02
‑
r
02
)^0.5；
21.弦长＝(d
i2
‑
r
i
‑
12
)^0.5；
22.计算树干周长c
i
，其中，弦长为钢索与树木贴合处到测量头处的长度，弧长为钢索
与树木的两个贴合处之间的弧长，c0为固定高度的初始周长，v0为安装后记录的第一个数据，v
i
为动态测量数据，d
i
为传感器顶端到树干圆心的距离，d0为传感器顶端到树干圆心的初始距离；
23.b、节点采集器将采集仪采集到的树干周长c
i
数据通过lora组网技术发送至终端处理器；
24.c、终端处理器对接收到的树干周长c
i
数据进行处理并储存，将处理后的树干周长c
i
数据通过数据传输模块上传至云平台，用户可通过客户端将云平台上的数据下载，并且云平台实时更新节点采集器采集到的树木径向生长数据。
25.本发明的有益效果是：
26.数据传输方式多样化，结合lora组网和卫星通讯的方式进行数据传输，不受使用环境的限制，可在无网无gsm信号的野外环境进行作业，可实现低成本大范围的布设，适用于野外调查，采用间接测量方式，不会影响树木生长，测量精度高，保证测量结果贴合树木的生长规律，并可保证设备与树木之间的贴合程度以及连接稳定性，可以在不影响树木自然生长的前提下对树木的径向生长进行精确测量，实用性强。
附图说明
27.图1是本发明整体结构示意图；
28.图2是本发明节点采集器电性连接图；
29.图3是本发明终端处理器电性连接图；
30.图4是本发明采集仪结构示意图；
31.图5是本发明工作原理图。
32.图中：1、节点采集器；2、终端处理器；3、数据传输模块；4、云平台；5、客户端；6、采集仪；7、节点电源管理模块；8、节点数据转换模块；9、节点lora通讯模块；10、终端电源管理模块；11、终端数据处理模块；12、终端lora通讯模块；13、终端gprs通讯模块；14、终端数据存储模块；15、钢索；16、贴合部；17、预紧部；18、支撑支架；19、支撑外壳；20、固定绑带；21、位移传感器；22、测量头；23、弹簧复位器；24、防护块；25、紧线器。
具体实施方式
33.下面结合附图对本发明作进一步详细描述，
34.一种树木径向生长数据采集系统，包括用于采集树木径向生长数据的节点采集器1、用于处理采集数据的终端处理器2、用于对处理后的数据进行传输的数据传输模块3、用于为用户执行应用和访问存储提供基础支持的云平台4以及用于为客户提供本地服务的客户端5，节点采集器1与终端处理器2之间进行数据传输，终端处理器2与云平台4之间通过数据传输模块3进行数据传输，云平台4与客户端5进行数据传输，本发明整体结构示意图如图1所示。
35.节点采集器1包括用于采集树木径向生长变化的采集仪6、用于为节点采集器1供电的节点电源管理模块7、用于对所述采集仪6采集到的数据进行转换的节点数据转换模块8以及用于进行数据传输的节点lora通讯模块9，所述采集仪6设置在树木外侧，所述节点电源管理模块7与所述采集仪6、所述节点数据转换模块8以及所述节点lora通讯模块9均电性
连接，所述节点数据转换模块8与所述节点lora通讯模块9电性连接，节点采集器1通过采集仪6、节点电源管理模块7、节点数据转换模块8以及节点lora通讯模块9配合，构成采集树木径向生长数据的节点采集器1，其中，采集仪6用于采集树木径向生长数据，节点电源管理模块7用于为采集仪6、节点数据转换模块8以及节点lora通讯模块9供电，节点数据转换模块8用于将采集到的树木径向生长数据转化为电信号传送至节点lora通讯模块9，节点lora通讯模块9用于将节点数据转换模块8传来的数据发送至终端处理器2，节点采集器1采用低功耗设计，节点采集器1无需外部供电可运行1年，本发明节点采集器1电性连接图如图2所示。
36.终端处理器2包括用于为终端处理器2供电的终端电源管理模块10、用于对节点采集器1传来的数据进行处理的终端数据处理模块11、用于进行数据传输的终端lora通讯模块12、用进行实时通讯的终端gprs通讯模块13以及用于保存数据的终端数据存储模块14，所述终端电源管理模块10与所述终端数据处理模块11、所述终端lora通讯模块12、所述终端gprs通讯模块13以及所述终端数据存储模块14均电性连接，所述终端数据处理模块11与所述终端lora通讯模块12以及所述终端数据存储模块14均电性连接，所述终端gprs通讯模块13与所述终端数据存储模块14电性连接，终端处理器2通过终端电源管理模块10、终端数据处理模块11、终端lora通讯模块12、终端gprs通讯模块13以及终端数据存储模块14配合，对节点采集器1传来的树木径向生长数据进行处理并储存，其中，终端电源管理模块10用于为终端数据处理模块11、终端lora通讯模块12、终端gprs通讯模块13以及终端数据存储模块14供电，终端数据处理模块11用于对节点采集器1传来的树木径向生长数据进行数据处理，终端lora通讯模块12用于与节点lora通讯模块9配合，接收节点采集器1传来的树木径向生长数据，终端gprs模块用于进行实时通讯，终端数据存储模块14用于对经过处理的树木径向生长数据进行储存，本发明终端处理器2电性连接图如图3所示。
37.终端处理器2包括wifi收发模块、网口模块、4g网络数据传模块以及卫星数据传输模块3，终端采集器通过wifi收发模块或网口模块或4g网络数据传输模块3或卫星数据传输模块3与节点采集器1进行数据传输，其中，终端处理器2通过wifi收发模块、网口模块、4g网络数据传模块以及卫星数据传输模块3配合，不仅支持wifi、网口、4g网络数据传输，还可以通过卫星数据传输，适合在无网无gsm信号的野外环境作业。
38.其中，节点采集器1与终端处理器2构成lora数据采集系统，其为低功耗局域组网，可进行集中上传数据，lora组网的传输距离可达2千米，一个终端处理器2可同时接入100个节点采集器1，每个节点采集器1最大可采集4路数据，通过有线连接，并通过lora组网与终端处理器2传输数据，终端处理器2通过lora通讯模块与节点采集器1进行通讯，可保存采集数据，并可利用存储器或终端gprs网络发送数据至服务器端，也可通过与卫星模组向卫星传输数据，服务器端再向卫星接收数据来实现无网无gsm服务地区的数据采集，本采集系统结合lora组网和卫星通讯的方式，可实现低成本大范围布设，并不受信号影响。
39.其中，数据传输模块3包括行云卫星以及地面数据中心，行云卫星用于接收终端处理器2发来的数据，并将该数据发送至地面数据中心，地面数据中心用于将行云卫星传来的数据上传至云平台4。
40.一种应用在树木径向生长数据采集系统中的采集器，其包括钢索15，所述钢索15环绕设置在树木外侧，所述钢索15包括贴合部16以及预紧部17，所述贴合部16与树木贴合设置，所述预紧部17远离树木设置，还包括用于为测量机构提供支撑的支撑机构、用于将测
量机构固定在树木上的固定机构以及用于测量树木径向生长量的测量机构，支撑机构对应所述预紧部17设置在树木一侧，固定机构设置在树木与支撑机构外侧，测量机构设置在支撑机构与所述预紧部17之间，本发明采集仪6结构示意图如图4所示。
41.支撑机构包括支撑支架18以及支撑外壳19，所述支撑支架18设置在树木靠近所述预紧部17的一侧且与树木贴合设置，所述支撑支架18与树木贴合处对应树木设有开口，开口处的宽度大于所述支撑支架18远离树木的一端的宽度，所述支撑外壳19设置在所述支撑支架18远离树木的一端且与所述支撑支架18固定连接，支撑机构通过支撑支架18以及支撑外壳19配合，为测量机构提供安装支撑，其中，支撑支架18用于为支撑外壳19提供安装支撑并与树木贴合，支撑外壳19用于为测量机构提供安装支撑，支撑支架18的开口用于提升支撑支架18与树木弧形处的贴合程度，并保证支撑机构与树木连接处的稳定性。
42.固定机构包括固定绑带20，所述固定绑带20有两条，两条所述固定绑带20环绕设置在树木与支撑支架18的外侧且与树木以及支撑支架18贴合设置，两条所述固定绑带20并列设置且分别位于支撑支架18的上部与下部，所述固定绑带20为带有弹性的松紧带，固定机构通过固定绑带20将支撑机构固定在树木上，其中，固定绑带20用于将支撑支架18固定在树木上，并且两条固定绑带20可以保证支撑机构的稳定性，带有弹性的固定绑带20在对支撑支架18进行固定的过程中不会影响树木的自然生长。
43.测量机构包括位移传感器21、测量头22以及弹簧复位器23，所述位移传感器21设置在支撑外壳19远离树木的一端且与支撑外壳19固定连接，所述位移传感器21位于树木与所述预紧部17之间，所述测量头22设置在所述位移传感器21远离树木的一端且与所述预紧部17固定连接，所述弹簧复位器23设置在所述位移传感器21与所述测量头22之间且其两端分别与所述位移传感器21以及所述测量头22固定连接，所述测量头22通过所述弹簧复位器23与所述位移传感器21连接，测量机构通过位移传感器21以及测量头22配合，对树木的径向生长量进行测量，其中，位移传感器21用于检测树木的径向生长量，测量头22用于将位移传感器21与预紧部17连接，保证位移传感器21的测量精度，位移传感器21为高精度位移传感器21，弹簧复位器23用于连接位移传感器21与测量头22并对树木径向施加一定的预紧力。
44.还包括防护块24以及用于控制所述钢索15松紧的紧线器25，所述防护块24有若干个，若干个所述防护块24对应所述贴合部16呈弧形设置在所述贴合部16与树木连接处且与树木贴合设置，所述贴合部16贯穿若干个所述防护块24且通过所述防护块24与树木贴合，若干个所述防护块24间隔设置，所述紧线器25设置在所述钢索15的预紧部17且与所述钢索15固定连接，其中，防护块24用于避免钢索15与树木直接接触，保证树木自然生长，紧线器25用于根据实际使用需求控制钢索15的松紧。
45.其中，钢索15为不锈钢丝绳。
46.其中，支撑支架18为不锈钢支架。
47.其中，支撑外壳19为铝合金外壳。
48.其中，所有节点数据储存于终端处理器2，终端处理器2为组网lora中继采集器，并同时回传云平台4。
49.一种树木径向生长数据采集方法，包括如下步骤：
50.a、采集仪6根据树干周长c
i
＝钢丝长度c
wire
‑
弦长+弧长；
51.c
wire
＝初始周长c0‑
初始弧长+初始弦长；
52.初始弧长＝2
×
r0×
arccos(r0/d0)；
53.弧长＝r
i
‑1×
arccos(r
i
‑
1/d
i
)；
54.初始弦长＝(d
02
‑
r
02
)^0.5；
55.弦长＝(d
i2
‑
r
i
‑
12
)^0.5；
56.计算树干周长c
i
，其中，弦长为钢索15与树木贴合处到测量头22处的长度，弧长为钢索15与树木的两个贴合处之间的弧长，c0为固定高度的初始周长，v0为安装后记录的第一个数据，v
i
为动态测量数据，d
i
为传感器顶端到树干圆心的距离，d0为传感器顶端到树干圆心的初始距离；
57.b、节点采集器1将采集仪6采集到的树干周长c
i
数据通过lora组网技术发送至终端处理器2；
58.c、终端处理器2对接收到的树干周长c
i
数据进行处理并储存，将处理后的树干周长c
i
数据通过数据传输模块3上传至云平台4，用户可通过客户端5将云平台4上的数据下载，并且云平台4实时更新节点采集器1采集到的树木径向生长数据。
59.其中，树干周长的计算公式为：
[0060][0061]
工作原理：
[0062]
节点采集器1对树木径向生长数据进行采集，并将采集到的数据通过lora组网发送至终端处理器2，终端处理器2对接收到的数据进行处理并储存，将处理后的数据发送至数据传输模块3，数据传输模块3将数据上传至云平台4，用户可通过客户端5将云平台4上的数据下载，并且云平台4实时更新节点采集器1采集到的树木径向生长数据，本发明工作原理图如图5所示。
[0063]
本发明的有益效果是数据传输方式多样化，结合lora组网和卫星通讯的方式进行数据传输，不受使用环境的限制，可在无网无gsm信号的野外环境进行作业，可实现低成本大范围的布设，适用于野外调查，采用间接测量方式，不会影响树木生长，测量精度高，保证测量结果贴合树木的生长规律，并可保证设备与树木之间的贴合程度以及连接稳定性，可以在不影响树木自然生长的前提下对树木的径向生长进行精确测量，实用性强。
[0064]
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。