Автономная система сбора, хранения и передачи данных для наземного мониторинга физических характеристик подстилающей поверхности

В настоящее время данные дистанционного зондирования Земли из космоса становятся доступными широкому кругу пользователей, благодаря разрабатываемым системам сбора, обработки и архивации спутниковых данных [1, 2]. Для валидации данных дистанционного зондирования проводят натурные измерения физических характеристик подстилающей поверхности. Однако организация регулярных ежедневных измерений с периодичностью от нескольких минут до нескольких часов, необходимых для выявления и изучения динамических процессов, протекающих в природе, является трудоемкой задачей, особенно в удаленных районах Западной Сибири и Арктики. Для этих целей разрабатываются автоматизированные системы сбора, хранения и передачи данных. Так, например, в статье [3] приведено описание специализированного многоканального запоминающего термометра с 21 датчиком температуры, использованного для суточных измерений температуры почвенного покрова на разных глубинах с получасовым временным интервалом регистрации температур в зимний и весенний периоды в районе города Надыма. В статье [4] приведено описание измерительной системы сбора данных для прогнозирования радиационных заморозков, включающей датчики температуры и относительной влажности воздуха, а также пирометр для измерения инфракрасного излучения неба и подстилающей поверхности.

В данной работе приведено описание разработанной автором автономной системы сбора, хранения и передачи данных. Система предназначена для сбора данных с цифровых датчиков (в том числе в труднодоступной местности в диапазоне температур окружающей среды от -50 до +40 градусов Цельсия) и передачи их по радиоканалу до ближайшей условной базы, где данные сможет обрабатывать оператор или же, где может работать сервер. Также мощности радиопередатчика хватает для отправки данных на спутник. Для сбора данных с датчиков система имеет следующие интерфейсы: SPI, UART, I2C (с возможностью опрашивания 127 датчиков). Для передачи данных используется LoRa модуль, транслирующий на частоте 433 МГц.

Для автономной работы система оснащена емким литий-ионным аккумулятором, заряда которого при нормальных условиях хватит более чем на год (соответственно, обслуживание системы может проводиться не чаще 1-2 раза в год), а также SD картой. Все измеренные данные дополнительно сохраняются на SD карту и в случае отказа LoRa модуля данные измерений все также будут фиксироватья.

Для облегчения сервисного обслуживания, а именно поиска отдельных узлов системы, на каждом устройстве установлен пьезозвонок, по звуку которого его можно отыскать, например, в условиях плохой видимости, на заснеженной территории. Путем подключения к устройству экрана c SPI интерфейсом и клавиатуры в соответствующие разъемы на плате, оно может играть роль пульта управления, отправляя выбранные в меню команды. Для покрытия больших расстояний система позволяет подключать ее узлы по схеме «звезда» или «цепь», или же комбинировать эти две схемы, когда каждый узел цепи может играть роль хаба для других, получая структуру в виде графа. Для сохранения электроники от негативного воздействия окружающей среды разъем для подключения датчиков имеет стандарт защиты IP68. Сервисное обслуживание состоит в замене поврежденных модулей, зарядке аккумуляторов, смене SD карты, визуальном осмотре. Для обработки и визуализации данных с датчиков, а также управления всей системой написан графический интерфейс, который управляется устройством-ретранслятором, подключенным к персональному компьютеру.

Разработанная система была использована для измерения суточных градиентов температуры в стволе дерева. Известно, что на протяжении всего жизненного цикла деревья испытывают влияние разнообразных природных факторов (сезонность, гидрологические и климатические изменения, лесные пожары, засухи, переувлажнение и затопление лесов) и антропогенное воздействие (загрязнение воздуха, выпадение кислотных дождей, деградация почв). Соответственно возникает необходимость в мониторинге леса, осуществляемом как традиционными наземными методами (визуальные наблюдения отдельных деревьев или групп деревьев, измерение температуры, плотности, влажности древесины), так и на основе дистанционного зондирования в разных диапазонах электромагнитных волн [5].

В результате изучения суточной динамики температуры в стволе дерева, установлено, что при изменении температуры окружающей среды изменение температуры в стволе дерева происходит с некоторым запаздыванием. Следует отметить, что суточные изменения температуры дерева (особенно в период перехода от положительных температур к отрицательным и наоборот, сопровождающийся замерзанием воды и таянием льда в растительной клетке) оказывают влияние на агрегатный состав воды в дереве, а также могут оказывать влияние на излучательные и диэлектрические свойства дерева. Полученные результаты могут быть использованы для уточнения данных дистанционного зондирования леса в инфракрасном, микроволновом диапазонах.

В докладе будет представлен подробный обзор технических решений, использованных при разработке системы, а также результаты измерений суточных градиентов природных сред.