Романов Е.М., Бусыгин Г.В., Карасев В.Н. ,Карасева М.А.,
Лаврентьев Б.Ф., Кошкин В.В., Стешина Л.А., Петухов И.В.
(МарГТУ, г. Йошкар-Ола, РФ)
The center for studying forest ecological systems is described in this article. The structure of the center, feature of its functioning, area of use is considered. The universality and multifunctionality of this ecological center are reached by using of modern microprocessors and computer technologies.
Настоящая работа выполняется в рамках гранта РФФИ за 2005 г. по проекту 05-07-96503 «Создание центра, мониторинга для фундаментальных исследований физиологии и экологии лесных экосистем».
Одной из важнейших задач современности является познание закономерностей, существующих в реальном мире. Известно, что многие явления, происходящие в экосистемах (в том числе и в лесных экосистемах), не достаточно хорошо изучены либо вообще не известны. Многие такие явления трактуются на основании аксиом, либо недоказательных предположений.
Что представляют собой биологические, потенциальные, тепловые поля биологических объектов? Как они зависят от параметров внешней окружающей среды и как влияют на продуктивность и качество биологических объектов? Эти и многие другие вопросы не рассмотрены должным образом и не имеют в настоящее время ответов, хотя они и являются важнейшими в познании закономерностей мироздания.
Известно, что воздействие антропогенных факторов на среду обитания человека, в том числе на лесные массивы вблизи больших городов вызывает значительный интерес как при разработке опережающих мер для противодействия им, так и при прогнозировании изменения состояния локальных экосистем. В настоящее время исследование экосистем обычно ограничивается созданием информационно-измерительных систем сбора информации по основным параметрам окружающей среды, таким как основные метеопараметры, параметры воздушной среды и т.д. На основании полученных данных и строились модели поведения локальных экосистем леса. Подобные модели не всегда отличались достаточной достоверностью, так как не содержали в себе информацию о ряде параметров окружающей среды, таких как: наличие вредных составляющих воздушной среды, газовый состав атмосферы, солнечную радиацию в трех диапазонах, внешние электрические и магнитные поля; параметры почвы и т.д.
Значительные трудности возникают и при формировании параметров биологических объектов, хотя использование современных микропроцессорных и компьютерных технологий позволяет создать уникальные первичные преобразователи информации по биологическим параметрам лесных экосистем. Хотелось бы отметить еще одни немаловажный фактор ‑ при снятии информации не должно быть повреждений исследуемого объекта.
Таким образом, для фундаментального исследования закономерностей развития лесных экосистем необходимо разработать новые методы и аппаратные средства исследования экосистем, а главное необходимы длительные (многолетние) измерения параметров биологических объектов в реальных условиях и исследование зависимости этих параметров от параметров внешней среды с целью формирования базы данных для решения учебных и научных задач. Создаваемый центр мониторинга экосистем на базе ботанического сада Марийского государственного технического университета призван решить хотя бы часть перечисленных выше вопросов.
Центр не имеет аналогов в нашей стране, работает круглогодично в автоматическом режиме в соответствии с программой, заложенной в память ПЭВМ. Центр может измерять и регистрировать метеорологические, экологические, биологические и другие параметры окружающей среды, а также формировать базы данных измеряемых параметров с целью исследования корреляционных связей между отдельными группами параметров.
Разрабатываемый центр мониторинга лесных экосистем будет обеспечивать решение многих учебных и научных, в том числе фундаментальных задач, например, анализ влияния температуры, влажности, осадков, скорости и направления ветра, наличия вредных веществ в воздушной среде и почве на продуктивность лесного и сельского хозяйства. Большой интерес может представлять влияние газового состава атмосферы, солнечной радиации в трех диапазонах электромагнитных волн, внешних магнитных и электрических полей и других компонентов окружающей среды на продуктивность тех или иных биологических структур.
Полученная информация, будет использована в курсовом и дипломном проектировании студентами и преподавателями факультетов «Лесного хозяйства и экологии»; «Природообустройства и водных ресурсов», а также в УНИРС и научной работе.
Основные технические характеристики центра:
· количество измерительных каналов ………………………...не менее 128;
· период опроса датчиков определяется программой и характером решаемых задач;
· автономность работы……………………………………….круглогодично;
· источники питания… ………………..….сеть, гальванические элементы;
· измеряемые параметры:
- температура в 10 точках с дискретностью 0,1 °С;
- влажность в 4 точках с дискретностью 1%;
- атмосферное давление 300¸1100 гПа;
- количество осадков 0¸999,9 мм;
- скорость ветра 0¸50 м/с;
- солнечная радиация в трех диапазонах;
- газовый состав воздушной среды 4 измерительных канала;
- наличие загрязнений воздушной среды 6 измерительных каналов;
- параметры внешних магнитных и электрических полей 2 канала;
- количество параметров биологических объектов не менее 96.
В качестве элементной базы использованы комплектующие, выполненные на микропроцессорных элементах с небольшим потребляемым током.
Структурная схема центра включает в себя:
· устройство обработки информации, содержащее персональный компьютер с программным обеспечением и блоком сопряжения с линией связи;
· метеоплощадку с первичными преобразователями информации, метеостанцией с микропроцессорным блоком сопряжения и блоками сбора и передачи информации;
· опытные полигоны с биологическими объектами, первичными преобразователями информации, блоком сбора и передачи информации;
· восьмипроводную линию связи между метеоплощадкой и устройством обработки информации.
Устройство обработки информации, включающее в себя ПЭВМ (Pentium), клавиатуру, дисплей, принтер, блок сопряжения (адаптер интерфейса) и блок выпрямителей, размещается в административном здании.
Метеоплощадка располагается на расстоянии более 200 м от административного здания. Первичные преобразователи информации размещаются в пределах метеоплощадки и испытательных полигонов. На метеоплощадке и испытательных полигонах установлены блоки сбора информации, содержащие шестнадцатиразрядные АЦП, адаптеры интерфейсов RS-485 и RS-232 и микропроцессорный контроллер с программным обеспечением.
Важнейшей задачей при проектировании центра является организация информационных потоков между устройством обработки информации, метеоплощадкой и испытательными полигонами.
Из стандартных последовательных интерфейсов в разрабатываемой аппаратуре использован интерфейс RS-232С и интерфейс RS-485. Первый используется для организации информационных потоков в пределах метеоплощадки и испытательных полигонов, а второй- для организации информационных потоков между устройством обработки информации, метеоплощадкой и испытательными полигонами. Наличие в составе центра программируемых модулей позволяет изменять как алгоритм измерений, так и состав измерительных средств, в том числе первичных измерительных преобразователей. При этом открывается возможность автоматического вычисления погрешностей результата каждого отдельного измерения, автоматической коррекции полученных данных с учетом требуемых поправок и допустимой погрешности. Пользуясь операторным подходом к оценке результирующих погрешностей, можно корректировать результат каждого измерения по эталону, подключенному к одному из аналоговых входов контроллера.
Устройство обработки информации инициирует процедуру сбора информации, посылая через com-порт и блок сопряжения RS-232/RS-485 управляющее слово в линию связи.
Управляющее слово, помимо адресной части, содержит команду, которая выбирает соответствующую подпрограмму, хранящуюся во внутренней памяти соответствующего контроллера.
В качестве источника метеопараметров применяется типовая метеостанция WS-2300, обмен информацией с которой выполняется по интерфейсу RS-232С.
Комбинированная метеостанция WS-2300 соответствует самым высоким требованиям. Используется для измерения температуры, влажности, скорости и направления ветра, осадков, давления. Внешние датчики по проводам передают результаты измерений на транслятор, который по радиоканалу (433 МГц) передает эти данные на головной блок метеостанции. При необходимости можно соединить транслятор с метеостанцией при помощи кабеля. В этом случае, датчики не требуют отдельного питания. Используя интерфейсный кабель и программное обеспечение, можно передавать результаты измерений в персональный компьютер. Для согласования работы метеостанции с процессором разработан специальный микропроцессорный модуль с программным обеспечением.
Разрабатываемый центр функционирует круглогодично и обеспечивает длительные синхронные измерения и регистрацию параметров окружающей среды, в том числе измерения температурного профиля почвы в 8 точках, влажности почвы, метеопараметров, солнечной радиации в трех диапазонах, газового состава воздуха, параметров биологических объектов и других параметров с привязкой их к временным и пространственным координатам.
В процессе проектирования центра мониторинга лесных экосистем были сформулированы основные алгоритмы оптимизации его структуры с целью получения приемлемых решений в зависимости от поставленных задач.
При проектировании большое внимание уделялось проблеме повышения достоверности измеряемой информации и снижения вероятностей возникновения нежелательных ситуаций. Этого можно достичь, если на разрабатываемую аппаратуру возложить функции самоконтроля, в результате чего она будет способна осуществлять тестовые проверки работоспособности и тем самым сохранять метрологические характеристики тракта прохождения входных сигналов, проверять достоверность результатов обработки информации, получаемой посредством измерительных преобразований.
Важным преимуществом разрабатываемого комплекса является его универсальность, возможность параллельного решения большого количества задач и увеличение числа измерительных каналов при небольшой стоимости комплекса. Это достигается благодаря применению современных микропроцессорных и компьютерных технологий и современных принципов проектирования высокопроизводительных вычислительных систем.
Разработанный центр мониторинга лесных экосистем будет важным средством при решении важнейших учебных и фундаментальных научных задач в области исследования лесных экосистем.