一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的森林資源監(jiān)測系統(tǒng)

1、一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的森林資源監(jiān)測系統(tǒng)摘 要：近年來，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來構(gòu)建林業(yè)資源綜合監(jiān)測體系已逐步成為研究熱點。文中針對森林資源監(jiān)測的需求，提生了一種將傳感器技術(shù)與RFID標簽技術(shù)相結(jié)合的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)綜合應用框架，從而構(gòu)建了具有數(shù)據(jù)融合功能的森林環(huán)境因子監(jiān)測平臺。該系統(tǒng)結(jié)合ZigBee技術(shù)對探測節(jié)點進行硬件設(shè)計以實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)采集，并通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)精確采集森林環(huán)境及資源信息，結(jié)合RFID技術(shù)實現(xiàn)對貴重木材儲運過程的清點。整個平臺通過探測節(jié)點在林區(qū)環(huán)境下全方位多維度的精確感知能力，從而實現(xiàn)了針對森林環(huán)境信息的采集、分析、監(jiān)測、儲存及預警功能，該方法在森林資源監(jiān)測與防護方面具有重要的參考價值。關(guān)

2、鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)； 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； ZigBee； RFID；森林資源；監(jiān)測系統(tǒng)中圖分類號： TP393 文獻標識碼： A 文章編號：2095-1302 （2016） 05-00-030 引言我國森林資源較為豐富，森林覆蓋率達到全國總面積的百分之二十一，已成為我國經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護的重要組成部分 1 。 近年來利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行森林資源與生態(tài)環(huán)境的實時監(jiān)測可為森林可持續(xù)經(jīng)營提供科學依據(jù)2 ， 將帶動巨大的生態(tài)效應和社會效應。在森林資源養(yǎng)護方面，王霓虹等將無線傳感探測網(wǎng)絡(luò)應用到森林環(huán)境監(jiān)測平臺，實現(xiàn)了空氣溫濕度、光照強度、風速風向等森林環(huán)境因子數(shù)據(jù)的采集，通過數(shù)據(jù)的智能化分析，最終實現(xiàn)對森林

3、環(huán)境的智能監(jiān)測 3 。在林區(qū)病蟲害監(jiān)測技術(shù)方面，顧曉麗等通過物聯(lián)網(wǎng)應用技術(shù)進行林區(qū)病蟲害機理分析，將對病蟲害預測預報的準確性提高到新的水平4 。在森林火災的監(jiān)測方面，陶佰睿等提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標準構(gòu)建森林防火控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)森林火災信息采集與數(shù)據(jù)處理，為火災防控提供技術(shù)支持和科學決策 5 。在林區(qū)山體滑坡災情監(jiān)測及預警方面，陳煒峰等構(gòu)建了基于無線傳感探測節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的山體滑坡預警系統(tǒng)，根據(jù)探測節(jié)點數(shù)據(jù)進行計算分析并及時發(fā)布預警信息 6 。 在森林資源管理方面，孫立云通過在木材上安置RFID電子標簽，開發(fā)了木材運輸與管理物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng) 7 。 吳學明等提出了基于RFID標簽技術(shù)的縣級木材運輸管理

4、系統(tǒng)，實現(xiàn)木材運輸證的網(wǎng)絡(luò)化審批、查詢、統(tǒng)計功能并能及時掌握運材車輛的情況8 ?？v然物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在林業(yè)資源中的應用種類繁多，究其本質(zhì)而言，主要集中在基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息采集和基于RFID技術(shù)的定位與信息管理方面。一方面，通過物聯(lián)網(wǎng)應用技術(shù)采集林區(qū)空氣中的光照強度、溫度和濕度等信息，測試土壤的物理、化學參數(shù)變化，以及通過氣象采集節(jié)點采集大氣壓力、風速風向等氣象信息；另一方面，通過RFID技術(shù)實現(xiàn)對林業(yè)資源中動植物個體的標識和定位，精確標識物品的產(chǎn)地和運輸?shù)刃畔ⅲM而實現(xiàn)木材的追蹤與鑒別、木材的流 通管理等綜合應用。針對森林資源綜合管理的需求，本文提出了一種將傳感器技術(shù)與RFID標簽技術(shù)相結(jié)合的物聯(lián)

5、網(wǎng)綜合應用框架，提由一項操作性強、實用價值高，集數(shù)據(jù)處理與展示于一體的綜合平臺設(shè)計方案，能對森林資源的可持續(xù)發(fā)展起到保障作用，具有廣闊的應用前景。1 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，各層次的具體功能描述如下：圖 1 物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)架構(gòu)1.1 感知層感知層的主要功能是信息感知與采集。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有在林區(qū)環(huán)境下全方位多維度的精確感知能力，本系統(tǒng)主要有兩類信息的采集，分別為森林環(huán)境信息和林業(yè)資源信息。森林環(huán)境信息包括監(jiān)控點溫濕度、 光照強度、 降水量等信息。林業(yè)資源信息采集和管理方式主要是在木材上安裝RFID標簽，并通過RFID讀卡器獲取木材的儲運信息。1.2 網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層負

6、責上下兩層之間的數(shù)據(jù)通信，將從傳感器探測節(jié)點網(wǎng)絡(luò)采集到的信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。感知層獲取的信息在傳遞到網(wǎng)關(guān)之后有兩種傳輸途徑，當網(wǎng)關(guān)處在森林邊界處且有固定通信網(wǎng)絡(luò)接入時，優(yōu)選基于 Internet 的固網(wǎng)傳輸模式。其二是通過移動運營商的通信網(wǎng)絡(luò)將感知層采集的信息傳輸?shù)街行姆掌?。在實際應用中，森林資源遼闊，因而在大多數(shù)情形下還是采用基于 2G/3G 移動通信網(wǎng)絡(luò)的接入技術(shù)，有利于更便捷更經(jīng)濟地實現(xiàn)系統(tǒng)的信息傳遞。1.3 應用層應用層面向用戶的服務需求，為用戶提供信息查詢、分析和顯示的功能，并可通過互聯(lián)網(wǎng)連接的服務器將整個系統(tǒng)信息資源融合成一個可以實現(xiàn)遠程信息交換和探測節(jié)點控制的應用平臺。監(jiān)控中心

7、服務器能進一步對采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)智能化處理，主要包括匯聚、識別、轉(zhuǎn)換和分析，其中數(shù)據(jù)共享交換、GIS支撐平臺、內(nèi)容管理等功能由對應應用支撐平臺提供。簡而言之，應用層最主要的作用是實現(xiàn)對特定環(huán)境監(jiān)測的智能化應用，發(fā)揮安全監(jiān)管和預警作用。2 感知層關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備感知層是采集數(shù)據(jù)的部分，主要涉及傳感技術(shù)、嵌入式技術(shù)、RFID技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)?；趥鞲屑夹g(shù)的探測節(jié)點擔任感知輸入任務，負責數(shù)據(jù)采集工作，這是構(gòu)成系統(tǒng)關(guān)鍵功能的設(shè)備。通常涉及到探測感知的器件主要包括溫度傳感器、濕度傳感器、氣體濃度、風速傳感器等。 RFID 電子標簽通過標注和自動識別實現(xiàn)對木材儲運物流的智能化管理。2.1 ZigBee探測

8、節(jié)點探測節(jié)點根據(jù)探測需要分散安裝在監(jiān)測區(qū)域的重要位置，主要負責對森林環(huán)境數(shù)據(jù)和資源數(shù)據(jù)的采集，并基于ZigBee技術(shù)構(gòu)成無線傳感探測節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，位于同網(wǎng)絡(luò)簇內(nèi)的節(jié)點以互聯(lián)互通的組織協(xié)作方式實現(xiàn)節(jié)點之間的即時通信9。ZigBee技術(shù)是一種低速率的短距離信息傳輸方式，具有成本低廉、可靠安全等優(yōu)點。ZigBee頻段范圍為20250 kb/s,能支持的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的理論上限達到 64 000 個， 其介質(zhì)訪問控制層(Media Access Control, MAC)采用載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測協(xié)議，能高效查詢傳輸介質(zhì)是否空閑，并選在介質(zhì)空閑時發(fā)送信息，有效控制沖突發(fā)生概率。傳輸范圍一般為10m75 m,

9、因而在組網(wǎng)應用中任意兩相鄰簇節(jié)點的直線距離須在 75 m 之內(nèi)。在森林資源監(jiān)測的實際應用中，需要大面積安裝各種類型的探測節(jié)點， 通過 ZigBee 技術(shù)構(gòu)成自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而能夠全方位多維度地獲取森林環(huán)境中的重要信息，實現(xiàn)高效采集、及時傳輸?shù)奶綔y目的。探測節(jié)點主要有數(shù)據(jù)采集、處理、中轉(zhuǎn)和上傳四種功能，通過模塊化設(shè)計，可分解成采集信息模塊、處理信息模塊、傳輸信息模塊和電源模塊四部分。在本課題的森林資源監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感器模塊中使用溫濕度數(shù)字傳感器HM1350、氣體濃度傳感器50L， 而風速風向傳感器則使用PHWS/WD 實現(xiàn)對環(huán)境因子的采集，信息處理單元中的微處理芯片使用MSP430。探測節(jié)點

10、結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，各部分的功能如下所述： （ 1 ）信息采集模塊負責無線探測節(jié)點網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集任務，其電路部分主要包括信號采樣子電路、放大子電路和信號保持子電路等，把傳感器或者傳感器電路采集到的信號轉(zhuǎn)化為供微處理芯片處理的數(shù)字信號。本系統(tǒng)中的信息采集器件主要包括溫度濕度與光照強度、大氣壓力、風向與風速以及煙霧濃度等環(huán)境監(jiān)測高精度傳感器。（ 2）信息處理模塊主要包括微處理芯片和相關(guān)外圍電路。其作用主要包括將來自采集模塊的信息進行計算與分析、能耗控制，將運算結(jié)果包裝成數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)狡渌貎?nèi)節(jié)點或傳輸層通訊網(wǎng)絡(luò)。（ 3）通信模塊的作用是實現(xiàn)探測節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，實現(xiàn)節(jié)點之間的即時信息傳送，

11、即將對應森林氣象要素和資源要素的信息在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中按協(xié)議傳輸。（ 4）電源模塊的作用是向其它模塊提供能量供給，并盡可能達到節(jié)省能量消耗的目的。實際應用探測節(jié)點的電源通常由電池提供，因而整個系統(tǒng)信息傳輸?shù)墓?jié)能化尤為重要。圖 2 探測節(jié)點結(jié)構(gòu)圖2.2 無源RFID識別系統(tǒng)RFID （ Radio Frequency Identification , RFID）技術(shù)在物資標識和定位方面已有規(guī)?；瘧?。林業(yè)資源管理中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要應用在木材存儲和運輸過程的清點和統(tǒng)計分析上，通過自動識別建立緊密的邏輯聯(lián)系，實現(xiàn)對木材信息的智能化管理。無源RFID識別系統(tǒng)可分為三個部分，即閱讀器、天線和電子標簽。電子標

12、簽具有獨一無二的編碼，附著在物品上以自動辨識并追蹤該物品。天線用于在標簽和讀取器間傳遞信號并進行傳輸。閱讀器讀取電子標簽內(nèi)的特定編碼信息，并將編碼信息傳送至后臺系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理。3 傳輸層及應用層關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備傳輸層位于物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)的中間一層，通常建立在現(xiàn)有移動運營商的公共通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上，用以提供及時可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務。傳輸層的接入方式既包括有線通信方式，如基于 Internet 的固網(wǎng)通信方式，也包括無線通信方式如WiFi、 2G/3G 移動通信網(wǎng)絡(luò)等。 考慮到森林監(jiān)測的環(huán)境限制，實際應用當中傳輸層選用 2G/3G 移動通信技術(shù)接入互聯(lián)網(wǎng)。因傳輸部分直接使用現(xiàn)有移動運營商的網(wǎng)絡(luò)，故其關(guān)鍵

13、技術(shù)不在本文中展開介紹。應用層針對森林環(huán)境監(jiān)測平臺的技術(shù)應用，將感知層通過移動通信網(wǎng)絡(luò)傳輸過來的森林環(huán)境數(shù)據(jù)進行計算、分析和存儲，為用戶提供森林氣象分析、災情分析與預警等一系列資源應用功能，并可集合大數(shù)據(jù)分析通過云計算信息交互平臺來實現(xiàn)基于遠程控制和訪問的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)技術(shù)服務。偏遠地帶的探測節(jié)點的電源由電池提供，在信息傳輸步驟中將消耗大量電能，嚴重影響探測節(jié)點的電池使用壽命，因此必須配置合理的訪問控制策略，合理限定接受探測節(jié)點數(shù)據(jù)的時間間隔和頻率。一種合理可行的訪問策略就是僅當需要采集數(shù)據(jù)時才喚醒探測節(jié)點，采集完畢之后探測節(jié)點就自動進入休眠狀態(tài)。當系統(tǒng)處于預警狀態(tài)時，系統(tǒng)用戶可以通過森林資源監(jiān)測

14、平臺向特定探測節(jié)點或簇節(jié)點發(fā)起信息查詢操作獲取對應節(jié)點的實時信息。當未發(fā)生災情預警時，探測節(jié)點不頻繁發(fā)出實時數(shù)據(jù)，降低節(jié)點能耗及移動網(wǎng)絡(luò)流量費用，從而實現(xiàn)節(jié)能目的。4 監(jiān)測平臺功能設(shè)計及系統(tǒng)功能驗證森林環(huán)境監(jiān)測平臺將遠程數(shù)據(jù)服務器中的數(shù)據(jù)庫信息綜合處理，將運算后的決策信息可視化地向系統(tǒng)用戶呈現(xiàn)。本系統(tǒng)基于J2EE構(gòu)，采用B /S模式進行開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用 Oracle 實現(xiàn)了交互式網(wǎng)站查詢綜合服務功能。 平臺功能參考行業(yè)主流監(jiān)測系統(tǒng)功能設(shè)計，主要分為監(jiān)測數(shù)據(jù)實時查詢、數(shù)據(jù)變化對比曲線、基于位置監(jiān)測點狀態(tài)顯示、監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)異常報警等10。系統(tǒng)結(jié)合 WebGIS平臺顯示傳感器節(jié)點的地理位置，具備界面友好

15、、美觀，易于操作等特點。將采集的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫服務器中保存， Web 應用系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫服務器中得到數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行展示和分析，進而能夠查詢歷史記錄獲取森林監(jiān)測環(huán)境的一系列環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。當探測節(jié)點監(jiān)測數(shù)據(jù)超過設(shè)定閾值時，系統(tǒng)將及時向終端用戶發(fā)出預警信息，高亮度標識潛在災情范圍。林區(qū)工作人員可以結(jié)合GPS定位裝置迅速趕赴預警地點。同時基于環(huán)境數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析也可以為災情預警提供數(shù)據(jù)支撐。森林火險預警系統(tǒng)可以提供火險預警拓展信息服務，根據(jù)接收到的感知數(shù)據(jù)，依據(jù)風速風向和溫濕度等氣象指數(shù)、森林可燃物類型等綜合因素進行計算分析。4.1 探測節(jié)點的主要技術(shù)指標目前氣象探測節(jié)點主要技術(shù)指標見表1 所列，溫濕度

16、、風速風向、雨量等全方位氣象信息能對林區(qū)氣象狀況進行全天候的監(jiān)測，進而實現(xiàn)對指定區(qū)域的精確氣象情景的獲取。4.2 基于層次劃分的多路由樹傳輸策略基于層次劃分的簇頭多路由樹傳輸策略，以匯聚節(jié)點(Sink)為圓心，按照一定的距離范圍將整個網(wǎng)絡(luò)劃分成不同扇區(qū)， 簇頭由于其地理位置分布在不同扇區(qū)， 在簇頭和 Sink之間建立了一個以Sink為根的多路由樹。圖3所示是基于層次劃分的簇頭多路由樹。在路由建立過程中綜合考慮下一跳簇頭的能耗距離。簇頭收集并處理本簇數(shù)據(jù)，將根據(jù)傳輸距離及所在區(qū)域探測節(jié)點密度選擇不同的傳輸策略，即最低傳輸成本策略和能量平衡策略。與傳統(tǒng)路由樹數(shù)據(jù)傳送策略相比，基于層次劃分的簇頭多路

17、由樹傳輸策略具有穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸性能，在延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的基礎(chǔ)上節(jié)約探測節(jié)點電源功耗，從而滿足森林條件下對環(huán)境信息的有效采集。圖 3 基于層次劃分的簇頭多路由樹5 結(jié)語本文針對森林資源監(jiān)測需求提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，構(gòu)建了具有數(shù)據(jù)融合功能的森林環(huán)境因子監(jiān)測平臺。 該系統(tǒng)結(jié)合ZigBee 技術(shù)對探測節(jié)點進行硬件設(shè)計實現(xiàn)了高效的數(shù)據(jù)采集，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)精確采集森林環(huán)境及資源信息，結(jié)合RFID技術(shù)能實現(xiàn)對貴重木材儲運過程的清點。數(shù)據(jù)傳輸部分結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通過移動通信網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)。資源監(jiān)測平臺能實時監(jiān)測指定森林區(qū)域全方位多維度的環(huán)境信息，將制定探測器的信息傳輸?shù)椒掌?，也?/p>

18、以由探測器接收并執(zhí)行服務器端傳送來的指令。整個系統(tǒng)平臺實現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的森林環(huán)境信息采集、分析、監(jiān)測、儲存及預警功能，能對森林資源的可持續(xù)發(fā)展起到保障作用，具有廣闊的應用前景。參考文獻1譚三清， 王湘衡， 肖維， 等 .基于復雜網(wǎng)絡(luò)的森林健康評價研究J.中南林業(yè)科技大學學報（自然科學版） ，2015, 35（ 8） ： 13-16.2楚春暉，佘濟云，陳冬洋.基于 SOM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的五指山市森林健康評價J.中南林業(yè)科技大學學報（自然科學版）2015， 35（ 10） ： 69-73.3 王霓虹， 戴巍， 楊英奎.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的森林環(huán)境因子監(jiān)測平臺研建J.森林工程，2015, 31 (2): 103-107.4顧曉麗， 潘潔， 張衡， 等 .基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的我國森林病蟲害監(jiān)測研究進展J.世界林業(yè)研究，2015, 28 (2): 48-53.5 陶佰睿， 張藝弛， 苗鳳娟， 等 .基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)森林火災防控系統(tǒng)設(shè)計J.東北林業(yè)大學學報，2014,42(8):142-144.6 陳煒峰， 席萬強， 周峰，等 .基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的山體滑坡監(jiān)測及預警系統(tǒng)設(shè)計J.電子器件，2014,37 (2):279-282.7孫立云.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在木材管理領(lǐng)域的應用J.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)， 2013， 3( 2