物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用研究綜述*

薛 亮， 黃 新， 任 超

(1.南京林業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；3.江蘇省科學(xué)技術(shù)館，江蘇 南京 210013)

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)是將信息傳感設(shè)備，如無(wú)線傳感、射頻識(shí)別、激光掃描以及全球定位等，按約定協(xié)議將物品與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合在一起所形成一個(gè)新的智能網(wǎng)絡(luò)，把物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的網(wǎng)絡(luò)，具有滲透性強(qiáng)、帶動(dòng)作用大、綜合效益好的特點(diǎn)。對(duì)提升社會(huì)管理和公共服務(wù)水平，帶動(dòng)相關(guān)學(xué)科發(fā)展和增強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新能力，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和發(fā)展方式轉(zhuǎn)變具有重要意義。

我國(guó)已將物聯(lián)網(wǎng)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要內(nèi)容，并進(jìn)行了明確部署。2011年，國(guó)家林業(yè)局被列為首批國(guó)家物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范部委之一，有力地促進(jìn)了林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)與應(yīng)用。為推動(dòng)林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)健康有序發(fā)展，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與林業(yè)相關(guān)業(yè)務(wù)高度融合，有力支撐林業(yè)資源監(jiān)管、營(yíng)造林業(yè)管理、林業(yè)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、林業(yè)生態(tài)監(jiān)測(cè)、林業(yè)產(chǎn)業(yè)、林產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)管等各類業(yè)務(wù)[1]。目前，林業(yè)信息化基礎(chǔ)設(shè)施條件有了改善，信息采集和傳輸能力明顯增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域、集成化、規(guī)?；奈锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用，推動(dòng)林業(yè)智能化持續(xù)快速發(fā)展。

1 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)概述

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用越來(lái)越多，特別是在智慧城市、工業(yè)、安防、交通等領(lǐng)域，都取得較好的成就,其相關(guān)技術(shù)的難點(diǎn)也越來(lái)越高。要推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)更好地發(fā)展，必須從低功耗、高效率、安全性等方面出發(fā)，以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用變得更加重要、更加嚴(yán)格。

1.1 射頻識(shí)別技術(shù)

一種通信技術(shù)，可通過(guò)無(wú)線電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫(xiě)相關(guān)數(shù)據(jù)，而無(wú)需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸。其相當(dāng)于物聯(lián)網(wǎng)的“嘴巴”，負(fù)責(zé)讓物體說(shuō)話。射頻識(shí)別(radio frequency identification,RFID)主要的表現(xiàn)形式就是RFID標(biāo)簽，具有抗干擾性強(qiáng)、識(shí)別速度快、安全性高、數(shù)據(jù)容量大等優(yōu)點(diǎn);主要工作頻率有低頻、高頻以及超高頻。

1.2 傳感器技術(shù)

能感受規(guī)定的被測(cè)量，例如溫濕度、電壓、電流，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào);相當(dāng)于物聯(lián)網(wǎng)的“耳朵”，負(fù)責(zé)接收物體“說(shuō)話”的內(nèi)容,例如應(yīng)用于生活中空調(diào)制冷劑液位的精確控制、數(shù)字醫(yī)療捕捉電壓信號(hào)等。其技術(shù)難點(diǎn)在于惡劣環(huán)境的考驗(yàn)，當(dāng)受到自然環(huán)境中溫度等因素的影響，會(huì)引起傳感器零點(diǎn)漂移和靈敏度的變化。

1.3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

當(dāng)物體與物體“交流”時(shí)，就需要高速、可進(jìn)行大批量數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的速度決定了設(shè)備連接的速度和穩(wěn)定性。若無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的速率太低，就會(huì)出現(xiàn)設(shè)備反應(yīng)滯后或者連接失敗等問(wèn)題。目前，使用的大部分網(wǎng)絡(luò)屬于4G，5G作為第五代移動(dòng)通信技術(shù)，將把移動(dòng)市場(chǎng)推到一個(gè)全新的高度，而物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也因其得到很大的突破。

1.4 人工智能技術(shù)

研究、開(kāi)發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。人工智能(artificial intelligence,AI)雖然也是現(xiàn)在熱門研究之一，但與物聯(lián)網(wǎng)密不可分，AI技術(shù)相當(dāng)于物聯(lián)網(wǎng)的“大腦”，負(fù)責(zé)學(xué)習(xí)與思考，研究領(lǐng)域有智能機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與應(yīng)用、 工業(yè)過(guò)程建模與智能控制、機(jī)器翻譯、知識(shí)發(fā)現(xiàn)與機(jī)器學(xué)習(xí)等。

1.5 云計(jì)算技術(shù)

將一些相關(guān)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)發(fā)展融合在一起的產(chǎn)物，提供動(dòng)態(tài)的可伸縮的虛擬化資源的計(jì)算模式，具有十分強(qiáng)大的計(jì)算能力，高達(dá)每秒10萬(wàn)億次的運(yùn)算能力，可以模擬核爆炸、預(yù)測(cè)氣候變化和市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)它也具有超強(qiáng)的存儲(chǔ)能力，同樣相當(dāng)于物聯(lián)網(wǎng)的“大腦”，具有計(jì)算和存儲(chǔ)能力。如今物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展速度飛快，這五大關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展變得尤其重要，發(fā)揮各項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，突破技術(shù)的相關(guān)難點(diǎn)，從而帶來(lái)物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

2.1 林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的總體架構(gòu)

林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)[1]包括3個(gè)層次、2個(gè)體系。3個(gè)層次分別為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層(包括應(yīng)用支撐子層和應(yīng)用子層);2個(gè)體系分別為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、安全與綜合管理體系。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的研究，主要集中在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在木材運(yùn)輸及管理、林產(chǎn)品物流、林產(chǎn)品信息系統(tǒng)、智慧林業(yè)等領(lǐng)域，但以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與林業(yè)相關(guān)產(chǎn)品運(yùn)輸、林產(chǎn)品信息系統(tǒng)及管理、智慧林業(yè)等方面較多，下面就這三個(gè)方面進(jìn)行綜述。

2.2.1 林業(yè)相關(guān)產(chǎn)品運(yùn)輸領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，出現(xiàn)了各種感知技術(shù)。因此，需要引入一種快速感知木材及相關(guān)林產(chǎn)品數(shù)量的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，這樣能夠提高監(jiān)管效率，加強(qiáng)監(jiān)管力度，特別是保證了運(yùn)輸檢查的透明度。文獻(xiàn)[2,3]利用基于北斗技術(shù)的云端軌跡檢查和基于物聯(lián)網(wǎng)的圖像識(shí)別技術(shù)，設(shè)計(jì)了木材運(yùn)輸軌跡儀以及分析木材運(yùn)輸車輛的堆壘面照片，這類技術(shù)的開(kāi)發(fā)，能有效降低林區(qū)運(yùn)輸執(zhí)法檢查的成本，打擊各類軌跡類木材違法運(yùn)輸行為，也可用于各檢查點(diǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的相互比對(duì)，從而發(fā)現(xiàn)半途非法運(yùn)輸木材的行為，實(shí)現(xiàn)木材運(yùn)輸全電子監(jiān)督管理[2,3]。

在木材采伐運(yùn)輸過(guò)程中，必須經(jīng)歷木材檢尺和運(yùn)輸證辦理等流程管理，通過(guò)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)采集并處理伐區(qū)現(xiàn)場(chǎng)的木材檢尺數(shù)據(jù)，提高林業(yè)站點(diǎn)辦理運(yùn)輸證的效率，同時(shí)能夠提供木材數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)、對(duì)賬、分析等功能[4]。另外，在木材運(yùn)輸和管理過(guò)程中，往往會(huì)存在著亂砍濫伐、偷伐、少批多伐、偷卸木材、執(zhí)法不嚴(yán)、信息化管理水平不高等問(wèn)題，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)林區(qū)內(nèi)的木材砍伐、切割成圓木、進(jìn)出林場(chǎng)、儲(chǔ)木場(chǎng)，最后進(jìn)行運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程進(jìn)行全程監(jiān)管，大幅提高林區(qū)作業(yè)效率，提升木材的監(jiān)管水平[5]。

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和Web技術(shù)的結(jié)合，也可以針對(duì)目前木材運(yùn)輸管理中存在的問(wèn)題，提出物聯(lián)網(wǎng)木材運(yùn)輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，在此模型基礎(chǔ)上可以設(shè)計(jì)一系列系統(tǒng)功能，從而提高木材運(yùn)輸管理水平[6]。

2.2.2 林產(chǎn)品信息系統(tǒng)及管理應(yīng)用現(xiàn)狀

林業(yè)信息化是現(xiàn)代林業(yè)科學(xué)發(fā)展的支柱和目標(biāo)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與成熟，必將極大提高林業(yè)信息化的水平和程度。

為了有效打擊過(guò)度砍伐、私運(yùn)及收購(gòu)木材，文獻(xiàn)[7]引入了物聯(lián)網(wǎng)中的射頻集成電路技術(shù)RFIC，研發(fā)了一種木材產(chǎn)品物流管理系統(tǒng)，能夠適應(yīng)當(dāng)前中國(guó)林區(qū)信息通訊困難的現(xiàn)狀，將木材相關(guān)物流信息存入RFIC卡，隨車同行，同時(shí)還具有一定的加密能力，防止數(shù)據(jù)被篡改而造成的偽造木材運(yùn)輸單的行為[7]。

作為物聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，RFID技術(shù)在林產(chǎn)品信息系統(tǒng)中的應(yīng)用非常廣泛。RFID電子標(biāo)簽信息采集和識(shí)別系統(tǒng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、RFID電子標(biāo)簽讀寫(xiě)器構(gòu)成的現(xiàn)代木材管理系統(tǒng)，可以分析木材入庫(kù)、出庫(kù)、庫(kù)存盤點(diǎn)流程和管理程序，實(shí)現(xiàn)木材出入庫(kù)和庫(kù)存盤點(diǎn)的自動(dòng)化和智能化，并能提高木材倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中的準(zhǔn)確率[8,9]。同時(shí)，對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)的木材管理系統(tǒng)體系、功能結(jié)構(gòu)以及工作流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)木材管理系統(tǒng)的智能化識(shí)別、跟蹤和監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)木材的集約化和現(xiàn)代化管理[10]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與木材等相關(guān)林產(chǎn)品物流信息的結(jié)合，也是很多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[11]將林產(chǎn)品物流與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，讓林產(chǎn)品攜帶含EPC代碼的射頻識(shí)別標(biāo)簽，達(dá)到對(duì)林產(chǎn)品從采伐到銷售整個(gè)過(guò)程的有效監(jiān)管，從而解決長(zhǎng)期以來(lái)因?yàn)樾畔㈤]塞，產(chǎn)品積壓等導(dǎo)致林產(chǎn)品質(zhì)量等級(jí)下降，成本增高的問(wèn)題[11]。另外，通過(guò)引入物聯(lián)網(wǎng)解決方案，利用彩信技術(shù)拍攝檢尺圖像、RFID技術(shù)抓拍運(yùn)輸圖像、通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)技術(shù)GPRS實(shí)現(xiàn)無(wú)線遠(yuǎn)程通訊，指揮中心只要對(duì)比圖像，就可以監(jiān)管大面積的木材物流過(guò)程[12]。文獻(xiàn)[13]通過(guò)建立傳感器、通信網(wǎng)絡(luò)、人工智能三大技術(shù)體系的框架，分析了林業(yè)物流中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)狀，同時(shí)還涉及到了物聯(lián)網(wǎng)在木材倉(cāng)儲(chǔ)、運(yùn)輸、林產(chǎn)品物流等方面的應(yīng)用實(shí)例及發(fā)展趨勢(shì)[13]。

為了應(yīng)對(duì)國(guó)際綠色貿(mào)易壁壘，我們不僅要提高林產(chǎn)品質(zhì)量，更應(yīng)建立基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的林產(chǎn)品物流追溯系統(tǒng)。現(xiàn)在已經(jīng)有了以近距離無(wú)線通訊技術(shù)NFC為快速追溯技術(shù)，搭建林產(chǎn)品追溯系統(tǒng)網(wǎng)站，消費(fèi)者可以通過(guò)手機(jī)NFC軟件識(shí)別林產(chǎn)品上的RFIC卡，并點(diǎn)擊相應(yīng)地網(wǎng)址鏈接到網(wǎng)站查看詳情，實(shí)現(xiàn)自主快速追溯查詢[14]。

物聯(lián)網(wǎng)在林業(yè)信息應(yīng)用領(lǐng)域也出現(xiàn)了新方向，對(duì)木材干燥及木材含水率的研究有了總體設(shè)計(jì)思路和一些技術(shù)要點(diǎn)。文獻(xiàn)[15,16]是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在木材干燥中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的木材干燥監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并介紹了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件資源。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)、在線、精確獲取干燥窯各類環(huán)境參數(shù)[15,16]。木材含水率信息是工業(yè)木制品發(fā)展的重要因素，文獻(xiàn)[17]提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的木材含水率測(cè)量與監(jiān)測(cè)新方法，對(duì)捕獲的值執(zhí)行實(shí)時(shí)可視化及永久存儲(chǔ)，從而了解用戶關(guān)于木材狀況的信息[17]。

2.2.3 智慧林業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀

2013年8月26日，國(guó)家林業(yè)局印發(fā)了《中國(guó)智慧林業(yè)發(fā)展指導(dǎo)意見(jiàn)》的通知，旨在推動(dòng)包括物聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的相關(guān)技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧林業(yè)物流系統(tǒng)能夠提高林業(yè)物流效率，降低物流成本，減少林業(yè)物流系統(tǒng)碳排放量，提升木材產(chǎn)品的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

文獻(xiàn)[18]重點(diǎn)介紹了國(guó)內(nèi)在RFID車輛識(shí)別與抓拍、機(jī)器視覺(jué)木材運(yùn)輸量識(shí)別、二維碼運(yùn)輸執(zhí)法監(jiān)查和GPS車輛行為監(jiān)查等物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)在林業(yè)應(yīng)用研究中的進(jìn)展，并提出智能可追溯系統(tǒng)、物流過(guò)程的可視化智能管理系統(tǒng)、智能化的企業(yè)物流配送中心和多種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成應(yīng)用于智慧林業(yè)物流系統(tǒng)等，這些都將成為我國(guó)在本領(lǐng)域的研究方向[18]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于推動(dòng)林業(yè)智能化有著重要的作用，在林業(yè)信息化當(dāng)中的應(yīng)用已取得了不小的突破，利用其在林業(yè)信息采集與處理中的相關(guān)應(yīng)用，可以充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)的重要作用[19,20]。同時(shí)，文獻(xiàn)[21]提出為了做好林業(yè)信息的搜集、獲取、分析以及管理，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到林業(yè)的信息化管理中, 借助多功能網(wǎng)絡(luò)與云計(jì)算平臺(tái)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)的信息決策，充分發(fā)揮林業(yè)的價(jià)值，對(duì)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)與生態(tài)環(huán)境之間的和諧有著重要的推動(dòng)作用[21]。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入茶葉物聯(lián)網(wǎng)、林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，為智慧農(nóng)林物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的拓展也提供了新的思路[22]。另外，還要關(guān)注到，未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在林業(yè)智能化中的發(fā)展也會(huì)像現(xiàn)在眾多農(nóng)產(chǎn)品中的應(yīng)用一樣普及[23]。

基于物聯(lián)網(wǎng)、3G和3D GIS的森林監(jiān)測(cè)傳感系統(tǒng)的森林信息采集，在現(xiàn)代智慧林業(yè)建設(shè)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、無(wú)線多媒體傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程等關(guān)鍵問(wèn)題，這些都為實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、自動(dòng)、遠(yuǎn)程地獲取林業(yè)綜合信息，實(shí)現(xiàn)智慧林業(yè)奠定基礎(chǔ)[24]。

近年來(lái)，國(guó)外還有利用預(yù)測(cè)控制模型來(lái)改善哥倫比亞油棕種植園灌溉系統(tǒng)的計(jì)劃。該模型將來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)的天氣預(yù)報(bào)作為一個(gè)新的變量，用于控制模型中，以在決定作物是否應(yīng)該灌溉時(shí)加以考慮。土壤濕度傳感器用于驗(yàn)證決策是否正確，并將作物保持在所需的土壤濕度范圍內(nèi)。以物聯(lián)網(wǎng)作為一項(xiàng)重要的技術(shù)，使得種植園有更好的生產(chǎn)力，這些都將是智慧林業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)[25]。

3 結(jié)束語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的集成和綜合運(yùn)用，具有滲透性強(qiáng)、帶動(dòng)作用大、綜合效益好的特點(diǎn)。通過(guò)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)林業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)中存在的問(wèn)題，并采取針對(duì)性的措施，有利于促進(jìn)林業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)向智能化、精細(xì)化、網(wǎng)絡(luò)化方向轉(zhuǎn)變，對(duì)于提高林業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的信息化水平、運(yùn)輸效率、運(yùn)輸過(guò)程及其他生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)管力度等具有重要意義。因此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在林業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)管理中的應(yīng)用具有廣闊的前景，能夠促進(jìn)我國(guó)林業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。