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

李碩明

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，提出了一種將傳感器技術(shù)與RFID標(biāo)簽技術(shù)相結(jié)合的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)綜合應(yīng)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(jìn)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(yù)警功能，該方法在森林資源監(jiān)測與防護(hù)方面具有重要的參考價值。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）05-00-03

0 引 言

我國森林資源較為豐富，森林覆蓋率達(dá)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(hù)的重要組成部分[1]。近年來利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)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(xué)依據(jù)[2]，將帶動巨大的生態(tài)效應(yīng)和社會效應(yīng)。在森林資源養(yǎng)護(hù)方面，王霓虹等將無線傳感探測網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(fēng)速風(fēng)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(yīng)用技術(shù)進(jìn)行林區(qū)病蟲害機理分析，將對病蟲害預(yù)測預(yù)報的準(zhǔn)確性提高到新的水平[4]。在森林火災(zāi)的監(jiān)測方面，陶佰睿等提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建森林防火控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)森林火災(zāi)信息采集與數(shù)據(jù)處理，為火災(zāi)防控提供技術(shù)支持和科學(xué)決策[5]。在林區(qū)山體滑坡災(zāi)情監(jiān)測及預(yù)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(yù)警系統(tǒng)，根據(jù)探測節(jié)點數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析并及時發(fā)布預(yù)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(biāo)簽，開發(fā)了木材運輸與管理物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)[7]。吳學(xué)明等提出了基于RFID標(biāo)簽技術(shù)的縣級木材運輸管理系統(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(yīng)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(yīng)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(xué)參數(shù)變化，以及通過氣象采集節(jié)點采集大氣壓力、風(fēng)速風(fēng)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(biāo)識和定位，精確標(biāo)識物品的產(chǎn)地和運輸?shù)刃畔?，進(jìn)而實現(xiàn)木材的追蹤與鑒別、木材的流通管理等綜合應(yīng)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(biāo)簽技術(shù)相結(jié)合的物聯(lián)網(wǎng)綜合應(yīng)用框架，提出一項操作性強、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(yīng)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(yīng)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(biāo)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(fù)責(zé)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(dāng)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?wù)器。在實際應(yīng)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(yīng)用層

應(yīng)用層面向用戶的服務(wù)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(wù)器將整個系統(tǒng)信息資源融合成一個可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程信息交換和探測節(jié)點控制的應(yīng)用平臺。監(jiān)控中心服務(wù)器能進(jìn)一步對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(yīng)應(yīng)用支撐平臺提供。簡而言之，應(yīng)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(yīng)用，發(fā)揮安全監(jiān)管和預(yù)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(dān)任感知輸入任務(wù)，負(fù)責(zé)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(fēng)速傳感器等。RFID電子標(biāo)簽通過標(biāo)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(fù)責(zé)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20～250 kb/s，能支持的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的理論上限達(dá)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 10m～75 m，因而在組網(wǎng)應(yīng)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(yīng)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(fēng)速風(fēng)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(fù)責(zé)無線探測節(jié)點網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，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(fēng)向與風(fēng)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(jìn)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，即將對應(yīng)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(dá)到節(jié)省能量消耗的目的。實際應(yīng)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(biāo)識和定位方面已有規(guī)?；瘧?yīng)用。林業(yè)資源管理中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要應(yīng)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(biāo)簽。電子標(biāo)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(biāo)簽和讀取器間傳遞信號并進(jìn)行傳輸。閱讀器讀取電子標(biāo)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3 傳輸層及應(yīng)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(wù)。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?？紤]到森林監(jiān)測的環(huán)境限制，實際應(yīng)用當(dāng)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)鍵技術(shù)不在本文中展開介紹。應(yīng)用層針對森林環(huán)境監(jiān)測平臺的技術(shù)應(yīng)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(jìn)行計算、分析和存儲，為用戶提供森林氣象分析、災(zāi)情分析與預(yù)警等一系列資源應(yīng)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(yuǎn)程控制和訪問的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)技術(shù)服務(wù)。

偏遠(yuǎn)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(yán)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(dāng)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(jìn)入休眠狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處于預(yù)警狀態(tài)時，系統(tǒng)用戶可以通過森林資源監(jiān)測平臺向特定探測節(jié)點或簇節(jié)點發(fā)起信息查詢操作獲取對應(yīng)節(jié)點的實時信息。當(dāng)未發(fā)生災(zāi)情預(yù)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(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)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架構(gòu)，采用B /S 模式進(jìn)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(wù)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、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(wù)器中保存，Web應(yīng)用系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中得到數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行展示和分析，進(jìn)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(dāng)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(yù)警信息，高亮度標(biāo)識潛在災(zāi)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(yù)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(zāi)情預(yù)警提供數(shù)據(jù)支撐。森林火險預(yù)警系統(tǒng)可以提供火險預(yù)警拓展信息服務(wù)，根據(jù)接收到的感知數(shù)據(jù)，依據(jù)風(fēng)速風(fēng)向和溫濕度等氣象指數(shù)、森林可燃物類型等綜合因素進(jìn)行計算分析。

4.1 探測節(jié)點的主要技術(shù)指標(biāo)

目前氣象探測節(jié)點主要技術(shù)指標(biāo)見表1所列，溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向、雨量等全方位氣象信息能對林區(qū)氣象狀況進(jìn)行全天候的監(jiān)測，進(jìn)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(yīng)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(jìn)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?wù)器，也可以由探測器接收并執(zhí)行服務(wù)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(yù)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(yīng)用前景。

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