1、一種基于物聯網技術的森林資源監測系統摘 要：近年來，利用物聯網技術來構建林業資源綜合監測體系已逐步成為研究熱點。文中針對森林資源監測的需求，提生了一種將傳感器技術與RFID標簽技術相結合的物聯網技術綜合應用框架，從而構建了具有數據融合功能的森林環境因子監測平臺。該系統結合ZigBee技術對探測節點進行硬件設計以實現高效的數據采集，并通過無線傳感器網絡精確采集森林環境及資源信息，結合RFID技術實現對貴重木材儲運過程的清點。整個平臺通過探測節點在林區環境下全方位多維度的精確感知能力，從而實現了針對森林環境信息的采集、分析、監測、儲存及預警功能，該方法在森林資源監測與防護方面具有重要的參考價值。關

2、鍵詞： 物聯網技術； 無線傳感器網絡； ZigBee； RFID；森林資源；監測系統中圖分類號： 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，已成為我國經濟發展和環境保護的重要組成部分 1 。 近年來利用物聯網技術進行森林資源與生態環境的實時監測可為森林可持續經營提供科學依據2 ， 將帶動巨大的生態效應和社會效應。在森林資源養護方面，王霓虹等將無線傳感探測網絡應用到森林環境監測平臺，實現了空氣溫濕度、光照強度、風速風向等森林環境因子數據的采集，通過數據的智能化分析，最終實現對森林

3、環境的智能監測 3 。在林區病蟲害監測技術方面，顧曉麗等通過物聯網應用技術進行林區病蟲害機理分析，將對病蟲害預測預報的準確性提高到新的水平4 。在森林火災的監測方面，陶佰睿等提出了基于物聯網技術標準構建森林防火控制系統，可以實現森林火災信息采集與數據處理，為火災防控提供技術支持和科學決策 5 。在林區山體滑坡災情監測及預警方面，陳煒峰等構建了基于無線傳感探測節點網絡的山體滑坡預警系統，根據探測節點數據進行計算分析并及時發布預警信息 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，開發了木材運輸與管理物聯網應用系統 7 。 吳學明等提出了基于RFID標簽技術的縣級木材運輸管理

4、系統，實現木材運輸證的網絡化審批、查詢、統計功能并能及時掌握運材車輛的情況8 。縱然物聯網技術在林業資源中的應用種類繁多，究其本質而言，主要集中在基于傳感器網絡的信息采集和基于RFID技術的定位與信息管理方面。一方面，通過物聯網應用技術采集林區空氣中的光照強度、溫度和濕度等信息，測試土壤的物理、化學參數變化，以及通過氣象采集節點采集大氣壓力、風速風向等氣象信息；另一方面，通過RFID技術實現對林業資源中動植物個體的標識和定位，精確標識物品的產地和運輸等信息，進而實現木材的追蹤與鑒別、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與RFID標簽技術相結合的物聯

5、網綜合應用框架，提由一項操作性強、實用價值高，集數據處理與展示于一體的綜合平臺設計方案，能對森林資源的可持續發展起到保障作用，具有廣闊的應用前景。1 物聯網監測系統總體架構物聯網體系結構如圖 1 所示，各層次的具體功能描述如下：圖 1 物聯網應用系統架構1.1 感知層感知層的主要功能是信息感知與采集。無線傳感器網絡具有在林區環境下全方位多維度的精確感知能力，本系統主要有兩類信息的采集，分別為森林環境信息和林業資源信息。森林環境信息包括監控點溫濕度、 光照強度、 降水量等信息。林業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 網絡層網絡層負

6、責上下兩層之間的數據通信，將從傳感器探測節點網絡采集到的信息傳輸到數據中心。感知層獲取的信息在傳遞到網關之后有兩種傳輸途徑，當網關處在森林邊界處且有固定通信網絡接入時，優選基于 Internet 的固網傳輸模式。其二是通過移動運營商的通信網絡將感知層采集的信息傳輸到中心服務器。在實際應用中，森林資源遼闊，因而在大多數情形下還是采用基于 2G/3G 移動通信網絡的接入技術，有利于更便捷更經濟地實現系統的信息傳遞。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，并可通過互聯網連接的服務器將整個系統信息資源融合成一個可以實現遠程信息交換和探測節點控制的應用平臺。監控中心

7、服務器能進一步對采集到的數據進行數據智能化處理，主要包括匯聚、識別、轉換和分析，其中數據共享交換、GIS支撐平臺、內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對特定環境監測的智能化應用，發揮安全監管和預警作用。2 感知層關鍵技術及設備感知層是采集數據的部分，主要涉及傳感技術、嵌入式技術、RFID技術等關鍵技術。基于傳感技術的探測節點擔任感知輸入任務，負責數據采集工作，這是構成系統關鍵功能的設備。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對木材儲運物流的智能化管理。2.1 ZigBee探測

8、節點探測節點根據探測需要分散安裝在監測區域的重要位置，主要負責對森林環境數據和資源數據的采集，并基于ZigBee技術構成無線傳感探測節點網絡，位于同網絡簇內的節點以互聯互通的組織協作方式實現節點之間的即時通信9。ZigBee技術是一種低速率的短距離信息傳輸方式，具有成本低廉、可靠安全等優點。ZigBee頻段范圍為20250 kb/s,能支持的網絡節點的理論上限達到 64 000 個， 其介質訪問控制層(Media Access Control, MAC)采用載波監聽多路訪問/沖突檢測協議，能高效查詢傳輸介質是否空閑，并選在介質空閑時發送信息，有效控制沖突發生概率。傳輸范圍一般為10m75 m,

9、因而在組網應用中任意兩相鄰簇節點的直線距離須在 75 m 之內。在森林資源監測的實際應用中，需要大面積安裝各種類型的探測節點， 通過 ZigBee 技術構成自組織傳感器網絡，從而能夠全方位多維度地獲取森林環境中的重要信息，實現高效采集、及時傳輸的探測目的。探測節點主要有數據采集、處理、中轉和上傳四種功能，通過模塊化設計，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測系統中，傳感器模塊中使用溫濕度數字傳感器HM1350、氣體濃度傳感器50L， 而風速風向傳感器則使用PHWS/WD 實現對環境因子的采集，信息處理單元中的微處理芯片使用MSP430。探測節點

10、結構如圖 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點網絡范圍內的數據采集任務，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化為供微處理芯片處理的數字信號。本系統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境監測高精度傳感器。（ 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，將運算結果包裝成數據幀傳輸到其他簇內節點或傳輸層通訊網絡。（ 3）通信模塊的作用是實現探測節點的數據發送與接收，實現節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絡中按協議傳輸。（ 4）電源模塊的作用是向其它模塊提供能量供給，并盡可能達到節省能量消耗的目的。實際應用探測節點的電源通常由電池提供，因而整個系統信息傳輸的節能化尤為重要。圖 2 探測節點結構圖2.2 無源RFID識別系統RFID （ Radio Frequency Identification , RFID）技術在物資標識和定位方面已有規模化應用。林業資源管理中物聯網技術主要應用在木材存儲和運輸過程的清點和統計分析上，通過自動識別建立緊密的邏輯聯系，實現對木材信息的智能化管理。無源RFID識別系統可分為三個部分，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的特定編碼信息，并將編碼信息傳送至后臺系統進行數據處理。3 傳輸層及應用層關鍵技術及設備傳輸層位于物聯網三層結構的中間一層，通常建立在現有移動運營商的公共通信網絡基礎之上，用以提供及時可靠的數據傳輸服務。傳輸層的接入方式既包括有線通信方式，如基于 Internet 的固網通信方式，也包括無線通信方式如WiFi、 2G/3G 移動通信網絡等。 考慮到森林監測的環境限制，實際應用當中傳輸層選用 2G/3G 移動通信技術接入互聯網。因傳輸部分直接使用現有移動運營商的網絡，故其關鍵

13、技術不在本文中展開介紹。應用層針對森林環境監測平臺的技術應用，將感知層通過移動通信網絡傳輸過來的森林環境數據進行計算、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，并可集合大數據分析通過云計算信息交互平臺來實現基于遠程控制和訪問的大規模網絡技術服務。偏遠地帶的探測節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點數據的時間間隔和頻率。一種合理可行的訪問策略就是僅當需要采集數據時才喚醒探測節點，采集完畢之后探測節點就自動進入休眠狀態。當系統處于預警狀態時，系統用戶可以通過森林資源監測

14、平臺向特定探測節點或簇節點發起信息查詢操作獲取對應節點的實時信息。當未發生災情預警時，探測節點不頻繁發出實時數據，降低節點能耗及移動網絡流量費用，從而實現節能目的。4 監測平臺功能設計及系統功能驗證森林環境監測平臺將遠程數據服務器中的數據庫信息綜合處理，將運算后的決策信息可視化地向系統用戶呈現。本系統基于J2EE構，采用B /S模式進行開發，數據庫采用 Oracle 實現了交互式網站查詢綜合服務功能。 平臺功能參考行業主流監測系統功能設計，主要分為監測數據實時查詢、數據變化對比曲線、基于位置監測點狀態顯示、監測網絡異常報警等10。系統結合 WebGIS平臺顯示傳感器節點的地理位置，具備界面友好

15、、美觀，易于操作等特點。將采集的數據在數據庫服務器中保存， Web 應用系統從數據庫服務器中得到數據，并對數據進行展示和分析，進而能夠查詢歷史記錄獲取森林監測環境的一系列環境監測數據。當探測節點監測數據超過設定閾值時，系統將及時向終端用戶發出預警信息，高亮度標識潛在災情范圍。林區工作人員可以結合GPS定位裝置迅速趕赴預警地點。同時基于環境數據統計與分析也可以為災情預警提供數據支撐。森林火險預警系統可以提供火險預警拓展信息服務，根據接收到的感知數據，依據風速風向和溫濕度等氣象指數、森林可燃物類型等綜合因素進行計算分析。4.1 探測節點的主要技術指標目前氣象探測節點主要技術指標見表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氣象狀況進行全天候的監測，進而實現對指定區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，以匯聚節點(Sink)為圓心，按照一定的距離范圍將整個網絡劃分成不同扇區， 簇頭由于其地理位置分布在不同扇區， 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據，將根據傳輸距離及所在區域探測節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。與傳統路由樹數據傳送策略相比，基于層次劃分的簇頭多路

17、由樹傳輸策略具有穩定可靠的數據傳輸性能，在延長網絡生命周期的基礎上節約探測節點電源功耗，從而滿足森林條件下對環境信息的有效采集。圖 3 基于層次劃分的簇頭多路由樹5 結語本文針對森林資源監測需求提出了一種基于物聯網應用系統的總體設計方案，構建了具有數據融合功能的森林環境因子監測平臺。 該系統結合ZigBee 技術對探測節點進行硬件設計實現了高效的數據采集，通過無線傳感器網絡精確采集森林環境及資源信息，結合RFID技術能實現對貴重木材儲運過程的清點。數據傳輸部分結合物聯網網關通過移動通信網絡接入互聯網。資源監測平臺能實時監測指定森林區域全方位多維度的環境信息，將制定探測器的信息傳輸到服務器，也可

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