关键词：物联网技术；无线传感器网络；ZigBee；RFID；森林资源；监测系统
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）05-00-03
0 引 言
我国森林资源较为丰富，森林覆盖率达到全国总面积的百分之二十一，已成为我国经济发展和环境保护的重要组成部分[1]。近年来利用物联网技术进行森林资源与生态环境的实时监测可为森林可持续经营提供科学依据[2]，将带动巨大的生态效应和社会效应。在森林资源养护方面，王霓虹等将无线传感探测网络应用到森林环境监测平台，实现了空气温湿度、光照强度、风速风向等森林环境因子数据的采集，通过数据的智能化分析，最终实现对森林环境的智能监测[3]。在林区病虫害监测技术方面，顾晓丽等通过物联网应用技术进行林区病虫害机理分析，将对病虫害预测预报的准确性提高到新的水平[4]。在森林火灾的监测方面，陶佰睿等提出了基于物联网技术标准构建森林防火控制系统，可以实现森林火灾信息采集与数据处理，为火灾防控提供技术支持和科学决策[5]。在林区山体滑坡灾情监测及预警方面，陈炜峰等构建了基于无线传感探测节点网络的山体滑坡预警系统，根据探测节点数据进行计算分析并及时发布预警信息[6]。在森林资源管理方面，孙立云通过在木材上安置RFID电子标签，开发了木材运输与管理物联网应用系统[7]。吴学明等提出了基于RFID标签技术的县级木材运输管理系统，实现木材运输证的网络化审批、查询、统计功能并能及时掌握运材车辆的情况[8]。纵然物联网技术在林业资源中的应用种类繁多，究其本质而言，主要集中在基于传感器网络的信息采集和基于RFID技术的定位与信息管理方面。一方面，通过物联网应用技术采集林区空气中的光照强度、温度和湿度等信息，测试土壤的物理、化学参数变化，以及通过气象采集节点采集大气压力、风速风向等气象信息；另一方面，通过RFID技术实现对林业资源中动植物个体的标识和定位，精确标识物品的产地和运输等信息，进而实现木材的追踪与鉴别、木材的流通管理等综合应用。
针对森林资源综合管理的需求，本文提出了一种将传感器技术与RFID标签技术相结合的物联网综合应用框架，提出一项操作性强、实用价值高，集数据处理与展示于一体的综合平台设计方案，能对森林资源的可持续发展起到保障作用，具有广阔的应用前景。
1 物联网监测系统总体架构
物联网体系结构如图1所示，各层次的具体功能描述如下：
图1 物联网应用系统架构
1.1 感知层
感知层的主要功能是信息感知与采集。无线传感器网络具有在林区环境下全方位多维度的精确感知能力，本系统主要有两类信息的采集，分别为森林环境信息和林业资源信息。森林环境信息包括监控点温湿度、光照强度、降水量等信息。林业资源信息采集和管理方式主要是在木材上安装RFID标签，并通过RFID读卡器获取木材的储运信息。
1.2 网络层
网络层负责上下两层之间的数据通信，将从传感器探测节点网络采集到的信息传输到数据中心。感知层获取的信息在传递到网关之后有两种传输途径，当网关处在森林边界处且有固定通信网络接入时，优选基于Internet的固网传输模式。其二是通过移动运营商的通信网络将感知层采集的信息传输到中心服务器。在实际应用中，森林资源辽阔，因而在大多数情形下还是采用基于2G/3G移动通信网络的接入技术，有利于更便捷更经济地实现系统的信息传递。
1.3 应用层
应用层面向用户的服务需求，为用户提供信息查询、分析和显示的功能，并可通过互联网连接的服务器将整个系统信息资源融合成一个可以实现远程信息交换和探测节点控制的应用平台。监控中心服务器能进一步对采集到的数据进行数据智能化处理，主要包括汇聚、识别、转换和分析，其中数据共享交换、GIS支撑平台、内容管理等功能由对应应用支撑平台提供。简而言之，应用层最主要的作用是实现对特定环境监测的智能化应用，发挥安全监管和预警作用。
2 感知层关键技术及设备
感知层是采集数据的部分，主要涉及传感技术、嵌入式技术、RFID技术等关键技术。基于传感技术的探测节点担任感知输入任务，负责数据采集工作，这是构成系统关键功能的设备。通常涉及到探测感知的器件主要包括温度传感器、湿度传感器、气体浓度、风速传感器等。RFID电子标签通过标注和自动识别实现对木材储运物流的智能化管理。
2.1 ZigBee探测节点
探测节点根据探测需要分散安装在监测区域的重要位置，主要负责对森林环境数据和资源数据的采集，并基于ZigBee技术构成无线传感探测节点网络，位于同网络簇内的节点以互联互通的组织协作方式实现节点之间的即时通信[9]。ZigBee技术是一种低速率的短距离信息传输方式，具有成本低廉、可靠安全等优点。ZigBee频段范围为20～250 kb/s，能支持的网络节点的理论上限达到64 000个，其介质访问控制层（Media Access Control，MAC）采用载波监听多路访问/冲突检测协议，能高效查询传输介质是否空闲，并选在介质空闲时发送信息，有效控制冲突发生概率。传输范围一般为 10m～75 m，因而在组网应用中任意两相邻簇节点的直线距离须在75 m之内。在森林资源监测的实际应用中，需要大面积安装各种类型的探测节点，通过ZigBee技术构成自组织传感器网络，从而能够全方位多维度地获取森林环境中的重要信息，实现高效采集、及时传输的探测目的。探测节点主要有数据采集、处理、中转和上传四种功能，通过模块化设计，可分解成采集信息模块、处理信息模块、传输信息模块和电源模块四部分。在本课题的森林资源监测系统中，传感器模块中使用温湿度数字传感器HM1350、气体浓度传感器50L，而风速风向传感器则使用PHWS/WD实现对环境因子的采集，信息处理单元中的微处理芯片使用MSP430。探测节点结构如图2所示，各部分的功能如下所述： （1）信息采集模块负责无线探测节点网络范围内的数据采集任务，其电路部分主要包括信号采样子电路、放大子电路和信号保持子电路等，把传感器或者传感器电路采集到的信号转化为供微处理芯片处理的数字信号。本系统中的信息采集器件主要包括温度湿度与光照强度、大气压力、风向与风速以及烟雾浓度等环境监测高精度传感器。
（2）信息处理模块主要包括微处理芯片和相关外围电路。其作用主要包括将来自采集模块的信息进行计算与分析、能耗控制，将运算结果包装成数据帧传输到其他簇内节点或传输层通讯网络。
（3）通信模块的作用是实现探测节点的数据发送与接收，实现节点之间的即时信息传送，即将对应森林气象要素和资源要素的信息在无线传感网络中按协议传输。
（4）电源模块的作用是向其它模块提供能量供给，并尽可能达到节省能量消耗的目的。实际应用探测节点的电源通常由电池提供，因而整个系统信息传输的节能化尤为重要。
图2 探测节点结构图
2.2 无源RFID识别系统
RFID（Radio Frequency Identification，RFID）技术在物资标识和定位方面已有规模化应用。林业资源管理中物联网技术主要应用在木材存储和运输过程的清点和统计分析上，通过自动识别建立紧密的逻辑联系，实现对木材信息的智能化管理。无源RFID识别系统可分为三个部分，即阅读器、天线和电子标签。电子标签具有独一无二的编码，附着在物品上以自动辨识并追踪该物品。天线用于在标签和读取器间传递信号并进行传输。阅读器读取电子标签内的特定编码信息，并将编码信息传送至后台系统进行数据处理。
3 传输层及应用层关键技术及设备
传输层位于物联网三层结构的中间一层，通常建立在现有移动运营商的公共通信网络基础之上，用以提供及时可靠的数据传输服务。传输层的接入方式既包括有线通信方式，如基于Internet的固网通信方式，也包括无线通信方式如WiFi、2G/3G移动通信网络等。考虑到森林监测的环境限制，实际应用当中传输层选用2G/3G移动通信技术接入互联网。因传输部分直接使用现有移动运营商的网络，故其关键技术不在本文中展开介绍。应用层针对森林环境监测平台的技术应用，将感知层通过移动通信网络传输过来的森林环境数据进行计算、分析和存储，为用户提供森林气象分析、灾情分析与预警等一系列资源应用功能，并可集合大数据分析通过云计算信息交互平台来实现基于远程控制和访问的大规模网络技术服务。
偏远地带的探测节点的电源由电池提供，在信息传输步骤中将消耗大量电能，严重影响探测节点的电池使用寿命，因此必须配置合理的访问控制策略，合理限定接受探测节点数据的时间间隔和频率。一种合理可行的访问策略就是仅当需要采集数据时才唤醒探测节点，采集完毕之后探测节点就自动进入休眠状态。当系统处于预警状态时，系统用户可以通过森林资源监测平台向特定探测节点或簇节点发起信息查询操作获取对应节点的实时信息。当未发生灾情预警时，探测节点不频繁发出实时数据，降低节点能耗及移动网络流量费用，从而实现节能目的。
4 监测平台功能设计及系统功能验证
森林环境监测平台将远程数据服务器中的数据库信息综合处理，将运算后的决策信息可视化地向系统用户呈现。本系统基于J2EE架构，采用B /S 模式进行开发，数据库采用Oracle实现了交互式网站查询综合服务功能。平台功能参考行业主流监测系统功能设计，主要分为监测数据实时查询、数据变化对比曲线、基于位置监测点状态显示、监测网络异常报警等[10]。系统结合WebGIS平台显示传感器节点的地理位置，具备界面友好、美观，易于操作等特点。将采集的数据在数据库服务器中保存，Web应用系统从数据库服务器中得到数据，并对数据进行展示和分析，进而能够查询历史记录获取森林监测环境的一系列环境监测数据。当探测节点监测数据超过设定阈值时，系统将及时向终端用户发出预警信息，高亮度标识潜在灾情范围。林区工作人员可以结合gps定位装置迅速赶赴预警地点。同时基于环境数据统计与分析也可以为灾情预警提供数据支撑。森林火险预警系统可以提供火险预警拓展信息服务，根据接收到的感知数据，依据风速风向和温湿度等气象指数、森林可燃物类型等综合因素进行计算分析。
4.1 探测节点的主要技术指标
目前气象探测节点主要技术指标见表1所列，温湿度、风速风向、雨量等全方位气象信息能对林区气象状况进行全天候的监测，进而实现对指定区域的精确气象情景的获取。
4.2 基于层次划分的多路由树传输策略
基于层次划分的簇头多路由树传输策略，以汇聚节点（Sink）为圆心，按照一定的距离范围将整个网络划分成不同扇区，簇头由于其地理位置分布在不同扇区，在簇头和Sink之间建立了一个以Sink为根的多路由树。图3所示是基于层次划分的簇头多路由树。在路由建立过程中综合考虑下一跳簇头的能耗距离。簇头收集并处理本簇数据，将根据传输距离及所在区域探测节点密度选择不同的传输策略，即最低传输成本策略和能量平衡策略。与传统路由树数据传送策略相比，基于层次划分的簇头多路由树传输策略具有稳定可靠的数据传输性能，在延长网络生命周期的基础上节约探测节点电源功耗，从而满足森林条件下对环境信息的有效采集。
图3 基于层次划分的簇头多路由树
5 结 语
本文针对森林资源监测需求提出了一种基于物联网应用系统的总体设计方案，构建了具有数据融合功能的森林环境因子监测平台。该系统结合ZigBee技术对探测节点进行硬件设计实现了高效的数据采集，通过无线传感器网络精确采集森林环境及资源信息，结合RFID技术能实现对贵重木材储运过程的清点。数据传输部分结合物联网网关通过移动通信网络接入互联网。资源监测平台能实时监测指定森林区域全方位多维度的环境信息，将制定探测器的信息传输到服务器，也可以由探测器接收并执行服务器端传送来的指令。整个系统平台实现了基于物联网技术的森林环境信息采集、分析、监测、储存及预警功能，能对森林资源的可持续发展起到保障作用，具有广阔的应用前景。
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