一种基于物联网技术的森林资源监测系统.doc
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1、一种基于物联网技术的森林资源监测系统 摘 要:近年来,利用物联网技术来构建林业资源综合监测体系已逐步成为研究热点。文中针对森林资源监测的需求,提出了一种将传感器技术与RFID标签技术相结合的物联网技术综合应用框架,从而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以实现高效的数据采集,并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技术实现对贵重木材储运过程的清点。整个平台通过探测节点在林区环境下全方位多维度的精确感知能力,从而实现了针对森林环境信息的采集、分析、监测、储存及预警功能,该方法在森林资源监测与防护方面具有重要的参考价值。
2、 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、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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20250 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 10m75 m,因而在组网应用中任意两相邻簇节点的直线距
9、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
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