基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的森林環(huán)境因子監(jiān)測(cè)平臺(tái)研建

王霓虹，戴巍，楊英奎

(東北林業(yè)大學(xué) 信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

摘要：針對(duì)森林環(huán)境因子監(jiān)測(cè)的需求，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到森林環(huán)境因子監(jiān)測(cè)平臺(tái)的構(gòu)建中。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以多個(gè)類型的傳感器為核心，應(yīng)用ZigBee技術(shù)組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，完成溫濕度、光照強(qiáng)度、降水量等森林環(huán)境因子數(shù)據(jù)的采集和傳輸工作。在對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、處理的基礎(chǔ)上，研建面向用戶的交互式綜合服務(wù)管理平臺(tái)。該平臺(tái)通過實(shí)現(xiàn)硬件智能控制和數(shù)據(jù)綜合管理，最終達(dá)到森林環(huán)境智能監(jiān)測(cè)的目的。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；ZigBee；森林環(huán)境因子；監(jiān)測(cè)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：S 152

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-005X(2015)02-0103-05

Abstract：According to the need of monitoring the forest environmental factors，the Internet of Things(IOT)is applied to build a forest environmental factors monitoring platform.The monitoring system takes multiple types of sensors as the core，uses ZigBee technology to build wireless sensor networks，combines with networking gateways to collect and transmit the data of forest environmental factors，such as temperature，humidity，light intensity，rainfall and so on.On the basis of the storage，analysis and processing of data，an user-oriented interactive integrated service management platform is established，which can achieve forest environment intelligence monitoring by intelligent control of hardware and integrated management of data.

Keywords：Internet of Things(IOT)；ZigBee；forest environmental factors；monitoring platform

收稿日期：2014-10-16

基金項(xiàng)目：林業(yè)科學(xué)技術(shù)推廣項(xiàng)目([2012]43 號(hào))；“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計(jì)劃課題(2012AA102003-2)；國家公益性行業(yè)專項(xiàng)(201104037)

作者簡(jiǎn)介：第一王霓虹，教授，博導(dǎo)。研究方向：林業(yè)工程。

Establishment of Environmental FactorsMonitoring Platform Based on IOT

Wang Nihong，Dai Wei，Yang Yingkui

(College of Information and Computer Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

E-mail:wnh@mail.nefu.edu.cn

引文格式：王霓虹，戴巍，楊英奎.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的森林環(huán)境因子監(jiān)測(cè)平臺(tái)研建[J].森林工程，2015，31(2)：103-107.

森林環(huán)境因子包括，林內(nèi)溫度、濕度、光照強(qiáng)度、土壤濕度等，他們對(duì)整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)有著錯(cuò)綜復(fù)雜的影響。森林環(huán)境因子的變化可以反映森林小氣候變化情況，持續(xù)的異常因子數(shù)據(jù)可幫助預(yù)報(bào)森林突發(fā)自然災(zāi)害，例如森林火災(zāi)、冰凍災(zāi)害等。因此森林環(huán)境因子監(jiān)測(cè)對(duì)研究森林發(fā)展具有重要意義。森林環(huán)境因子的獲得方法有多種，傳統(tǒng)的人工采集需要耗費(fèi)大量人力、時(shí)間，且數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度不高，數(shù)據(jù)連續(xù)性不強(qiáng)，難以實(shí)現(xiàn)長期監(jiān)測(cè)。

近幾年，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，其在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用逐漸成熟起來。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)本質(zhì)上也是基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)任何物品與物品相連。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中常常用到的關(guān)鍵技術(shù)包括：傳感技術(shù)、RFID標(biāo)簽、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，云計(jì)算等。其中傳感技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域監(jiān)測(cè)，例如溫室大棚監(jiān)測(cè)[1]、水質(zhì)監(jiān)測(cè)[2]、森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)[3]等。當(dāng)然，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)除了應(yīng)用傳感技術(shù)，還要配合嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)。隨著云計(jì)算的同步高速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與云計(jì)算的配合相得益彰，云計(jì)算以多組服務(wù)器構(gòu)建大型數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、集中處理、分配用戶新模式，充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于森林環(huán)境監(jiān)測(cè)中的優(yōu)勢(shì)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在森林環(huán)境監(jiān)測(cè)方面有很多優(yōu)勢(shì)，傳感器節(jié)點(diǎn)布設(shè)簡(jiǎn)便、采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高、不同環(huán)境下適應(yīng)力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、成本低，節(jié)約人力資源；多網(wǎng)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)“物物相連”，無線傳輸提高采集效率。

本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的森林環(huán)境因子監(jiān)測(cè)平臺(tái)，傳感終端利用各類型傳感器采集溫濕度、光照強(qiáng)度、降水量等森林環(huán)境因子數(shù)據(jù)，通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)與3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，最終設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)面向林業(yè)用戶的綜合管理應(yīng)用平臺(tái)，平臺(tái)基于網(wǎng)站交互式界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理、分析和管理，有效提升數(shù)據(jù)利用價(jià)值。

1森林環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)總體架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在森林環(huán)境監(jiān)測(cè)中，同樣采用業(yè)界公認(rèn)的三層體系架構(gòu)，底層是感知層，用來感知數(shù)據(jù)；然后是網(wǎng)絡(luò)層，將感知到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層；應(yīng)用層多搭載應(yīng)用平臺(tái)，面向各類用戶。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于森林監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，森林環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)各層次中的以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

當(dāng)我們?cè)谶M(jìn)行股票運(yùn)作時(shí)，追求的是績(jī)優(yōu)股，當(dāng)我們?cè)谫徺I房產(chǎn)時(shí)，追求的是未來的黃金地段，同樣，國有企業(yè)在進(jìn)行經(jīng)營時(shí)所追求的就是績(jī)優(yōu)股、黃金地段，就是資產(chǎn)的良性發(fā)展。油田企業(yè)作為國有企業(yè)的一員，就是要維護(hù)國有資產(chǎn)安全，保障企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。從當(dāng)前企業(yè)審計(jì)的要求來看，質(zhì)量和責(zé)任是企業(yè)審計(jì)的基礎(chǔ)，績(jī)效是企業(yè)審計(jì)的方向和目標(biāo)，就是要發(fā)現(xiàn)企業(yè)是否成為了藍(lán)籌股，把投入產(chǎn)出比例如何作為國有資產(chǎn)的組成部分，油田企業(yè)的績(jī)效審計(jì)越來越被重視，它進(jìn)一步擴(kuò)展和深化了油田企業(yè)審計(jì)的內(nèi)涵。

圖1　物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 Fig.1 Structure diagram of internet of things system

1.1　感知層關(guān)鍵技術(shù)

感知層位于物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)的最底層，也是采集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)部分。主要涉及傳感技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、無線傳輸技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。傳感器可以獨(dú)立應(yīng)用，也可以與其他設(shè)備組合使用，無論以哪種方式使用，傳感器一直擔(dān)任感知輸入部分，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集工作。在林內(nèi)大范圍布設(shè)各類型傳感器節(jié)點(diǎn)，通過ZigBee技術(shù)組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，能夠全面獲取大量森林環(huán)境因子數(shù)據(jù)，提高采集效率，節(jié)省人力資源。ZigBee是服從IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的短距離、低功耗無線傳輸技術(shù)，適合傳感器節(jié)點(diǎn)之間的自組網(wǎng)或傳感器與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)之間的無線通信[5]。ZigBee具有傳輸距離短、數(shù)據(jù)速率低、時(shí)延短、成本低、安全可靠等特點(diǎn)。

1.2　傳輸層關(guān)鍵技術(shù)

傳輸層連接感知層與應(yīng)用層，建立在互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，負(fù)責(zé)將感知層上傳的采集數(shù)據(jù)處理，傳輸?shù)綉?yīng)用層。承擔(dān)傳輸任務(wù)的是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，將通過基于ZigBee協(xié)議的無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)協(xié)議轉(zhuǎn)換再以不同的接入方式上傳到應(yīng)用層。這里連接互聯(lián)網(wǎng)的接入方式包括有線通信方式，如以太網(wǎng)；無線通信方式，如Wi-Fi、2G/3G等?？紤]到森林監(jiān)測(cè)的環(huán)境限制，本設(shè)計(jì)傳輸層選用3G移動(dòng)通信技術(shù)接入互聯(lián)網(wǎng)。3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍更廣，無線通信更方便，用戶在任何地方均可以訪問系統(tǒng)平臺(tái)。目前我國3G標(biāo)準(zhǔn)有移動(dòng)TD-SCDMA、聯(lián)通WCDMA和電信CDMA2000，本設(shè)計(jì)采用CDMA2000電信3G標(biāo)準(zhǔn)。

1.3　應(yīng)用層關(guān)鍵技術(shù)

應(yīng)用層主要面向用戶需求，負(fù)責(zé)信息處理與人機(jī)交互界面。針對(duì)森林環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)，應(yīng)用層匯聚感知層與傳輸層傳回的環(huán)境因子數(shù)據(jù)，進(jìn)行智能化存儲(chǔ)、分析、處理。實(shí)現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)訪問的交互式平臺(tái)界面，為用戶提供一系列的管理、應(yīng)用和服務(wù)。這里引入云計(jì)算平臺(tái)，提供大規(guī)模的、便捷的和按需的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

云計(jì)算是基于互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算方式，其具有大規(guī)模、虛擬化、高可靠性、通用性、高擴(kuò)展性、按需服務(wù)、低廉等特點(diǎn)。云計(jì)算平臺(tái)提供給用戶統(tǒng)一的平臺(tái)訪問入口，用戶可以按需訪問有效資源，可通過應(yīng)用程序獲取所需數(shù)據(jù)到本地?cái)?shù)據(jù)庫。云計(jì)算平臺(tái)超強(qiáng)的處理能力、統(tǒng)一的資源管理分配，極大地提高了資源利用率。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1　傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)具有采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)及上報(bào)數(shù)據(jù)包功能，這些功能主要依靠幾個(gè)模塊完成，一般分為數(shù)據(jù)采集模塊(包括各類型傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器)、數(shù)據(jù)處理模塊(包括CPU和存儲(chǔ)器)、無線收發(fā)模塊、電源模塊。傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

圖2　傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖 Fig.2 Structure diagram of sensor nodes

本設(shè)計(jì)采用美國Ti公司生產(chǎn)的CC2530芯片，集合了2.4-GHz IEEE 802.15.4 的RF 收發(fā)器，增強(qiáng)型8051CPU，其高集成、抗干擾、低功耗的特性完全適用于森林環(huán)境監(jiān)測(cè)[6-7]。森林環(huán)境監(jiān)測(cè)所需傳感器包括溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、土壤溫濕度傳感器、雨量傳感器等。

溫濕度傳感器采用瑞士sensirion公司推出的SHT11型號(hào)溫濕度傳感芯片，該芯片內(nèi)置14位A/D轉(zhuǎn)換器，濕度測(cè)量范圍：0～100%RH；溫度測(cè)量范圍：-40～+123.8℃；溫度測(cè)量精度：±0.4℃；濕度測(cè)量精度：±3.0%RH。該芯片集成度高、精確度高和抗干擾能力強(qiáng)。

光照強(qiáng)度監(jiān)測(cè)采用日本RHOM株式會(huì)社近年推出的BH1750FVI高精度數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器。BH1750FVI內(nèi)置16位A/D轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)傳輸使用標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線，分辨率為1-65535lx，支持較大范圍的光強(qiáng)變化，符合林區(qū)內(nèi)光強(qiáng)度監(jiān)測(cè)要求。

土壤溫濕度監(jiān)測(cè)選用北京昆侖海岸公司生產(chǎn)的JTS-01型土壤溫度與土壤水分傳感器。準(zhǔn)確度為±3%RH，量程為0～100%RH，具有簡(jiǎn)便安全、快速準(zhǔn)確、定點(diǎn)連續(xù)、自動(dòng)化、寬量程、少標(biāo)定等優(yōu)點(diǎn)。傳感器埋入土壤0~10 cm和10~20 cm深度的土層，分別監(jiān)測(cè)不同深度土層的土壤溫濕度。土壤水分傳感器輸出信號(hào)為0~1V電壓值，經(jīng)實(shí)地測(cè)試與校正，最終確定土壤水分含量與輸出電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系[8]，土壤水分傳感器輸出特征曲線如圖3所示：

圖3　土壤水分傳感器輸出特征曲線 Fig.3 The characteristic curve output by soil moisture sensor

監(jiān)測(cè)降雨量采用SL3-1型號(hào)翻斗式雨量傳感器，最大誤差為±2%，敏斗感量為0.2 mm，既翻斗每翻倒一次送出一個(gè)脈沖信號(hào)，每產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)代表0.2 mm降水，通過計(jì)數(shù)儀記錄累積脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)得到累積降水量。

傳感器節(jié)點(diǎn)可采用太陽能電池板、鋰電池、直接上電等供電方式，考慮到野外工作環(huán)境惡劣，降低設(shè)備成本，本系統(tǒng)采用3.6 V鋰電池供電。

2.2　物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)位于傳輸層主要起到傳輸“橋梁”的作用，在與感知層的無線傳感器設(shè)備通信時(shí)支持ZigBee等通信協(xié)議，面向應(yīng)用層，支持多種網(wǎng)絡(luò)接入方式，如以太網(wǎng)、2G/3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)就是解決感知網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換問題[9]。因此物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)硬件模塊化的設(shè)計(jì)主要分為4部分：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、接入模塊和供電模塊，如圖4所示。

圖4　物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)硬件模塊 Fig.4 Gateway hardware modules for internet of things

本設(shè)計(jì)選用3G網(wǎng)絡(luò)無線接入方式，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的CDMA2000協(xié)議需要協(xié)議轉(zhuǎn)換，將感知層上傳的數(shù)據(jù)封裝經(jīng)協(xié)議轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)解包下傳到應(yīng)用層，這個(gè)過程中的信息交互流程如圖5所示。

圖5　信息交互流程 Fig.5 Information interactive process

3森林環(huán)境因子監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

良好的平臺(tái)設(shè)計(jì)才能有效體現(xiàn)數(shù)據(jù)的價(jià)值，森林環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)為綜合性服務(wù)平臺(tái)，平臺(tái)將通過數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)挖掘?qū)?shù)據(jù)處理分析，將處理結(jié)果展示給用戶。平臺(tái)采用B/S模式、J2EE架構(gòu)開發(fā)，MySQL數(shù)據(jù)庫做底層數(shù)據(jù)支持，界面為交互式網(wǎng)

站形式的綜合服務(wù)平臺(tái)。平臺(tái)功能主要分為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)變化曲線、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置狀態(tài)監(jiān)測(cè)、異常報(bào)警等功能。傳感器布設(shè)地點(diǎn)選擇黑龍江省孟家崗林場(chǎng)，落葉松人工林示范區(qū)。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)即時(shí)查詢，平臺(tái)應(yīng)用Ajax技術(shù)無需重載整個(gè)網(wǎng)頁實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)異步更新。傳感器自動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)時(shí)間為60 s，數(shù)據(jù)采集頻率可自定義設(shè)置，為方便統(tǒng)計(jì)，設(shè)定采集數(shù)據(jù)每小時(shí)入數(shù)據(jù)庫一次，即傳感器響應(yīng)時(shí)間為3 600 s。如圖6所示，為10 cm和20 cm深土壤溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)值。

用戶跟據(jù)需要選擇不同時(shí)間段的森林環(huán)境因子的歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并可根據(jù)需要下載數(shù)據(jù)到Excel表中。系統(tǒng)按月平均值繪制數(shù)值變化曲線，用戶可查看不同時(shí)間段的變化曲線，了解林內(nèi)溫濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境因子的變化趨勢(shì)。如圖7所示，為2014年7月到9月的溫度變化趨勢(shì)。

當(dāng)出現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)損壞、網(wǎng)絡(luò)異常等情況導(dǎo)致無法正常傳回?cái)?shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)提示傳感器離線、傳輸異常。有時(shí)異常的環(huán)境因子數(shù)據(jù)也預(yù)示著森林災(zāi)害的發(fā)生。通過GIS平臺(tái)展示傳感器節(jié)點(diǎn)的地理位置和工作狀態(tài)。示范區(qū)部分傳感節(jié)點(diǎn)的情況如圖8所示。

圖6　土壤溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù) Fig.6 Real time data of soil temperature

圖7　溫度變化曲線 Fig.7 Temperature variation curve

圖8　傳感器節(jié)點(diǎn)情況展示 Fig.8 Display of the sensor node situation

4結(jié)論

本設(shè)計(jì)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建了森林環(huán)境因子監(jiān)測(cè)平臺(tái)。本文以物聯(lián)網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)為大綱給出了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案。數(shù)據(jù)采集部分采用ZigBee技術(shù)，綜合多類型無線傳感器組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，獲取森林環(huán)境因子信息。數(shù)據(jù)傳輸部分引入物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，結(jié)合3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)ZigBee接入互聯(lián)網(wǎng)。硬件設(shè)計(jì)提供可靠、高效、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集方

式，最后以采集的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，軟硬件設(shè)計(jì)相結(jié)合，研究并實(shí)現(xiàn)了森林環(huán)境因子監(jiān)測(cè)平臺(tái)，該平臺(tái)設(shè)計(jì)界面良好、可操作性強(qiáng)、實(shí)用價(jià)值高、是集數(shù)據(jù)處理、展示、管理于一體的綜合服務(wù)平臺(tái)。本研究充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在森林環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)，提出一套完整可行的設(shè)計(jì)方案，針對(duì)傳統(tǒng)森林環(huán)境監(jiān)測(cè)方式的不足，可有效提高采集效率，降低作業(yè)成本，提升系統(tǒng)應(yīng)用價(jià)值。

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