物聯網關鍵技術及其在林業中的應用

盧書海，劉 帥，李建軍，曹旭鵬

物聯網關鍵技術及其在林業中的應用

盧書海1，劉 帥2，李建軍2，曹旭鵬2

（1.河北省滄州市科技情報研究所，河北 滄州 061000；2中南林業科技大學，湖南 長沙 410004）

分析了無線傳感器網絡在木材干燥中的應用，提出基于無線傳感器網絡的木材干燥監測系統，并介紹了系統總體結構、傳感器節點的硬件和軟件資源。該系統由干燥窯無線監測網絡和監控中心兩個部分組成，可實時、在線、精確獲取干燥窯各類環境參數，具有部署靈活、維護方便、成本低廉、擴展性好等優點。

物聯網；無線傳感網絡；射頻識別；木材干燥

物聯網(Internet of Things)作為新一代信息技術的重要組成部分，被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業的第三次革命。國家“十二五”規劃將物聯網列為戰略性新興產業，計劃在“十二五”期間投資四萬億用于全國物聯網基礎設施建設，充分表明了我國政府對物聯網的重視。2011年10月的首屆“全國林業信息化學術研討會”上，中科院唐守正院士做了關于林業信息技術展望的重要報告，其中多次提到利用物聯網、云計算等信息技術進行林業應用創新。由此可見，物聯網將會進入一個從概念推廣、政策制定到技術研發、配套建設的快速發展時期，并將成為林業信息化建設中的決定力量。

目前，物聯網已在智能家居、信息林業、交通控制、設施農業管理、自然災害監測等領域取得了一系列研究進展[1-4]。本研究在綜述物聯網關鍵技術及發展現狀的同時，提出了物聯網在林業應用領域的新方向：木材干燥物聯網，并系統分析了木材干燥物聯網總體設計思路及技術要點。

1 物聯網關鍵技術及應用現狀

1.1 物聯網概念

物聯網最初由美國麻省理工在1999年提出，其初衷是希望能將各種家用電器、汽車、日常生活用品如牙刷、馬桶等物件貼上電子標簽接入互聯網，使人們能實時獲取這些物品的相關信息，以實現智能化識別和管理。2005年突尼斯舉行的信息社會世界峰會上，國際電信聯盟組織在《ITU互聯網報告》中正式提出“物聯網”概念[5]：將各種信息傳感設備，如射頻識別、無線傳感、全球定位、激光掃描等與互聯網結合起來而形成一個新的智能網絡。其目的是讓所有的物品都接入到網絡中，方便用戶隨時隨地對目標物體進行識別、定位、監控及管理。物聯網概念模型[6]如圖1所示。

圖1 物聯網概念模型Fig.1 Conceptual model of Internet of Things

1.2 關鍵技術及應用現狀

物聯網實現物與物、物與人之間的泛在連接，需要實時監測接入網絡中的任何物體，采集能反映物體屬性和狀態的各類信息，如聲、光、電、熱、力、位置等，從而實現對物體的智能化感知、識別、跟蹤及定位。因此，物聯網涉及到許多技術，國際電信聯盟將其大致分為四類[7]：感知物體的無線傳感技術、標識物體的射頻識別技術、表示物體的智能技術及微縮物體的納米技術。本研究緊密結合物聯網在林業中的應用，介紹前三類物聯網技術。

1.2.1 傳感器網絡及ZigBee技術

傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSN)是集分布式信息采集、信息傳輸和信息處理技術于一體的網絡信息系統，以其低成本、低功耗、組網靈活、鋪設簡單及適合移動等特點受到廣泛重視。傳感器網絡的基本功能是將一系列空間分散的傳感器單元通過自組織方式進行連接，從而將各自采集的數據通過無線網絡進行傳輸匯總，以實現空間分散范圍內物理或環境狀況的協作監控。物聯網正是通過遍布在各個角落和物體上的形形色色的傳感器以及由它們組成的無線傳感器網絡，來感知整個物質世界。

傳感器節點之間通常采用ZigBee協議進行無線通信。ZigBee協議是基于IEEE802.15.4標準的無線網絡技術，也是當前物聯網中應用最廣泛的技術[8]。其名稱來源于蜂群的通信方式：蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈來傳遞食物源的位置、距離和方向等信息。ZigBee技術模仿蜜蜂傳遞信息的方式，通過相鄰網絡節點之間信息的接力傳遞，將信息以無線方式從一個節點傳輸到另外一個節點。ZigBee技術作為一種低復雜度、自組織、低功耗的通信方式，非常適合通信信號的短距離無線傳輸。

作為物聯網的重要組成部分，無線傳感技術近年在信息林業中得到了廣泛的應用。Hefeeda[9]提出火險天氣指數系統(FWI)，通過分析傳感器節點傳回的森林氣象數據，對森林火險作出早期預警。Al-Turjman[10]等從網絡聯通性方面研究了森林環境監測用無線傳感器網絡的節點布置優化策略。劉帥等[11]將ZigBee無線傳感技術應用于森林防火中，對森林火險實時監測系統的構建、通信協議選擇、節點軟硬件開發等問題進行了研究。劉丹[12]研究了用于森林火災監測的傳感器定位算法，為火點早期定位提供了有力的理論依據。李駿慧等[13]以Cortex-M3型處理器為核心，設計了面向森林生態監測的物聯網數據采集系統，通過單總線數字式溫濕度傳感器、煙霧傳感器、CO2傳感器和光亮度傳感器分別采集溫度、濕度、CO2含量和光照等與林木相關的信息。

1.2.2 RFID技術

RFID即無線射頻識別，又稱電子標簽技術，是一項利用射頻信號實現非接觸式信息傳遞來自動識別目標的技術。作為條形碼掃描識別技術的拓展和延伸，近年來廣泛應用于物流、通信、交通、智能家居等領域[14]。RFID通常由三部分組成：標簽、天線和識讀器。標簽由射頻耦合元件及相關外圍器件組成，附著在物體上用于標識目標物體，每個標簽具有唯一的電子編碼；天線用于發射和接收射頻信號；識讀器通過天線實時讀取標簽的信息，將射頻信號解碼，供后臺計算機信息系統進行有關數據處理。RFID技術的基本工作原理是：當標簽進入識讀器天線的輻射范圍，就可以接收到識讀器發出的射頻信號，內置的射頻耦合元件憑借電磁感應產生感應電流激活內置芯片，后者將存儲于芯片內的物件編碼信息發射給識讀器。此外，也有另外一種類型的RFID標簽，該標簽自帶電源，一般多為鋰電池，以主動的方式發送某一頻率的射頻信號。

將RFID技術與Internet相結合，用戶通過Internet跟蹤貼有電子標簽的物品，組成真正意義上的“物聯網”。目前，國內外林業領域已有多項RFID技術應用研究。例如，Chen Zhao[15]等探討了物聯網技術在木材儲運物流中的應用，實現木材入庫、出庫、盤點過程的自動化管理。Anders Bj?rk[16]將RFID技術用于木材工業化生產過程，采用電子標簽將木材的各種加工生產信息實時寫入數據庫系統，自動跟蹤從原木采伐到木制品生產的整個過程，最大限度地提高原料利用率及木質制品的產量，同時還能有效監測木材生產對環境的影響。王曉偉[17]對林業行業RFID技術標準化建設需要遵循的原則、體系結構及標準內容等方面進行了研究， 為林業行業實施RFID技術的標準化提供理論依據。

1.2.3 智能技術

由于物聯網具有明顯的“智能化”要求和特征，而智能信息技術是保障這一特性的關鍵技術，因此智能技術的研究對物聯網的發展具有重要的意義。智能技術包括智能信號處理、智能控制技術、先進的人機交互技術、云計算等。目前，智能信號處理技術比較成熟，在物聯網中有廣泛的應用。

物聯網的智能信號處理以多物理量檢測、信號提取、信號調理、信號變換、信號分析為核心技術[6]。其處理過程既可以發生在數據采集端，如傳感器節點或RFID芯片，也能在資源豐富的基站或服務器上實現。在數據采集端或感知層，通過信號調理及檢測技術濾除信號帶外噪聲，提高信號的信噪比；依據信號采集的空間相關、時間相關等特點來消除冗余信號，降低網內數據流量及傳輸能耗。在基站及服務器上，能實現諸如分類、預測、模式識別等復雜的非線性信號處理。2008年，TI公司推出其第二代物聯網射頻芯片CC2420，CC2420配備ZigBee無線收發器，具有數字濾波、擴頻、數字調制解調等信號處理功能，大大增強信號在無線傳輸中的可靠性和有效性。

2 木材干燥物聯網總體框架設計

2.1 木材干燥物聯網分層設計

木材干燥監測是物聯網潛在且重要的應用領域，物聯網的互聯互通、實時、智能等特點非常適合大型木材加工企業的干燥生產。根據木材干燥工藝及物聯網分層原理，本研究將木材干燥物聯網系統劃分為感知層、接入層、互聯網層、應用層4個部分。在這種分層的網絡結構中，同一層提供相似或相關的服務，并為上一層提供技術支撐，各層功能如下。

2.1.1 感知層

感知層負責信息的采集，在本研究中主要有兩類信息：木材干燥窯環境信息和木材儲運信息。干燥窯環境信息包括窯內溫濕度、木材含水率、控制設備狀態等，通過在窯內布置微型傳感器節點來獲取。木材儲運信息包括入窯、出窯、倉儲、運輸等各個生產環節的木材狀態信息。通常在固定地點如干燥窯或倉庫的門口設立識讀器，當木材經過時，識讀器會自動掃描附著在木材上的RFID電子標簽，獲取木材的信息。

2.1.2 接入層

該層的主要功能是通過現有的移動通信網絡GPRS/GSM將感知層信息匯總到監控中心。由于感知層信息量大，干燥窯分布范圍廣，需要采用無線組網技術將各窯傳感器節點連通組成一個完整的WSN網絡。感知信息經多跳無線傳輸到達基站，由基站統一轉發至GPRS網絡，再由后者存檔于控制中心的數據庫服務器，信息傳遞過程如圖2所示。基站作為WSN網絡和GPRS網絡的橋梁，內置有ZigBee無線通信模塊和GPRS芯片。采用基于GPRS的接入技術，有利于信息傳遞的實時性和整個系統的實時監控及調度。

圖2 物聯網的信息傳遞Fig. 2 Information transmission of Internet of Things

2.1.3 互聯網層

監控中心的服務器聯通Internet，將整個網內的信息整合成一個可以互聯互通的大型智能網絡平臺。現場用戶可以利用PDA設備直接訪問網絡，而身處異地的木材干燥專家也能夠通過Internet遠程訪問物聯網，及時了解干燥進度，在線會診干燥過程中所出現的問題。

2.1.4 應用層

應用層作為木材干燥物聯網系統的頂層，面向用戶提供干燥監測的實際應用，具有友好的人機交互界面、窯內實時監測、木材含水率分析預測、干燥專家系統等豐富功能。在本研究中，應用層功能主要通過信息處理子系統來實現。

根據以上分析，筆者給出了木材干燥物聯網系統的示意圖，如圖3所示。

2.2 功能模塊設計

圖3 木材干燥物聯網Fig.3 Internet of Things of wood trying

信息處理子系統是木材干燥物聯網的重要組成部分，進一步細化了物聯網應用層的功能，主要由四部分功能模塊組成：信息采集模塊、數據存儲模塊、數據處理模塊、決策模塊。信息采集模塊負責感知層采集節點的基本系統設置，如根據木材種類及厚度等來合理設置傳感器節點的工作模式、節點采樣時間間隔、干燥基準。數據存儲模塊主體上是監控中心的一臺數據庫服務器，負責存儲原始采集數據，備份系統日志文件，響應系統查詢等。數據處理模塊主要負責對所接收的原始數據進行智能化處理，如數據融合、帶外噪聲濾波、空時相關性分析、木材含水率預測等，從而產生能準確反映窯內環境的信息，以供輔助決策模塊評估。決策模塊通過綜合分析和評估各類數據，供操作員隨時了解干燥生產狀況，并按照木材干燥專家系統的要求對窯內各種電氣設備下達控制指令，如控制加熱閥、噴蒸管來調節窯內溫濕度、木材含水率。

3 展望及結語

物聯網是由多種技術融合而成的新的技術體系，在眾多領域具有潛在應用價值，其發展加深了物與物及人與物之間的信息化聯系。總的來看，物聯網技術將“物”納入“網”的基本思路是信息化發展的大趨勢，但由于物聯網與具體應用領域有關，其技術的完善及拓展需緊密結合待解決的實際問題。因此，物聯網在相關領域的研究及開發既是機遇，更是挑戰。

2011年8月，國家發展改革委批準啟動智能林業等首批國家物聯網應用示范工程，標志著我國林業信息化建設進入加速發展的新階段。同時，筆者認為，物聯網在林業中仍有許多潛在的應用領域需要拓展，例如，建設風景園林區物聯網管理信息系統，通過定點監測、數據實時傳輸、業務協同管理，提高對園區綠化業務的現代化管理水平；開展森林資源安全監管物聯網工程，全面推進病蟲害、野生動物監測的智能化、網絡化管理工作；建立基于物聯網技術的森林旅游安全系統，保障森林探險者、游客及勘探人員的人身安全；開通鄉鎮苗木物聯網服務平臺，為用戶提供鄉土造林樹種及每個樹種的主要適生立地因子、最新種苗栽培技術、林地施肥和林木生產量測算等信息；實施林業綜合網絡信息平臺，整合中國林業網絡博物館、各地區林業信息網絡、國有林場及自然保護區子網絡的資源，使林業信息化由公共基礎建設向林業核心業務拓展，提高林業信息化決策的科學水平。

本研究結合近年來物聯網在林業中的應用現狀，從物聯網起源、概念、關鍵技術等角度，對物聯網研究的現實基礎及關鍵問題進行了論述，籍此拋磚引玉，以期進一步展望物聯網在林業信息化中的應用前景。

[1] 王保云.物聯網技術研究綜述[J].電子測量與儀器學報,2009,23(12):1-7.

[2] Yan B, Huang G W. Application of RFID and internet of things in monitoring and anti-counterfeiting for products[C].International Seminar on Business and Information Management,2008:392-395.

[3] 孫其博,劉 杰,范春曉,等.物聯網:概念、架構與關鍵技術研究綜述[J].北京郵電大學學報,2010,33(3):1-9.

[4] 寧煥生,張 瑜,劉芳麗,等.中國物聯網信息服務系統研究[J].電子學報,2006,34(1):2514-2517.

[5] ITU Strategy and Policy Unit.ITU Internet Reports 2005:The Internet of Things[R].Geneva:International Telecommunication Union(ITU),2005.

[6] 劉 強,崔 莉,陳海明.物聯網關鍵技術與應用[J].計算機科學,2010,37(6):1-4.

[7] 朱會霞,王福林,索瑞霞.物聯網在中國現代農業中的應用[J].中國農學通報,2011,27(2):310-314.

[8] 張軍國,李文彬,韓 寧,等.基于ZigBee無線傳感器網絡的森林火災監測系統的研究[J].北京林業大學學報,2007,29(4):41-45.

[9] Mohamed Hefeeda, Majid Bagheri.Wireless Sensor Networks for Early Detection of Forest Fires[C].The Fourth IEEE International Conference on Mobile Adhoc and Sensor Systems 2007 (MASS 2007),2007:1-6.

[10] Al-Turjman F M, Hassanein H S, Ibnkahla M A.Connectivity Optimization for Wireless Sensor Networks Applied to Forest Monitoring[C].IEEE International Conference on Communications(ICC 2009),2009:1-6.

[11] 劉 帥,吳舒辭,黃 偉,等.基于無線傳感器網絡的森林火情實時監測系統[J].中國農學通報,已錄用.

[12] 劉 丹,王霓虹.基于森林火災數據監測的物聯網定位算法應用[J].東北林業大學學報,2011,39(8):131-133.

[13] 李駿慧,陶 華,俞哲偉,等.Cortex-M3的生態物聯網數據采集分站設計[J].單片機與嵌入式系統應用,2011,11(10):40-42.

[14] 沈蘇彬,范曲立,宗 平,等.物聯網的體系結構與相關技術研究[J].南京郵電大學學報,2009,29(6):1-11.

[15] Chen Zhao, Li Xisheng, Chen Junsong. Study on the application of Internet of Things in the logistics in forest industry[J].Applied Mechanics and Materials,2011:664-668.

[16] Anders Bj?rk, Martin Erlandsson, Janne H?kli. Monitoring environmental performance of the forestry supply chain using RFID[J]. Computers in Industry,2011,62(8):830-841.

[17] 王曉偉,董希斌.林業行業實施射頻識別(RFID)技術標準化的探討[J].森林工程,2009,25(6):78-82.

Key technology of internet of things and its application in forestry

LU Shu-hai1, LIU Shuai2, LI Jian-jun2,CAO Xu-peng2
(1. Institute of Sci-Tech Information of Cangzhou city, Cangzhou 061000, Hebei, China; 2. Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The basic concept of Internet of Things and its application in forestry were introduced. a monitoring system for wood drying was put forward based on wireless sensor network. The system’s general structure, sensor node hardware and software resources were described. The system consists of drying kiln wireless monitoring network and monitoring center. The system can accurately obtain various environmental parameters of the wood drying kiln in real time and online. Thus the system has the excellent features of deployment flexibility, maintenance friendly, low costs and good extension

Internet of Things; wireless sensor network; radio frequency identification; wood drying

S757.1

A

1673-923X(2012)11-0181-05

2012-10-10

湖南省科技計劃項目（2011FJ3074）；湖南省自然科學基金（11JJ5020；10JJ2022）；中南林業科技大學青年科學研究基金（QJ2010010B）

盧書海(1962-)，河北滄州人，本科，副研究員，主要從事環境科學的研究；電話：13931788328；E-mail：33000693@qq.com

[本文編校：歐陽欽]