基于物聯網技術的森林環境因子監測平臺研建

基于物聯網技術的森林環境因子監測平臺研建

王霓虹，戴巍，楊英奎

(東北林業大學 信息與計算機工程學院，哈爾濱 150040)

摘要：針對森林環境因子監測的需求，將物聯網技術應用到森林環境因子監測平臺的構建中。監測系統以多個類型的傳感器為核心，應用ZigBee技術組建無線傳感網絡，結合物聯網網關，完成溫濕度、光照強度、降水量等森林環境因子數據的采集和傳輸工作。在對采集數據進行存儲、分析、處理的基礎上，研建面向用戶的交互式綜合服務管理平臺。該平臺通過實現硬件智能控制和數據綜合管理，最終達到森林環境智能監測的目的。

關鍵詞：物聯網技術；ZigBee；森林環境因子；監測平臺

中圖分類號：S 152

文獻標識碼：A

文章編號：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

基金項目：林業科學技術推廣項目([2012]43 號)；“十二五”農村領域國家科技計劃課題(2012AA102003-2)；國家公益性行業專項(201104037)

作者簡介：第一王霓虹，教授，博導。研究方向：林業工程。

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.

森林環境因子包括，林內溫度、濕度、光照強度、土壤濕度等，他們對整個森林生態系統有著錯綜復雜的影響。森林環境因子的變化可以反映森林小氣候變化情況，持續的異常因子數據可幫助預報森林突發自然災害，例如森林火災、冰凍災害等。因此森林環境因子監測對研究森林發展具有重要意義。森林環境因子的獲得方法有多種，傳統的人工采集需要耗費大量人力、時間，且數據精準度不高，數據連續性不強，難以實現長期監測。

近幾年，隨著物聯網技術的飛速發展，其在環境監測方面的應用逐漸成熟起來。物聯網技術本質上也是基于互聯網技術的一種網絡技術，實現任何物品與物品相連。物聯網應用中常常用到的關鍵技術包括：傳感技術、RFID標簽、嵌入式系統技術，云計算等。其中傳感技術已廣泛應用于各領域監測，例如溫室大棚監測[1]、水質監測[2]、森林火災監測[3]等。當然，實現監測除了應用傳感技術，還要配合嵌入式計算機技術、網絡通信技術等現代技術。隨著云計算的同步高速發展，物聯網技術與云計算的配合相得益彰，云計算以多組服務器構建大型數據中心，實現數據采集、集中處理、分配用戶新模式，充分發揮物聯網技術應用于森林環境監測中的優勢。物聯網技術應用在森林環境監測方面有很多優勢，傳感器節點布設簡便、采集數據準確度高、不同環境下適應力強、抗干擾能力強、成本低，節約人力資源；多網聯合實現“物物相連”，無線傳輸提高采集效率。

本文提出基于物聯網技術的森林環境因子監測平臺，傳感終端利用各類型傳感器采集溫濕度、光照強度、降水量等森林環境因子數據，通過ZigBee無線傳感網絡與3G移動通信網絡將數據傳輸到數據中心，最終設計并實現一個面向林業用戶的綜合管理應用平臺，平臺基于網站交互式界面設計，實現數據存儲、處理、分析和管理，有效提升數據利用價值。

1森林環境監測平臺總體架構

物聯網技術應用在森林環境監測中，同樣采用業界公認的三層體系架構，底層是感知層，用來感知數據；然后是網絡層，將感知到的數據傳輸到應用層；應用層多搭載應用平臺，面向各類用戶。物聯網應用于森林監測的系統結構框圖如圖1所示，森林環境監測應用到物聯網各層次中的以下幾項關鍵技術。

當我們在進行股票運作時，追求的是績優股，當我們在購買房產時，追求的是未來的黃金地段，同樣，國有企業在進行經營時所追求的就是績優股、黃金地段，就是資產的良性發展。油田企業作為國有企業的一員，就是要維護國有資產安全，保障企業可持續發展。從當前企業審計的要求來看，質量和責任是企業審計的基礎，績效是企業審計的方向和目標，就是要發現企業是否成為了藍籌股，把投入產出比例如何作為國有資產的組成部分，油田企業的績效審計越來越被重視，它進一步擴展和深化了油田企業審計的內涵。

圖1　物聯網系統結構框圖 Fig.1 Structure diagram of internet of things system

1.1　感知層關鍵技術

感知層位于物聯網三層結構的最底層，也是采集數據的基礎部分。主要涉及傳感技術、嵌入式計算技術、無線傳輸技術等關鍵技術。傳感器可以獨立應用，也可以與其他設備組合使用，無論以哪種方式使用，傳感器一直擔任感知輸入部分，負責數據采集工作。在林內大范圍布設各類型傳感器節點，通過ZigBee技術組建無線傳感網絡，能夠全面獲取大量森林環境因子數據，提高采集效率，節省人力資源。ZigBee是服從IEEE802.15.4標準的短距離、低功耗無線傳輸技術，適合傳感器節點之間的自組網或傳感器與物聯網網關之間的無線通信[5]。ZigBee具有傳輸距離短、數據速率低、時延短、成本低、安全可靠等特點。

1.2　傳輸層關鍵技術

傳輸層連接感知層與應用層，建立在互聯網、移動通信網等網絡基礎上，負責將感知層上傳的采集數據處理，傳輸到應用層。承擔傳輸任務的是物聯網網關，將通過基于ZigBee協議的無線傳感網絡傳輸的數據經協議轉換再以不同的接入方式上傳到應用層。這里連接互聯網的接入方式包括有線通信方式，如以太網；無線通信方式，如Wi-Fi、2G/3G等。考慮到森林監測的環境限制，本設計傳輸層選用3G移動通信技術接入互聯網。3G網絡覆蓋范圍更廣，無線通信更方便，用戶在任何地方均可以訪問系統平臺。目前我國3G標準有移動TD-SCDMA、聯通WCDMA和電信CDMA2000，本設計采用CDMA2000電信3G標準。

1.3　應用層關鍵技術

應用層主要面向用戶需求，負責信息處理與人機交互界面。針對森林環境監測平臺，應用層匯聚感知層與傳輸層傳回的環境因子數據，進行智能化存儲、分析、處理。實現基于互聯網訪問的交互式平臺界面，為用戶提供一系列的管理、應用和服務。這里引入云計算平臺，提供大規模的、便捷的和按需的網絡服務。

云計算是基于互聯網的計算方式，其具有大規模、虛擬化、高可靠性、通用性、高擴展性、按需服務、低廉等特點。云計算平臺提供給用戶統一的平臺訪問入口，用戶可以按需訪問有效資源，可通過應用程序獲取所需數據到本地數據庫。云計算平臺超強的處理能力、統一的資源管理分配，極大地提高了資源利用率。

2硬件設計

2.1　傳感器節點設計

傳感器節點具有采集數據、處理數據、中轉數據及上報數據包功能，這些功能主要依靠幾個模塊完成，一般分為數據采集模塊(包括各類型傳感器和A/D轉換器)、數據處理模塊(包括CPU和存儲器)、無線收發模塊、電源模塊。傳感器節點結構圖如圖2所示：

圖2　傳感器節點結構圖 Fig.2 Structure diagram of sensor nodes

本設計采用美國Ti公司生產的CC2530芯片，集合了2.4-GHz IEEE 802.15.4 的RF 收發器，增強型8051CPU，其高集成、抗干擾、低功耗的特性完全適用于森林環境監測[6-7]。森林環境監測所需傳感器包括溫濕度傳感器、光照強度傳感器、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型號溫濕度傳感芯片，該芯片內置14位A/D轉換器，濕度測量范圍：0～100%RH；溫度測量范圍：-40～+123.8℃；溫度測量精度：±0.4℃；濕度測量精度：±3.0%RH。該芯片集成度高、精確度高和抗干擾能力強。

光照強度監測采用日本RHOM株式會社近年推出的BH1750FVI高精度數字型光強度傳感器。BH1750FVI內置16位A/D轉換器，數據傳輸使用標準的I2C總線，分辨率為1-65535lx，支持較大范圍的光強變化，符合林區內光強度監測要求。

土壤溫濕度監測選用北京昆侖海岸公司生產的JTS-01型土壤溫度與土壤水分傳感器。準確度為±3%RH，量程為0～100%RH，具有簡便安全、快速準確、定點連續、自動化、寬量程、少標定等優點。傳感器埋入土壤0~10 cm和10~20 cm深度的土層，分別監測不同深度土層的土壤溫濕度。土壤水分傳感器輸出信號為0~1V電壓值，經實地測試與校正，最終確定土壤水分含量與輸出電壓的對應關系[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

監測降雨量采用SL3-1型號翻斗式雨量傳感器，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脈沖信號，每產生一個脈沖信號代表0.2 mm降水，通過計數儀記錄累積脈沖信號個數得到累積降水量。

傳感器節點可采用太陽能電池板、鋰電池、直接上電等供電方式，考慮到野外工作環境惡劣，降低設備成本，本系統采用3.6 V鋰電池供電。

2.2　物聯網網關設計

物聯網網關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備通信時支持ZigBee等通信協議，面向應用層，支持多種網絡接入方式，如以太網、2G/3G移動通信網絡等。物聯網網關就是解決感知網絡與傳統通信網絡的協議轉換問題[9]。因此物聯網網關硬件模塊化的設計主要分為4部分：數據采集模塊、數據處理模塊、接入模塊和供電模塊，如圖4所示。

圖4　物聯網網關硬件模塊 Fig.4 Gateway hardware modules for internet of things

本設計選用3G網絡無線接入方式，ZigBee無線網絡協議與3G移動通信網絡的CDMA2000協議需要協議轉換，將感知層上傳的數據封裝經協議轉換，數據解包下傳到應用層，這個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森林環境因子監測平臺設計

良好的平臺設計才能有效體現數據的價值，森林環境監測平臺為綜合性服務平臺，平臺將通過數據倉庫、數據挖掘對數據處理分析，將處理結果展示給用戶。平臺采用B/S模式、J2EE架構開發，MySQL數據庫做底層數據支持，界面為交互式網

站形式的綜合服務平臺。平臺功能主要分為實時監測數據查詢、歷史數據查詢、數據變化曲線、數據監測點位置狀態監測、異常報警等功能。傳感器布設地點選擇黑龍江省孟家崗林場，落葉松人工林示范區。

實時數據即時查詢，平臺應用Ajax技術無需重載整個網頁實現數據異步更新。傳感器自動上報數據時間為60 s，數據采集頻率可自定義設置，為方便統計，設定采集數據每小時入數據庫一次，即傳感器響應時間為3 600 s。如圖6所示，為10 cm和20 cm深土壤溫度實時數據值。

用戶跟據需要選擇不同時間段的森林環境因子的歷史監測數據，并可根據需要下載數據到Excel表中。系統按月平均值繪制數值變化曲線，用戶可查看不同時間段的變化曲線，了解林內溫濕度、光照強度等環境因子的變化趨勢。如圖7所示，為2014年7月到9月的溫度變化趨勢。

當出現傳感器節點損壞、網絡異常等情況導致無法正常傳回數據，系統會提示傳感器離線、傳輸異常。有時異常的環境因子數據也預示著森林災害的發生。通過GIS平臺展示傳感器節點的地理位置和工作狀態。示范區部分傳感節點的情況如圖8所示。

圖6　土壤溫度實時數據 Fig.6 Real time data of soil temperature

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

圖8　傳感器節點情況展示 Fig.8 Display of the sensor node situation

4結論

本設計采用物聯網技術，構建了森林環境因子監測平臺。本文以物聯網層次結構為大綱給出了系統總體設計方案。數據采集部分采用ZigBee技術，綜合多類型無線傳感器組建無線傳感網絡，獲取森林環境因子信息。數據傳輸部分引入物聯網網關設計，結合3G移動通信網絡，實現ZigBee接入互聯網。硬件設計提供可靠、高效、精準的數據采集方

式，最后以采集的數據為基礎，軟硬件設計相結合，研究并實現了森林環境因子監測平臺，該平臺設計界面良好、可操作性強、實用價值高、是集數據處理、展示、管理于一體的綜合服務平臺。本研究充分利用物聯網技術在森林環境監測方面的優勢，提出一套完整可行的設計方案，針對傳統森林環境監測方式的不足，可有效提高采集效率，降低作業成本，提升系統應用價值。

【參考文獻】

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[責任編輯：肖生苓]