森林物聯網結構體系設計與實證研究

文/李依依 王繼龍

以犁等鐵器為代表的農業革命推動人類由原始文明進入農業文明階段，以蒸汽機為代表的工業革命推動人類由農業文明進入工業文明，目前，人類社會開始邁向生態文明階段，正在發生的以計算機、互聯網、物聯網等為代表的信息革命能否擔當歷史大任、推動這一歷史轉變。森林是陸地生態系統的主體，不僅可改善生態環境，而且在整個生態文明建設中也具有十分關鍵的地位與作用。但長期以來，我國森林經營管理基本上都是應用傳統的技術，效率不高，效果欠佳，很不適應當前人們急需改善生態環境的需要。

物聯網技術應用在各個方面，王磊研究了基于物聯網技術的智能能源管控系統；何蕓等人研究了基于物聯網技術的智能交通異常事件檢測技術。隨著物聯網概念的提出,各國政府、企業和科研機構紛紛加入物聯網的研究和建設工作。隨著物聯網的不斷發展,“物”的概念已擴展至學術數據領域。Gubbi等人對物聯網是愿景和未來方向進行了研究。物聯網技術應用廣泛，于慧伶等人研究了基于多傳感器融合的珍稀樹木立體監測系統，陶佰睿等人研究了基于物聯網技術森林火災防控系統，馬鑫等人研究了基于物聯網的建筑火災動態監測方法，邱慶研究了基于物聯網的工業園區大氣污染事故防范與應急系統，宋展等人對智慧農業研究與實踐進展進行了研究，Kelly等人研究了家庭環境監測物聯網的設計，張欽宇等人對海量空間數據物聯網的分布式數據存儲和傳輸技術進行了研究。

圖1：研究工作方法路線圖

生態系統是一個巨大的復雜系統，其構成和影響因子很多，并隨著不同時空條件變化而變化。目前，生態規劃、監測和治理技術還停留在依靠傳統的方法和技術手段，開展的信息技術的研究多是單點、單因素、單層次研究，獲得的信息往往是孤立、片斷、遲滯的信息。森林物聯網的建設，將充分利用信息共享的優勢，為生態環境問題的解決分析提供平臺。同時，基于網絡研究生態環境問題，在一定程度上可以減少生態環境部門的“信息孤島”，使各地、單位、企業的自有信息數據庫互聯互通，可以快速高效地建立信息共享系統，同時避免基礎數據庫重復建設。

1 研究方法與實驗設計

1.1 實驗材料

實驗設備：計算機、傳感器、微型氣象站、視頻監控等。

1.2 實驗方法

研究工作遵循以下方法（圖1）。

1.3 實驗方案

1.3.1 實驗地的選擇

基于課題需要，經過多方比較，選擇北京園博園中的北京園進行初步實驗，采用物聯網技術對實驗林的各種環境參數指標進行實時無線監控。既可使管理者隨時隨地進行遠程登錄查看，同時參觀者也可在展廳實時查看森林各種環境參數；專家也可根據采集存儲的各種信息數據進行專家分析，以便形成更加科學規范的森林種植管理技術，提高森林的質量和管理效率。

1.3.2 森林物聯網結構設計

經過認證研究，設計為三個層次：森林物聯網節點系統，森林物聯網通信系統，森林物聯網應用系統。同時進行安全設計。

森林物聯網節點指傳感器、智能移動設備等。一是環境傳感節點。土壤內部署溫濕度、PH值傳感器。地表部署溫濕度傳感器?？拷愤叺男∩狡虏渴鹨惶讱庀蟊O測設備,為了不破壞景觀,部署在山坡不顯眼的位置。以上傳感器均需強電供電。2臺傳輸節點設備也部署在林區，通過220V電源和鋰電池共同供電。1臺與網關部署在靠墻的位置，另外1臺通過隱蔽安裝于動物模型中，他們與傳感器的連接線采取埋裝方式，溝深至少大于30厘米。二是二維碼標簽節點。打印好的二維碼掛在每棵樹上。

圖2：森林物聯網平面設計示意圖

圖3：森林物聯網工程設計圖

森林物聯網通信系統指有線和無線通信系統，包括核心交換機、2個無線AP等的安裝。核心交換機和2個無線AP之間通過千兆網線互連。無線AP需要強電進行供電。實驗林AP部署在機房內，實驗林AP的天線部署在實驗林內角落里。AP和天線之間通過饋線互連。

表1：歷年生態指標均值表

圖4：森林物聯網自動實時監測和查看

森林物聯網應用系統指監控、告警、自動控制和綜合應用系統（圖2、圖3）。

實驗林安全設計。包括攝像頭，監控存儲，監控客戶端工作站。這3類設備均通過千兆網線和核心交換機互連。

2 結果與分析

本文研究設計了森林物聯網的體系結構，并選擇真實場景進行了實踐驗證。

2.1 森林物聯網節點系統

2.1.1 土壤信息監控

在實驗林部署1個土壤溫濕度傳感器，長期埋設于土壤中使用，進行土壤墑情的定點監測和在線測量，作為水分定點監測的基本工具。傳感器發射特定頻率的電磁波，電磁波沿探針傳輸，到達底部后返回，檢測探頭輸出的電壓，由于土壤介電常數的變化通常取決于土壤的含水量，由輸出電壓和水分的關系則可計算出土壤的含水量。

土壤溫濕度傳感器滿足以下標準：測量溫度范圍0℃-80℃；斜率≥95%；響應時間≤10秒；5V直流供電；全頻率可支持，最高可達115200 kb/s；RS485接口，可進行最多254個設備級聯；支持工業總線標準MODBUS/RTU/ASCII 協議；支持自定義設備地址，范圍 1 -254；參數自動存儲；測量數據自動校準。

2.1.2 地表信息監控

在實驗林地表安裝2個溫濕度傳感器，用于監控實驗林地面的溫濕度情況。在此項目中選擇國產溫濕度傳感器，測量精度是濕度傳感器最重要的指標，每提高一個百分點，對濕度傳感器來說就是上一個臺階。

土壤溫濕度傳感器滿足以下標準：采用高精度溫濕度敏感聚合物，超低功耗；溫度范圍：-40℃-120℃，精度0.1%；濕度范圍：0%-100%，精度 0.1%；采用銅密網封裝，耐壓、便于安裝；5V直流供電；全頻率可支持，最高可達115200 kb/s；RS485接口，可進行最多254個設備級聯；支持工業總線標準MODBUS/RTU/ASCII 協議；支持自定義設備地址，范圍 1- 254；參數自動存儲；測量數據自動校準；可自設零點線性補償參數。

2.1.3 空氣信息監控

在實驗林部署微型氣象監測儀，集空氣、光照、溫濕度、風向、二氧化碳監測于一體。通過氣象監測儀監測空氣污染的意義重大，當空氣污染達到對人體身心健康產生危害時，結合后臺的專家系統可以實現報警功能；而長期的氣象數據收集不僅對于空氣質量有個很好的評價，同時也對林業的基礎數據進行收集并以此為基礎進行預測。比如根據往年的開花環境，對比當年的溫濕度以及樹木生長情況等，就能科學地推測開花時間。

2.1.4 監測節點

實驗林內數據監測節點：共布置3個監測節點，監測數據包括土壤溫濕度、土壤PH值、地表溫濕度、光照、空氣溫濕度、風向和二氧化碳等生長環境指標。

代表監測點和網關，其中監測點1帶土壤溫濕度、地表溫濕度，同時監測點1帶網關功能，使用全功能傳輸網關；監測點2帶地表溫濕度、土壤PH值，使用WSN傳輸節點；監測點3（氣象監測自帶）為氣象監測帶風向、二氧化碳、空氣溫濕度、光照傳感器。

監測節點使用標準環境箱進行安裝，環境箱外表處以與森林相符合圖案粉飾。監測節點從美觀考慮，220V電源加鋰電池供電方式，每個監測點需要預先布置220V交流電源，功耗最大不超過2W，不需要布置網線。

2.1.5 二維碼標注

園內樹木統一使用二維碼標簽介紹樹木的詳細信息。二維碼標簽上標明樹名和科屬。用手機掃過二維碼，立即顯示出樹木的相關介紹。

2.2 森林物聯網通信系統

2.2.1 園區核心交換機

園區核心交換機使用神州數碼DCWS-6028，該設備端口配置非常靈活，支持24個千兆電口，并固化4個復用光口，同時支持2個擴展插槽。DCWS-6028采用硬件ASIC芯片，可全線速轉發IPv4/IPv6的2/3層數據包，支持豐富的路由功能，可支持靜態、RIP、OSPF，BGP，PIM等路由協議，且支持IPv6版本的RIPng、OSPFv3、PIM6動態路由協議。DCWS-6028智能無線控制器最多可管理256臺無線傳輸節點(AP)，具精細的用戶控制管理、完善的RF管理及安全機制、超強的QoS、真正的無縫漫游。

主要特性：易于部署；支持802.11abgn高速無線傳輸；靈活的數據轉發方式；智能射頻管理；IPv6支持；提供精細的無線用戶管理。

2.2.2 園區和實驗林無線

在北京園實驗林區域部署一臺室內AP，并通過饋線和天線連接到實驗林覆蓋，為實驗林傳感器提供高速的網絡傳輸。辦公區AP部署在辦公區內，為園內網絡設備和工作人員提供便捷的網絡服務，方便管理員通過移動終端設備管理和監控園區。

AP主要特性：易于部署；提供高速率寬帶無線接入；提供千兆以太網接口有線連接；支持集中管理；支持用戶隔離策略；智能射頻管理。

2.3 森林物聯網應用系統

2.3.1 網關數據中間件

網關數據與服務器接口傳輸協議包含四大功能：負責網關對數據進行傳輸與校準，保證數據傳輸的可靠性與穩定性；負責與其他WSN監測節點組網路由管理與協調；提供與數據庫服務接口，可支持Mysql、SQLserver等數據庫；傳感器數據自動解析功能。

2.3.2 數據庫存儲及接口服務

數據后臺管理系統：所有監測節點數據通過網關GPRS遠程傳輸到后端服務系統，使用開源的Mysql數據庫，提供實時數據表、歷史數據表、傳感器類型及節點類型表等。提供一個標準的數據調用接口，可供第三方系統使用及管理。提供以下數據庫及調用服務：實時數據表，歷史數據表，監測節點及網關管理表，傳感器類型管理，警報記錄管理，數據導出功能。

2.3.3 遠程登錄服務端系統

主要包括客戶端后臺服務程序及用戶權限管理。

2.3.4 客戶端程序

終端客戶查看程序，程序基于B/S架構，可方便布置于任一有Internet的網絡?？蛻舨榭闯绦虬▓D形化實驗林實時圖形化顯示、歷史數據查詢及圖表化分析、實驗林氣象信息預報、預警設置及查詢等。

UI界面的設計；實時顯示氣象信息及預報；界面動態儀表圖形化顯示實時監測點數據；支持監測點歷史數據查詢和圖表化輸出、分析功能；可針對某一環境參數設置預警值，當數據異常進行報警并短信通知；支持用戶遠程登錄、監測功能；用戶管理功能，可新建、刪除用戶，可定義每個用戶不同權限。

2.4 實驗林信息安全

2.4.1 園區監控

在實驗林內安裝高清視頻監控，用來實時監控實驗林安全。建立合理、有效的高清視頻監控管理系統，能夠使管理人員在第一時間發現問題，提出應對措施及應急預案。高清視頻監控系統基于IP網絡傳輸，可以提供720P的實時視頻圖像，高分辨率的視頻圖像除了解決傳統視頻監控系統“看得見”的問題，更容易看到監控對象的細節（比如人臉），解決了監控的深層次需求“看得清”，同時高分辨率的視頻圖像更加有利于在重點部位應用智能分析技術，可以讓系統看的“更智能”，提高安防技術水平。

2.4.2 網絡高速球

DCS-NS300-G18是一款18倍720P全實時網絡高速球，它采用標準H.264 Main Profile壓縮算法，支持雙碼流傳輸。提供包括報警輸入輸出、報警聯動預置位、軌跡巡航，看守位、預置位等豐富的功能。該攝像機可以通過內建的WEB SERVER或專用的視頻監控平臺實現訪問，可以對網絡攝像機進行瀏覽、錄像、配置、升級操作。

2.4.3 視頻存儲服務器

是一套基于標準H.264的數字視頻管理平臺，集監控、回放、存儲于一身，專為復雜多變的網絡監控系統設計，既可使用在小規模網絡中，也可以很方便地擴展，使用在多級別、大容量的監控系統中，具有容易使用、高度集成、便捷擴展、功能豐富等特點。

3 結論與討論

3.1 設計了森林物聯網的結構體系

應用現代信息技術，設計了包括森林物聯網節點系統、森林物聯網通信系統、森林物聯網應用系統和實驗林安全設計在內的森林物聯網結構體系，提出物聯網等新技術應用于森林經營管理的技術路線和技術方案。

3.2 進行了森林物聯網的實證研究

根據研究設計的森林物聯網結構體系，選擇北京園博園真實場景進行了實踐，驗證了設計的科學性。實驗林充分利用物聯網技術，將整片林子通過無線傳感器網絡連接在一起，網絡節點大量實時地收集林內溫度、濕度、光照、氣體濃度、樹木生長及各種災害指標情況，并傳輸到管理平臺，信息管理系統將根據動態監測到的樹木生長變化情況，分析樹木生長需要的土壤水分、養分、ph值等適宜的環境信息，歷年生態數據指標均值表如表1所示，森林物聯網自動實時監測如圖4所示。

圖5：森林物聯網實驗林一角

3.3 初步建立了基于森林物聯網的“智慧森林”

實現了森林經營管理的四個轉變：時間上，由臨時隨機巡護轉變為實時全程監管；空間上，由跋山涉水奔赴山頭艱難看管轉變為坐在辦公室遠程舒適查看；方式上，由人工粗放管理轉變為現代設備自動監測；質量上，由抽樣大致分析轉變為每棵樹木精準數據分析?？傊蛇^去的“人工粗放管理”轉變為“現代智慧管理”。這是一種森林經營管理的全新模式，找出了一個物聯網等新技術與森林經營管理相融合，智能監測森林生長變化及其周圍環境變化，提高森林質量和森林經營管理水平，努力改善生態環境的切入點和突破口。成為運用現代信息技術實現森林培育管理的一個示范和樣板，成為第一片“智慧森林”。它不僅集中展示了林業物聯網的應用，也將進一步推動森林培育實現標準化、數字化和網絡化，推動管理實現信息化和現代化（圖5）。

3.4 討論

該研究取得了森林物聯網研究的階段性成果，相信隨著逐步擴大、推開，將為推進林業信息化建設，促進綠色增長，弘揚生態文明，共建美麗中國做出應有的貢獻。但同時，今后還有許多工作要做。再經過若干年的數據監測積累，可以分析出更多有重要科學價值的規律性結論，如：周圍環境的變化對森林生長變化的影響規律；森林生長的不同階段對生態環境的改善規律等等。