森林物联网结构体系设计与实证研究

文/李依依 王继龙

以犁等铁器为代表的农业革命推动人类由原始文明进入农业文明阶段，以蒸汽机为代表的工业革命推动人类由农业文明进入工业文明，目前，人类社会开始迈向生态文明阶段，正在发生的以计算机、互联网、物联网等为代表的信息革命能否担当历史大任、推动这一历史转变。森林是陆地生态系统的主体，不仅可改善生态环境，而且在整个生态文明建设中也具有十分关键的地位与作用。但长期以来，我国森林经营管理基本上都是应用传统的技术，效率不高，效果欠佳，很不适应当前人们急需改善生态环境的需要。

物联网技术应用在各个方面，王磊研究了基于物联网技术的智能能源管控系统；何芸等人研究了基于物联网技术的智能交通异常事件检测技术。随着物联网概念的提出,各国政府、企业和科研机构纷纷加入物联网的研究和建设工作。随着物联网的不断发展,“物”的概念已扩展至学术数据领域。Gubbi等人对物联网是愿景和未来方向进行了研究。物联网技术应用广泛，于慧伶等人研究了基于多传感器融合的珍稀树木立体监测系统，陶佰睿等人研究了基于物联网技术森林火灾防控系统，马鑫等人研究了基于物联网的建筑火灾动态监测方法，邱庆研究了基于物联网的工业园区大气污染事故防范与应急系统，宋展等人对智慧农业研究与实践进展进行了研究，Kelly等人研究了家庭环境监测物联网的设计，张钦宇等人对海量空间数据物联网的分布式数据存储和传输技术进行了研究。

图1：研究工作方法路线图

生态系统是一个巨大的复杂系统，其构成和影响因子很多，并随着不同时空条件变化而变化。目前，生态规划、监测和治理技术还停留在依靠传统的方法和技术手段，开展的信息技术的研究多是单点、单因素、单层次研究，获得的信息往往是孤立、片断、迟滞的信息。森林物联网的建设，将充分利用信息共享的优势，为生态环境问题的解决分析提供平台。同时，基于网络研究生态环境问题，在一定程度上可以减少生态环境部门的“信息孤岛”，使各地、单位、企业的自有信息数据库互联互通，可以快速高效地建立信息共享系统，同时避免基础数据库重复建设。

1 研究方法与实验设计

1.1 实验材料

实验设备：计算机、传感器、微型气象站、视频监控等。

1.2 实验方法

研究工作遵循以下方法（图1）。

1.3 实验方案

1.3.1 实验地的选择

基于课题需要，经过多方比较，选择北京园博园中的北京园进行初步实验，采用物联网技术对实验林的各种环境参数指标进行实时无线监控。既可使管理者随时随地进行远程登录查看，同时参观者也可在展厅实时查看森林各种环境参数；专家也可根据采集存储的各种信息数据进行专家分析，以便形成更加科学规范的森林种植管理技术，提高森林的质量和管理效率。

1.3.2 森林物联网结构设计

经过认证研究，设计为三个层次：森林物联网节点系统，森林物联网通信系统，森林物联网应用系统。同时进行安全设计。

森林物联网节点指传感器、智能移动设备等。一是环境传感节点。土壤内部署温湿度、PH值传感器。地表部署温湿度传感器。靠近路边的小山坡部署一套气象监测设备,为了不破坏景观,部署在山坡不显眼的位置。以上传感器均需强电供电。2台传输节点设备也部署在林区，通过220V电源和锂电池共同供电。1台与网关部署在靠墙的位置，另外1台通过隐蔽安装于动物模型中，他们与传感器的连接线采取埋装方式，沟深至少大于30厘米。二是二维码标签节点。打印好的二维码挂在每棵树上。

图2：森林物联网平面设计示意图

图3：森林物联网工程设计图

森林物联网通信系统指有线和无线通信系统，包括核心交换机、2个无线AP等的安装。核心交换机和2个无线AP之间通过千兆网线互连。无线AP需要强电进行供电。实验林AP部署在机房内，实验林AP的天线部署在实验林内角落里。AP和天线之间通过馈线互连。

表1：历年生态指标均值表

图4：森林物联网自动实时监测和查看

森林物联网应用系统指监控、告警、自动控制和综合应用系统（图2、图3）。

实验林安全设计。包括摄像头，监控存储，监控客户端工作站。这3类设备均通过千兆网线和核心交换机互连。

2 结果与分析

本文研究设计了森林物联网的体系结构，并选择真实场景进行了实践验证。

2.1 森林物联网节点系统

2.1.1 土壤信息监控

在实验林部署1个土壤温湿度传感器，长期埋设于土壤中使用，进行土壤墒情的定点监测和在线测量，作为水分定点监测的基本工具。传感器发射特定频率的电磁波，电磁波沿探针传输，到达底部后返回，检测探头输出的电压，由于土壤介电常数的变化通常取决于土壤的含水量，由输出电压和水分的关系则可计算出土壤的含水量。

土壤温湿度传感器满足以下标准：测量温度范围0℃-80℃；斜率≥95%；响应时间≤10秒；5V直流供电；全频率可支持，最高可达115200 kb/s；RS485接口，可进行最多254个设备级联；支持工业总线标准MODBUS/RTU/ASCII 协议；支持自定义设备地址，范围 1 -254；参数自动存储；测量数据自动校准。

2.1.2 地表信息监控

在实验林地表安装2个温湿度传感器，用于监控实验林地面的温湿度情况。在此项目中选择国产温湿度传感器，测量精度是湿度传感器最重要的指标，每提高一个百分点，对湿度传感器来说就是上一个台阶。

土壤温湿度传感器满足以下标准：采用高精度温湿度敏感聚合物，超低功耗；温度范围：-40℃-120℃，精度0.1%；湿度范围：0%-100%，精度 0.1%；采用铜密网封装，耐压、便于安装；5V直流供电；全频率可支持，最高可达115200 kb/s；RS485接口，可进行最多254个设备级联；支持工业总线标准MODBUS/RTU/ASCII 协议；支持自定义设备地址，范围 1- 254；参数自动存储；测量数据自动校准；可自设零点线性补偿参数。

2.1.3 空气信息监控

在实验林部署微型气象监测仪，集空气、光照、温湿度、风向、二氧化碳监测于一体。通过气象监测仪监测空气污染的意义重大，当空气污染达到对人体身心健康产生危害时，结合后台的专家系统可以实现报警功能；而长期的气象数据收集不仅对于空气质量有个很好的评价，同时也对林业的基础数据进行收集并以此为基础进行预测。比如根据往年的开花环境，对比当年的温湿度以及树木生长情况等，就能科学地推测开花时间。

2.1.4 监测节点

实验林内数据监测节点：共布置3个监测节点，监测数据包括土壤温湿度、土壤PH值、地表温湿度、光照、空气温湿度、风向和二氧化碳等生长环境指标。

代表监测点和网关，其中监测点1带土壤温湿度、地表温湿度，同时监测点1带网关功能，使用全功能传输网关；监测点2带地表温湿度、土壤PH值，使用WSN传输节点；监测点3（气象监测自带）为气象监测带风向、二氧化碳、空气温湿度、光照传感器。

监测节点使用标准环境箱进行安装，环境箱外表处以与森林相符合图案粉饰。监测节点从美观考虑，220V电源加锂电池供电方式，每个监测点需要预先布置220V交流电源，功耗最大不超过2W，不需要布置网线。

2.1.5 二维码标注

园内树木统一使用二维码标签介绍树木的详细信息。二维码标签上标明树名和科属。用手机扫过二维码，立即显示出树木的相关介绍。

2.2 森林物联网通信系统

2.2.1 园区核心交换机

园区核心交换机使用神州数码DCWS-6028，该设备端口配置非常灵活，支持24个千兆电口，并固化4个复用光口，同时支持2个扩展插槽。DCWS-6028采用硬件ASIC芯片，可全线速转发IPv4/IPv6的2/3层数据包，支持丰富的路由功能，可支持静态、RIP、OSPF，BGP，PIM等路由协议，且支持IPv6版本的RIPng、OSPFv3、PIM6动态路由协议。DCWS-6028智能无线控制器最多可管理256台无线传输节点(AP)，具精细的用户控制管理、完善的RF管理及安全机制、超强的QoS、真正的无缝漫游。

主要特性：易于部署；支持802.11abgn高速无线传输；灵活的数据转发方式；智能射频管理；IPv6支持；提供精细的无线用户管理。

2.2.2 园区和实验林无线

在北京园实验林区域部署一台室内AP，并通过馈线和天线连接到实验林覆盖，为实验林传感器提供高速的网络传输。办公区AP部署在办公区内，为园内网络设备和工作人员提供便捷的网络服务，方便管理员通过移动终端设备管理和监控园区。

AP主要特性：易于部署；提供高速率宽带无线接入；提供千兆以太网接口有线连接；支持集中管理；支持用户隔离策略；智能射频管理。

2.3 森林物联网应用系统

2.3.1 网关数据中间件

网关数据与服务器接口传输协议包含四大功能：负责网关对数据进行传输与校准，保证数据传输的可靠性与稳定性；负责与其他WSN监测节点组网路由管理与协调；提供与数据库服务接口，可支持Mysql、SQLserver等数据库；传感器数据自动解析功能。

2.3.2 数据库存储及接口服务

数据后台管理系统：所有监测节点数据通过网关GPRS远程传输到后端服务系统，使用开源的Mysql数据库，提供实时数据表、历史数据表、传感器类型及节点类型表等。提供一个标准的数据调用接口，可供第三方系统使用及管理。提供以下数据库及调用服务：实时数据表，历史数据表，监测节点及网关管理表，传感器类型管理，警报记录管理，数据导出功能。

2.3.3 远程登录服务端系统

主要包括客户端后台服务程序及用户权限管理。

2.3.4 客户端程序

终端客户查看程序，程序基于B/S架构，可方便布置于任一有Internet的网络。客户查看程序包括图形化实验林实时图形化显示、历史数据查询及图表化分析、实验林气象信息预报、预警设置及查询等。

UI界面的设计；实时显示气象信息及预报；界面动态仪表图形化显示实时监测点数据；支持监测点历史数据查询和图表化输出、分析功能；可针对某一环境参数设置预警值，当数据异常进行报警并短信通知；支持用户远程登录、监测功能；用户管理功能，可新建、删除用户，可定义每个用户不同权限。

2.4 实验林信息安全

2.4.1 园区监控

在实验林内安装高清视频监控，用来实时监控实验林安全。建立合理、有效的高清视频监控管理系统，能够使管理人员在第一时间发现问题，提出应对措施及应急预案。高清视频监控系统基于IP网络传输，可以提供720P的实时视频图像，高分辨率的视频图像除了解决传统视频监控系统“看得见”的问题，更容易看到监控对象的细节（比如人脸），解决了监控的深层次需求“看得清”，同时高分辨率的视频图像更加有利于在重点部位应用智能分析技术，可以让系统看的“更智能”，提高安防技术水平。

2.4.2 网络高速球

DCS-NS300-G18是一款18倍720P全实时网络高速球，它采用标准H.264 Main Profile压缩算法，支持双码流传输。提供包括报警输入输出、报警联动预置位、轨迹巡航，看守位、预置位等丰富的功能。该摄像机可以通过内建的WEB SERVER或专用的视频监控平台实现访问，可以对网络摄像机进行浏览、录像、配置、升级操作。

2.4.3 视频存储服务器

是一套基于标准H.264的数字视频管理平台，集监控、回放、存储于一身，专为复杂多变的网络监控系统设计，既可使用在小规模网络中，也可以很方便地扩展，使用在多级别、大容量的监控系统中，具有容易使用、高度集成、便捷扩展、功能丰富等特点。

3 结论与讨论

3.1 设计了森林物联网的结构体系

应用现代信息技术，设计了包括森林物联网节点系统、森林物联网通信系统、森林物联网应用系统和实验林安全设计在内的森林物联网结构体系，提出物联网等新技术应用于森林经营管理的技术路线和技术方案。

3.2 进行了森林物联网的实证研究

根据研究设计的森林物联网结构体系，选择北京园博园真实场景进行了实践，验证了设计的科学性。实验林充分利用物联网技术，将整片林子通过无线传感器网络连接在一起，网络节点大量实时地收集林内温度、湿度、光照、气体浓度、树木生长及各种灾害指标情况，并传输到管理平台，信息管理系统将根据动态监测到的树木生长变化情况，分析树木生长需要的土壤水分、养分、ph值等适宜的环境信息，历年生态数据指标均值表如表1所示，森林物联网自动实时监测如图4所示。

图5：森林物联网实验林一角

3.3 初步建立了基于森林物联网的“智慧森林”

实现了森林经营管理的四个转变：时间上，由临时随机巡护转变为实时全程监管；空间上，由跋山涉水奔赴山头艰难看管转变为坐在办公室远程舒适查看；方式上，由人工粗放管理转变为现代设备自动监测；质量上，由抽样大致分析转变为每棵树木精准数据分析。总之，由过去的“人工粗放管理”转变为“现代智慧管理”。这是一种森林经营管理的全新模式，找出了一个物联网等新技术与森林经营管理相融合，智能监测森林生长变化及其周围环境变化，提高森林质量和森林经营管理水平，努力改善生态环境的切入点和突破口。成为运用现代信息技术实现森林培育管理的一个示范和样板，成为第一片“智慧森林”。它不仅集中展示了林业物联网的应用，也将进一步推动森林培育实现标准化、数字化和网络化，推动管理实现信息化和现代化（图5）。

3.4 讨论

该研究取得了森林物联网研究的阶段性成果，相信随着逐步扩大、推开，将为推进林业信息化建设，促进绿色增长，弘扬生态文明，共建美丽中国做出应有的贡献。但同时，今后还有许多工作要做。再经过若干年的数据监测积累，可以分析出更多有重要科学价值的规律性结论，如：周围环境的变化对森林生长变化的影响规律；森林生长的不同阶段对生态环境的改善规律等等。