物联网关键技术及其在林业中的应用

卢书海，刘 帅，李建军，曹旭鹏

物联网关键技术及其在林业中的应用

卢书海1，刘 帅2，李建军2，曹旭鹏2

（1.河北省沧州市科技情报研究所，河北 沧州 061000；2中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

分析了无线传感器网络在木材干燥中的应用，提出基于无线传感器网络的木材干燥监测系统，并介绍了系统总体结构、传感器节点的硬件和软件资源。该系统由干燥窑无线监测网络和监控中心两个部分组成，可实时、在线、精确获取干燥窑各类环境参数，具有部署灵活、维护方便、成本低廉、扩展性好等优点。

物联网；无线传感网络；射频识别；木材干燥

物联网(Internet of Things)作为新一代信息技术的重要组成部分，被称为继计算机、互联网之后世界信息产业的第三次革命。国家“十二五”规划将物联网列为战略性新兴产业，计划在“十二五”期间投资四万亿用于全国物联网基础设施建设，充分表明了我国政府对物联网的重视。2011年10月的首届“全国林业信息化学术研讨会”上，中科院唐守正院士做了关于林业信息技术展望的重要报告，其中多次提到利用物联网、云计算等信息技术进行林业应用创新。由此可见，物联网将会进入一个从概念推广、政策制定到技术研发、配套建设的快速发展时期，并将成为林业信息化建设中的决定力量。

目前，物联网已在智能家居、信息林业、交通控制、设施农业管理、自然灾害监测等领域取得了一系列研究进展[1-4]。本研究在综述物联网关键技术及发展现状的同时，提出了物联网在林业应用领域的新方向：木材干燥物联网，并系统分析了木材干燥物联网总体设计思路及技术要点。

1 物联网关键技术及应用现状

1.1 物联网概念

物联网最初由美国麻省理工在1999年提出，其初衷是希望能将各种家用电器、汽车、日常生活用品如牙刷、马桶等物件贴上电子标签接入互联网，使人们能实时获取这些物品的相关信息，以实现智能化识别和管理。2005年突尼斯举行的信息社会世界峰会上，国际电信联盟组织在《ITU互联网报告》中正式提出“物联网”概念[5]：将各种信息传感设备，如射频识别、无线传感、全球定位、激光扫描等与互联网结合起来而形成一个新的智能网络。其目的是让所有的物品都接入到网络中，方便用户随时随地对目标物体进行识别、定位、监控及管理。物联网概念模型[6]如图1所示。

图1 物联网概念模型Fig.1 Conceptual model of Internet of Things

1.2 关键技术及应用现状

物联网实现物与物、物与人之间的泛在连接，需要实时监测接入网络中的任何物体，采集能反映物体属性和状态的各类信息，如声、光、电、热、力、位置等，从而实现对物体的智能化感知、识别、跟踪及定位。因此，物联网涉及到许多技术，国际电信联盟将其大致分为四类[7]：感知物体的无线传感技术、标识物体的射频识别技术、表示物体的智能技术及微缩物体的纳米技术。本研究紧密结合物联网在林业中的应用，介绍前三类物联网技术。

1.2.1 传感器网络及ZigBee技术

传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是集分布式信息采集、信息传输和信息处理技术于一体的网络信息系统，以其低成本、低功耗、组网灵活、铺设简单及适合移动等特点受到广泛重视。传感器网络的基本功能是将一系列空间分散的传感器单元通过自组织方式进行连接，从而将各自采集的数据通过无线网络进行传输汇总，以实现空间分散范围内物理或环境状况的协作监控。物联网正是通过遍布在各个角落和物体上的形形色色的传感器以及由它们组成的无线传感器网络，来感知整个物质世界。

传感器节点之间通常采用ZigBee协议进行无线通信。ZigBee协议是基于IEEE802.15.4标准的无线网络技术，也是当前物联网中应用最广泛的技术[8]。其名称来源于蜂群的通信方式：蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来传递食物源的位置、距离和方向等信息。ZigBee技术模仿蜜蜂传递信息的方式，通过相邻网络节点之间信息的接力传递，将信息以无线方式从一个节点传输到另外一个节点。ZigBee技术作为一种低复杂度、自组织、低功耗的通信方式，非常适合通信信号的短距离无线传输。

作为物联网的重要组成部分，无线传感技术近年在信息林业中得到了广泛的应用。Hefeeda[9]提出火险天气指数系统(FWI)，通过分析传感器节点传回的森林气象数据，对森林火险作出早期预警。Al-Turjman[10]等从网络联通性方面研究了森林环境监测用无线传感器网络的节点布置优化策略。刘帅等[11]将ZigBee无线传感技术应用于森林防火中，对森林火险实时监测系统的构建、通信协议选择、节点软硬件开发等问题进行了研究。刘丹[12]研究了用于森林火灾监测的传感器定位算法，为火点早期定位提供了有力的理论依据。李骏慧等[13]以Cortex-M3型处理器为核心，设计了面向森林生态监测的物联网数据采集系统，通过单总线数字式温湿度传感器、烟雾传感器、CO2传感器和光亮度传感器分别采集温度、湿度、CO2含量和光照等与林木相关的信息。

1.2.2 RFID技术

RFID即无线射频识别，又称电子标签技术，是一项利用射频信号实现非接触式信息传递来自动识别目标的技术。作为条形码扫描识别技术的拓展和延伸，近年来广泛应用于物流、通信、交通、智能家居等领域[14]。RFID通常由三部分组成：标签、天线和识读器。标签由射频耦合元件及相关外围器件组成，附着在物体上用于标识目标物体，每个标签具有唯一的电子编码；天线用于发射和接收射频信号；识读器通过天线实时读取标签的信息，将射频信号解码，供后台计算机信息系统进行有关数据处理。RFID技术的基本工作原理是：当标签进入识读器天线的辐射范围，就可以接收到识读器发出的射频信号，内置的射频耦合元件凭借电磁感应产生感应电流激活内置芯片，后者将存储于芯片内的物件编码信息发射给识读器。此外，也有另外一种类型的RFID标签，该标签自带电源，一般多为锂电池，以主动的方式发送某一频率的射频信号。

将RFID技术与Internet相结合，用户通过Internet跟踪贴有电子标签的物品，组成真正意义上的“物联网”。目前，国内外林业领域已有多项RFID技术应用研究。例如，Chen Zhao[15]等探讨了物联网技术在木材储运物流中的应用，实现木材入库、出库、盘点过程的自动化管理。Anders Björk[16]将RFID技术用于木材工业化生产过程，采用电子标签将木材的各种加工生产信息实时写入数据库系统，自动跟踪从原木采伐到木制品生产的整个过程，最大限度地提高原料利用率及木质制品的产量，同时还能有效监测木材生产对环境的影响。王晓伟[17]对林业行业RFID技术标准化建设需要遵循的原则、体系结构及标准内容等方面进行了研究， 为林业行业实施RFID技术的标准化提供理论依据。

1.2.3 智能技术

由于物联网具有明显的“智能化”要求和特征，而智能信息技术是保障这一特性的关键技术，因此智能技术的研究对物联网的发展具有重要的意义。智能技术包括智能信号处理、智能控制技术、先进的人机交互技术、云计算等。目前，智能信号处理技术比较成熟，在物联网中有广泛的应用。

物联网的智能信号处理以多物理量检测、信号提取、信号调理、信号变换、信号分析为核心技术[6]。其处理过程既可以发生在数据采集端，如传感器节点或RFID芯片，也能在资源丰富的基站或服务器上实现。在数据采集端或感知层，通过信号调理及检测技术滤除信号带外噪声，提高信号的信噪比；依据信号采集的空间相关、时间相关等特点来消除冗余信号，降低网内数据流量及传输能耗。在基站及服务器上，能实现诸如分类、预测、模式识别等复杂的非线性信号处理。2008年，TI公司推出其第二代物联网射频芯片CC2420，CC2420配备ZigBee无线收发器，具有数字滤波、扩频、数字调制解调等信号处理功能，大大增强信号在无线传输中的可靠性和有效性。

2 木材干燥物联网总体框架设计

2.1 木材干燥物联网分层设计

木材干燥监测是物联网潜在且重要的应用领域，物联网的互联互通、实时、智能等特点非常适合大型木材加工企业的干燥生产。根据木材干燥工艺及物联网分层原理，本研究将木材干燥物联网系统划分为感知层、接入层、互联网层、应用层4个部分。在这种分层的网络结构中，同一层提供相似或相关的服务，并为上一层提供技术支撑，各层功能如下。

2.1.1 感知层

感知层负责信息的采集，在本研究中主要有两类信息：木材干燥窑环境信息和木材储运信息。干燥窑环境信息包括窑内温湿度、木材含水率、控制设备状态等，通过在窑内布置微型传感器节点来获取。木材储运信息包括入窑、出窑、仓储、运输等各个生产环节的木材状态信息。通常在固定地点如干燥窑或仓库的门口设立识读器，当木材经过时，识读器会自动扫描附着在木材上的RFID电子标签，获取木材的信息。

2.1.2 接入层

该层的主要功能是通过现有的移动通信网络GPRS/GSM将感知层信息汇总到监控中心。由于感知层信息量大，干燥窑分布范围广，需要采用无线组网技术将各窑传感器节点连通组成一个完整的WSN网络。感知信息经多跳无线传输到达基站，由基站统一转发至GPRS网络，再由后者存档于控制中心的数据库服务器，信息传递过程如图2所示。基站作为WSN网络和GPRS网络的桥梁，内置有ZigBee无线通信模块和GPRS芯片。采用基于GPRS的接入技术，有利于信息传递的实时性和整个系统的实时监控及调度。

图2 物联网的信息传递Fig. 2 Information transmission of Internet of Things

2.1.3 互联网层

监控中心的服务器联通Internet，将整个网内的信息整合成一个可以互联互通的大型智能网络平台。现场用户可以利用PDA设备直接访问网络，而身处异地的木材干燥专家也能够通过Internet远程访问物联网，及时了解干燥进度，在线会诊干燥过程中所出现的问题。

2.1.4 应用层

应用层作为木材干燥物联网系统的顶层，面向用户提供干燥监测的实际应用，具有友好的人机交互界面、窑内实时监测、木材含水率分析预测、干燥专家系统等丰富功能。在本研究中，应用层功能主要通过信息处理子系统来实现。

根据以上分析，笔者给出了木材干燥物联网系统的示意图，如图3所示。

2.2 功能模块设计

图3 木材干燥物联网Fig.3 Internet of Things of wood trying

信息处理子系统是木材干燥物联网的重要组成部分，进一步细化了物联网应用层的功能，主要由四部分功能模块组成：信息采集模块、数据存储模块、数据处理模块、决策模块。信息采集模块负责感知层采集节点的基本系统设置，如根据木材种类及厚度等来合理设置传感器节点的工作模式、节点采样时间间隔、干燥基准。数据存储模块主体上是监控中心的一台数据库服务器，负责存储原始采集数据，备份系统日志文件，响应系统查询等。数据处理模块主要负责对所接收的原始数据进行智能化处理，如数据融合、带外噪声滤波、空时相关性分析、木材含水率预测等，从而产生能准确反映窑内环境的信息，以供辅助决策模块评估。决策模块通过综合分析和评估各类数据，供操作员随时了解干燥生产状况，并按照木材干燥专家系统的要求对窑内各种电气设备下达控制指令，如控制加热阀、喷蒸管来调节窑内温湿度、木材含水率。

3 展望及结语

物联网是由多种技术融合而成的新的技术体系，在众多领域具有潜在应用价值，其发展加深了物与物及人与物之间的信息化联系。总的来看，物联网技术将“物”纳入“网”的基本思路是信息化发展的大趋势，但由于物联网与具体应用领域有关，其技术的完善及拓展需紧密结合待解决的实际问题。因此，物联网在相关领域的研究及开发既是机遇，更是挑战。

2011年8月，国家发展改革委批准启动智能林业等首批国家物联网应用示范工程，标志着我国林业信息化建设进入加速发展的新阶段。同时，笔者认为，物联网在林业中仍有许多潜在的应用领域需要拓展，例如，建设风景园林区物联网管理信息系统，通过定点监测、数据实时传输、业务协同管理，提高对园区绿化业务的现代化管理水平；开展森林资源安全监管物联网工程，全面推进病虫害、野生动物监测的智能化、网络化管理工作；建立基于物联网技术的森林旅游安全系统，保障森林探险者、游客及勘探人员的人身安全；开通乡镇苗木物联网服务平台，为用户提供乡土造林树种及每个树种的主要适生立地因子、最新种苗栽培技术、林地施肥和林木生产量测算等信息；实施林业综合网络信息平台，整合中国林业网络博物馆、各地区林业信息网络、国有林场及自然保护区子网络的资源，使林业信息化由公共基础建设向林业核心业务拓展，提高林业信息化决策的科学水平。

本研究结合近年来物联网在林业中的应用现状，从物联网起源、概念、关键技术等角度，对物联网研究的现实基础及关键问题进行了论述，籍此抛砖引玉，以期进一步展望物联网在林业信息化中的应用前景。

[1] 王保云.物联网技术研究综述[J].电子测量与仪器学报,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] 孙其博,刘 杰,范春晓,等.物联网:概念、架构与关键技术研究综述[J].北京邮电大学学报,2010,33(3):1-9.

[4] 宁焕生,张 瑜,刘芳丽,等.中国物联网信息服务系统研究[J].电子学报,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] 刘 强,崔 莉,陈海明.物联网关键技术与应用[J].计算机科学,2010,37(6):1-4.

[7] 朱会霞,王福林,索瑞霞.物联网在中国现代农业中的应用[J].中国农学通报,2011,27(2):310-314.

[8] 张军国,李文彬,韩 宁,等.基于ZigBee无线传感器网络的森林火灾监测系统的研究[J].北京林业大学学报,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] 刘 帅,吴舒辞,黄 伟,等.基于无线传感器网络的森林火情实时监测系统[J].中国农学通报,已录用.

[12] 刘 丹,王霓虹.基于森林火灾数据监测的物联网定位算法应用[J].东北林业大学学报,2011,39(8):131-133.

[13] 李骏慧,陶 华,俞哲伟,等.Cortex-M3的生态物联网数据采集分站设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2011,11(10):40-42.

[14] 沈苏彬,范曲立,宗 平,等.物联网的体系结构与相关技术研究[J].南京邮电大学学报,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 Björk, Martin Erlandsson, Janne Häkli. Monitoring environmental performance of the forestry supply chain using RFID[J]. Computers in Industry,2011,62(8):830-841.

[17] 王晓伟,董希斌.林业行业实施射频识别(RFID)技术标准化的探讨[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

湖南省科技计划项目（2011FJ3074）；湖南省自然科学基金（11JJ5020；10JJ2022）；中南林业科技大学青年科学研究基金（QJ2010010B）

卢书海(1962-)，河北沧州人，本科，副研究员，主要从事环境科学的研究；电话：13931788328；E-mail：33000693@qq.com

[本文编校：欧阳钦]