物联网在林业中的应用与展望.doc

物联网在林业中的应用与展望张旭 于新文 杨彦臣中国林业科学研究院资源信息研究所，北京，100091一、 背景介绍物联网(The Internet of Things)概念提出于1999年上世纪90年代提出，。所谓“物联网”，指的是将各种信息传感设备，如射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。其目的是让所有的物品都与网络连接在一起，方便识别和管理。物联网是利用无所不在的网络技术建立起来的它是将所有物品通过各种信息传感设备，如射频识别装置、基于光声电磁的传感器、3S技术、激光扫描器等各类装置与互联网结合起来，实现数据采集、融合、处理，并通过操作终端，实现智能化识别和管理。从“智慧地球”到“感知中国”，“物联网”成为全球瞩目的关键词。被美国列为振兴经济的两大工具之一；被欧盟定位成使欧洲领先全球的基础战略，被中国纳入战略性新兴产业规划重点，业界认为是继计算机与互联网后的又一次信息化浪潮。温家宝总理在首都科技界大会上的讲话让科技引领中国可持续发展（2009.11.03）中指出，“在应对这场国际金融危机中，各国正在进行抢占经济科技制高点的竞赛，全球将进入空前的创新密集和产业振兴时代。我们必须在这场竞争中努力实现跨越式发展。”“要着力突破传感网、物联网的关键技术，及早部署后IP时代相关技术研发，使信息网络产业成为推动产业升级，迈向信息社会的发动机”。随后，温家宝总理在2010年两会期间的政府工作报告（2010.03.05）中再次指出，把“加快物联网的研发应用”纳入要大力培育的战略性新兴产业重点之中。我国现代林业发展确立了以生态建设为主的林业可持续发展道路，建立以森林植被为主体的国土生态安全体系，建设山川秀美的生态文明社会。其核心是生态建设、生态安全、生态文明。现代林业发展战略指出，为更好地满足经济社会发展需要，赶超世界林业发达国家的先进水平，必须要采取一种超常规发展模式。现阶段，中国林业跨越式发展是指以林业重点工程为主要途径，以体制创新为突破、科技创新为动力，加速由木材生产为主向以生态建设为主的转变，尽快使我国林业走上可持续发展道路，早日建成比较完备的林业生态体系和比较发达的林业产业体系，努力缩小与世界林业发达国家的差距，而采取的发展模式。在实现林业跨越式发展的过程中，林业发展一定要抓住物联网发展的机遇，参与到物联网创新的跨越式发展进程中，建设林业物联网，更好的服务林业跨越式发展。综合考察各行业对物联网的定义，结合现代林业发展的实际需求，我们认为林业物联网应该由物联网、传感网、智能网、信息技术、林业技术共同交叉组成，是利用各种传感识别技术，网络信息技术，智能信息处理技术集成应用于推动产业发展方式转变，促进林业生态建设，保障生态安全、实现生态文明，提高林业生产的产量、质量、效益和可持续性能力的交叉学科。林业物联网所包含的内容如下图所示：气象传感器光照传感器土壤传感器生物传感器音视频传感器卫星传感器光谱传感器RFID技术二维码技术气体传感器其他传感器应用系统应用平台：林业物联网格环境基础平台林业感知数据标准林业感知元数据标准林业物联网格技术标准林业物联网服务标准林业物联安全控制标准林业物联网搜索引擎林业物联网门户生态工程监测保护区监测森林资源监测灾害预警森林火灾监测林产品流通追踪林木种苗生长监测环境监测林业经营决策支持林业感知资源管理中心林业物联服务注册中心网格环境开发部署工具林业应用系统模板ZigBee WiFi BluetoothLAN EtherNet WiMax WLANWAN GPRS CDMA 3G感知层传输层应用层图1.林业物联网概念结构二、 工作基础（传感器网络、网格、SOA、决策支持）1. 面向林业监测的的Sensor Web的体系架构提出了面向林业监测的SensorWeb体系架构。该架构既遵循开放地理空间协会OGC（Open Geospatial Consortium）的传感器网络整合框架SWE，又集成传感器网络以及分布式计算技术的平台。实现通过WEB技术利用标准的协议和应用程序接口访问的传感器网络。从而可以使各种内嵌web的传感器、测量设备、图像设备以及一些传感数据数据库能够通过WWW被发现、访问和应用。该传感器网络整合框架可划分为四个主要部分：基础架构层、服务层、辅助开发层、应用层，如下图所示。图2. 林业监测SensorWeb体系结构2. 林业传感器网络关键技术研究2.1传感器管理服务传感器管理服务主要通过OGC CSW2.0规范来实现。即基于ebRIM的空间信息Web目录服务。包括（1）提供检索目录服务元数据的OGC-Service类；（2）提供了客户端用于发现注册的Discovery类；（3）提供在服务器端和客户端的会话操作Session类；（4）通过元数据的操作，将资源注册到目录中的Manager类；（5）提供了订阅识别资源代理访问类。2.2传感器监测服务传感器监测服务不仅负责连接收集监测数据的不同资源，还负责解释传感器和监测数据并将其编译成O&M和SensorML格式。架构的目的是使传感器监测服务更灵活、更容易扩展不同传感器应用和它们在应用系统中采用的异构资源。它有4个重要部件：代理、连接器、数据处理器和数据格式转换器。该架构可以使开发者方便扩展连接器、数据处理器和数据格式转换器来实现自己的特定应用需求。传感器监测服务内部最重要的组件是连接器，它提供了异构资源的网关。连接器的不同实现负责连接特定的资源类型。现有两种不同的实现：TinyDB连接和SerialBasedSensor连接。它们都使用了有TinyOS提供的监听接口，该接口用于监听在由SerialForwarder创建的serial服务器。2.3 原型系统实现使用一个基站和两个传感器节点。基站采用MIB600传感器网关联入Internet网络，基站和各个传感器节点之间采用M2110无线发射板进行通信。传感器节点主要包括四个主要部分：电源、M2110无线发射板，MDA320传感器采集板以及传感器。图3. 传感器网络硬件环境图4. 传感器数据采集3. 资源共享网格技术研究林业生态工程监测及的资源多种多样，包括各种数据资源（如遥感影像、统计资料、定位观测数据、无线传感器网络自动采集数据、公共气象数据、工程管理数据等）、计算资源（如国家高性能计算环境、林业专业遥感处理设施）以及林业监测所需的专业仪器等资源，针对林业物联网的需要，必须实现多源林业信息资源的网络聚合与共享，因此需要研究不同资源的异构性消解技术，网格化技术以及统一访问技术，并在此基础上制定相关技术标准，主要包括林业信息元数据标准、林业信息资源目录体系框架等标准；提出面向不同类型林业信息资源的目录管理框架和实现多源数据、高性能计算资源和专业仪器资源等多种资源的有效聚合与透明访问方案。正在执行的三北防护林生态监测与评价网格应用系统将着力解决这些问题，目前已提出“林业信息元数据标准和林业信息资源目录体系框架”两套标准，正在进行资源网格的开发。此外，我们还开展了基于Web的空间计算服务研究，提出了实现空间计算服务的异步调用模型，提出并实现了空间计算服务的接口自描述技术以及空间计算服务节点的自管理技术等。针对林场森林资源数据的多样性和异构性，开展了面向林场的异构数据分布式管理技术研究，提出并实现了森林资源异构数据分布式管理体系框架。这些工作都为林业物联网网格技术的研究奠定了基础。4. 基于SOA的集成技术智能决策研究所需的数据种类及数据源繁多，如林木品种、培育、经营数据、空间数据/立地条件数据（包括土壤种类、地貌类型、土层厚度、坡度、坡向、坡位、海拔高度等）、公共气象数据（气温、湿度、降雨量等）、生长模型、需要采用的技术多种多样，包括GIS/WebGIS技术、数据库技术、模型库技术、知识库技术等。为了充分实现数据资源和计算资源的可重用性，研究了SOA架构的应用，尽可能将数据资源和计算资源都封装成Web 服务，例如封装的服务有：桉树知识库服务、空间/立地数据服务、公共气象数据服务、气象数据插值计算服务、广西热量推算模型服务、模型库服务系统等。通过对这些服务的组合和集成实现了系统的开发，形成了应用于速生林经营管理的基于SOA架构的系统集成技术，保证了系统结构松耦合、功能可复用等特点。5. 智能决策支持技术提出了针对特定树种的经营全过程决策流程：根据立地条件、进行立地评价，做出种植适宜性决策，根据桉树品种特性、气象数据做出树种选择决策，根据种植目标提出造林方案决策，并根据立地条件、气候条件预估桉树未来产量，根据市场状况进行经济效益分析，使得用户在终种植前就能获知将来的收益情况，便于用户做出科学合理的选择。6. 自然保护区监测应用在应用实例中，采用了CrossBow的系列产品的传感器网络设备，在天津半仙山国家自然保护区的八仙桌和聚仙峰的林区当中，部署了两组传感器网络。这两组传感器网络的基站通过微波通信连接到数据服务器。Sensor Web平台实现CrossBow系列产品的接入。用户可以通过Sensor Web平台访问到已部署好的传感器网络监测数据。图5. 天津八仙山自然保护区传感器监测应用7. 三北防护林生态监测应用配合国家重点林业生态工程“三北防护林建设”的实施，开展了基于传感器网络的三北防护林工程生态监测研究。在宁夏盐池县沙泉湾，结合观测区（沙区）环境的实际情况，制定了无线传感器网络布设方案，完成了4个观测点的传感器网络设备的布设，进行了4个观测点数据采集和网络传输的测试及调试，证明无线网络环境连接稳定，无线网络与公网连接正常，系统工作稳定，观测点数据采集正常。目前在宁夏盐池县沙泉湾试验点布设的四个无线传感器网络节点分别采集空气温度、湿度、土壤温度、土壤水分（10cm土层、50cm土层）、风速、降雨量、光强度等数据。对无线传感器网络系统的数据采集和网络连接进行了进一步的研究，成功建立了基于VPN技术的无线传感器网络与公网的互联，在此基础上研究了传感器数据的远程获取技术。目前已经实现了针对原型系统的远程数据实时获取，并初步构建了二次开发环境。在二次开发环境基础上开发了防护林无线传感生态监测网站()，通过该网站，既可以实时查看远程监测点的监测情况，也可以查看监测的历史记录（包括图像和环境数据）。图5. 防护林无线传感生态监测网站首页和盐池沙泉湾沙区环境的无线传感器网络节点1三、 林业物联网关键技术（物联网技术、共性技术）1. 林业物联网标准制定目前，物联网技术在国际上的研究也是刚刚起步，各个领域都处于同一个起跑线上，非常有利于我们迎头赶上，提出我国自己的林业物联网标准体系。在标准体系建设中，首先应该考虑林业物联网体系结构、数据及元标准、资源管理规范、接口、标识等内容2. 林业物联网资源网格技术林业物联网在实际应用中涉及的资源多种多样，包括各种数据资源（如遥感影像、定位观测数据、无线传感器网络自动采集数据、公共气象数据、管理数据等）、计算资源（如国家高性能计算环境、林业专业遥感处理设施）以及林业监测所需的专业仪器等资源，针对林业物联网的需要，必须实现多源林业信息资源的网络聚合与共享，因此需要研究不同资源的异构性消解技术，网格化技术以及统一访问技术。林业物联网资源网格技术是实现物联网资源共享、云计算的基础。3. 基于IP的统一通讯技术林业监测中有很多工作需要借助常规通讯设备、手持设备或其他工具进行人工调查，这些设备也应该纳入林业物联网的范畴。因此，基于IP尤其是IPV6的统一通讯技术是解决传统通讯手段与物联网互联的关键。4. 数据挖掘技术物联网技术的应用必将产生海量数据，除了常规的数据分析方法，隐藏在海量数据中的大量事实、规律性的内容需要数据挖掘技术作为支撑。5. 嵌入式系统技术物联网应用中涉及大量嵌入式系统开发，包括微处理器、定时器、微控制器、存储器、传感器等一系列微电子芯片与器件，和嵌入在存储器中的微型操作系统、控制应用软件组成，共同实现诸如实时控制、监视、管理、移动计算、数据处理等各种自动化处理任务。嵌入式系统以应用为中心，以微电子技术、控制技术、计算机技术和通讯技术为基础，强调硬件软件的协同性与整合性，软件与硬件可剪裁，以满足系统对功能、成本、体积和功耗等要求。四、 优先发展领域1. 生态监测以物联网技术为依托，将遥感监测、GPS、航空监测尤其是无人机监测、传感器网络监测、定位观测、人工巡护监测等手段集成起来，形成天空地人一体化林业生态监测体系。2. 自然保护区监测我国自然保护区数量多、占国土比例大。长期以来，我国基本上实行的是“抢救式”保护政策，部分自然保护区，特别是地方级自然保护区的建设和管理未能及时跟上，存在着管理模式单一、规范化建设和管理滞后、保护区管理水平低、保护区基础建设薄弱等诸多问题。由于基础设施陈旧，缺乏必要的管理设施，资源管护手段还很原始，无法较好的展开监测、科研工作。全国大约有25%的保护区未能开展野外巡护，75%的保护区没有进行资源监测，70%的保护区未进行综合科学考察，50%以上的保护区从未进行任何科学研究。随着全国自然保护区的建设发展，迫切需要物联网技术、智能决策支持系统、地理信息系统等信息技术的综合应用支持。通过开展系统的、有针对性的基于物联网的保护区监测与科学研究，掌握自然保护区生态系统和珍稀动物的动态变化及其相互关系，为自然保护区生态系统、珍稀动物种群的恢复和发展、为自然保护区科学管理提供依据。3. 灾害预警包括森林火灾、病虫害在内的森林灾害对森林生态安全始终是严重的威胁。林业物联网应用于灾害预警，针对森林防火有望实现森林火灾的实时在线预警、火场发生情况实时播报，火势发生实时预测等，针对森林病虫害将实现病虫害的智能检测与识别、病虫害发生预警、发生范围在线预测等，对减灾防灾和保障