面向智慧森林的环境感知技术研究与设计

发布时间：2017-03-01 14:41

第1章 绪论 

1.1  研究背景及意义 
森林在管理方面一直面临着诸多困难，不仅空间上分布离散，在地域分布上也很广阔，这就导致森林监测者在监测森林资源方面，面临着多方面的问题，例如：动态状况不能及时掌握、周期长、精确度较低等问题。“智慧森林”的提出与实施可以有效的改善监测森林的难度。 “智慧森林”是一种融合了多种信息技术，通过多种手段，使森林资源管理与信息化技术高效融合的新技术模式[1]。这种技术模式在以前的信息处理技术基础上，把现在正在发展的物联网技术和大数据技术高效融合。从而最终发展成为一种集感知森林生态环境与管理森林发展于一身的发展新模式。这种发展模式的提出，有助于森林管理者高效便捷的使用物联网、大数据、传感器等新技术管理森林。随着“智慧地球”的发展，“智慧森林”成为地球智慧化发展不可或缺的部分。人们将“美丽中国”和“智慧森林”、“智慧地球”密切相连。这是森林未来创新发展的必经之路，是指引森林将来工作、提高森林技术应用、提升森林管理水平、加强森林生产质量、促进森林可持续发展的重要支撑和保障。“智慧森林”的重点是通过森林管理组织对技术和管理编制出相关的规范和标准，形成一体、主动和互动的管理模式。“智慧森林”的精髓是以最终发展成持久和智慧化的管理为发展目标，充分利用现代科技技术，以实现森林高质量发展。“智慧森林”的目标是尽可能的最大化社会、经济和生态综合利益。使得生态资源和系统、经济产业发展齐头并进[2]。 森林含有成千上万种资源，也有多种资源划分的方式。目前林业界最权威的划分方式就是按照结构划分，大体分为 3 类，分别是林木林地资源，生态环境资源和生物资源。森林内部资源关系紧密，彼此间相互依托与关联。地球生态系统的主体就是森林。森林作为一种天然资源具有可循环利用性，这样给人类和其他物种的进化提供了良好的条件，不难看出，森林在生物的发展与生存过程中担负着重要作用。林木资源主要由森林组成，对于维护地球表面生态圈的平衡作用格外明显，所以，生态环境占据了森林整体资源中的一大部分。人们对森林生态资源的开发、研究、管理不但影响地球生态结构的维护与调节，还对森林生态平衡的可持续发展息息相关。 
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1.2    国内外研究现状 
我国虽然已经开始重视对森林生态环境监测研究，但是相比较某些发达国家，我国在监测森林方面依然存在一些问题。 在中国，虽然对森林生态感知监测的研究时间和其余发达国家相比开始较晚，但是现实情况决定了我们的起点较高。目前，我们国家正在经历森林建设发展时期，实际情况来看，对于森林的蓄积和面积仍然是我国森林监测的重点。对森林资源综合监测还不够全面，调查样地因子不足八十个，尽管在第六次全国森林资源清查时重新增加了一些调查因子，依然有森林健康、生物数量以及生物多样性等 3 个重要的因子没有涉及[2]。20 世纪 50 至 60 年代建立几个定位观测站，70年代后就开始借鉴欧洲国家的研究方法，森林灾害问题的相关新闻报道早在二十世纪八十年代我国就已经出现，但多数的研究都是集中在酸雨对林木影响和形成原因方面，对于森林整体健康和生态环境的监控在我们国家众多研究领域中还很少。中国的生态环境研究与监测网络在 90 年代就有了一定的发展。以后国家陆续成立了多个“数字森林”工程实验省区，2004 年 6 月份，我国“数字森林”体系技术日趋成熟，我们国家的第七次森林资源连续清查也于 2008 年完成。2012 年初我们国家首次建立了森林局生态监测评估中心。2013 年我国提出了“智慧森林”战略构想，充分说明我国对森林资源越来越重视，紧接着，我国公布了有关森林和湿地资源的清查状况  [3-5]。 从中国多年的发展进程中得知，对林地的管理历程从最初的零基础发展到现在的信息化管理。从一开始的纯手动记录发展到计算机和人工同时管理，接着到比较先进的计算机数据库、3S 技术管理，再到计算机化的“数字森林”，到现在的“智慧森林”[6]。但由于各方面的技术不足，“智慧森林”发展还处于刚刚起步的阶段，这种发展模式许多细节还需要研究者们完善与发展。 目前，森林环境监测感知在中国已经出现，可是因为森林管理体系比较简陋，空气污染也比较严重，整个生态系统非常脆弱，加之人为干扰因素很多，导致森林环境监测仍然面临着巨大挑战。短时间内依然达不到新形势下制定的全球资源评价的需要和森林发展要求。 
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第2章 物联网感知技术与 FPGA 设计平台 

2.1  物联网技术 
二十世纪九十年代末期，出现了物联网[26-27]。它的提出预示着一个新兴的技术领域诞生，它的出现引发了世界各国的政府和学者及企业高度关心与重视。 首次提出是在美国的麻省理工学院，提出的是一种基于网络的 RFID 系统，RFID 系统的含义是使用射频识别等传感器设备实现互相独立的物体与互联网相连。这就是物联网概念最初的起源。在物联网发展的初期，物流管理系统下的应用是该技术提出的背景，物流管理人员使用射频技术来实现物品识别管理，从而实现了智能化管理物流系统。时代的发展使人们对生活质量要求更高，因此物联网技术的概念和具体含义也跟着发生了很大改变。 随着信息技术的飞速发展，很多科研人员分别从多个方面对物联网技术做了比较深入的分析与研究[28]。随之，物联网的含义被扩充，概念也发生了很多的变化。但目前为止，物联网名词的概念还没有一种代表权威、完整和精确的定义。可是它产生的基础和使用的核心技术仍然是先前的互联网技术，它是在传统互联网的技术基础上经过发展与提升，，使用范围扩展到了物品与物品之间和人与物品之间的交互与管理。物联网技术具有感知全面可靠、数据传输准确和智能化处理等特点。此类技术可以通过射频、扫描、感知等对物体感知识别，并且对感知到的数据进行分析与海量智能化处理，把信息通过可靠的传输网络传送到监测端。所以，用户数量不断增加，由于它的应用范围十分广，在它的基础上设计的各种架构和系统规划极易因为角度差异而产生多种不同的现象和结果。所以，建立一个代表性的体系设计架构是相当有意义的。而且，由于各种需求发展的需要，多种技术在以后会被融入物联网技术这个大熔炉，技术体系架构的设计能决定物联网发展的趋势和整体技术细节。
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2.2  传感器技术 
在二十世纪中期，传感器技术逐渐出现。由于传感器技术刚出现，各方面还都处于起始阶段，相应的技术也很不成熟[32]。和已经存在了很久的计算机技术和数字控制技术相比较相差很远。很多先进的研究成果只能在实验室里进行，没有投入生产的条件。所以，科研成果转化为实际成果的效率很低。二十世纪六十年代，我国开始了对传感技术开发与研究之旅。 传感技术从发展进程上大体可以划分为三代[33]。最初的第一代是结构型传感器。这种传感器是通过结构参量的变化引起感知数据的变动。如：电阻应变式传感器，它实现电信号转化的原理是：金属材料在发生弹性形变时电阻值会发生变化。之后是上世纪七十年代开始发展起来的固体传感器，也就是被称为第二代的传感器。此类传感器利用电固体元件材料的特殊性质制作成的。比较典型的且有代表性的传感器类型有：热电偶感知元件、霍尔感知元件等。第三代传感器是八十年代兴起的智能传感器。它制作原理是把微型计算机技术和感知技术融合。八十年代的智能化主要体现在使用微处理器上。把传感信号的存储、计算与调节电路都集成到同一块芯片里使传感器智能化。九十年代后，传感器技术水平有了提高，并有了自诊断、记忆、网络通信等功能。 
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第 3 章  面向智慧森林的环境感知系统设计 ...... 15
3.1  森林环境感知系统的需求分析 ..... 15 
3.1.1  森林感知系统的设计需求 ............ 15 
3.1.2  智慧森林感知系统的特性 ............ 15 
3.2  感知系统整体设计方案 ....... 16
3.3  感知平台设计 ............. 20
3.4  无线传输模块设计 ..... 26 
3.5  本章小结 ........... 28 
第 4 章  嵌入式环境感知平台搭建 .... 29 
4.1  搭建环境感知平台 ..... 29 
4.2  搭建嵌入式 Linux 系统 ....... 37
4.3  本章小结 ........... 41 
第 5 章  面向智慧森林环境感知软件系统实现 .... 43 
5.1  感知节点数据采集 ..... 43 
5.1.1  温度感知的采集实现 .......... 43 
5.1.2  定位感知的设计实现 .......... 48
5.1.3  粉尘感知的采集实现 .......... 51 
5.2  无线通信的传输与协议 ....... 53 
5.3  感知数据融合与处理 ........... 58 
5.4  本章小结 ........... 60 
 
第6章 面向智慧森林环境感知系统功能测试 

6.1   环境感知系统集成

完成所有设计后，就可以进行森林环境监测系统的安装和测试。测试对环境因子的感知功能时需要一台 PC，对 PC 具体的性能要求就是能成功装入 Linux 的操作系统，PC 与 Zynq 平台联通通信可借助串口或者网口，监测感知模块直接与ZC702 平台相连。在测试无线传输功能时，借助抓包软件 wireshark 对传输的数据进行分析测试。无线通信模块通过 LTE 通信转接板与 Zynq 平台相连，要求在LTE 和 GPS 信号良好的环境下进行数据传输测试。 测试环境的搭建过程描述如下： （1）  一个通用的 SD 存储卡，首先把它格式化处理，再把 SD 存储区设置为 FAT 格式的分区； （2）  把前面第四章和第五章设计好的嵌入式系统启动镜像文件、设备树、硬件配置文件、文件系统和感知节点和 LTE 无线网络程序的可执行文件等内容，放入 SD 卡内；SD 卡的内容如图 6-1 所示。终端与监控端有两种联通模式，分别是通过以太网模式和串行接口模式连接。本文用到的主要测试工具有两个，分别是串口驱动 CP2103 和 Putty 远程登录软件。首次使用串行模式连接 ZC702 和电脑时，需要安装 CP2103 串口驱动。Putty软件是一个可以用多种模式登录终端的连接软件，主要的登录模式有网络、TCP、SSH、串行接口等。 测试工具安装成功后，接通 ZC702 的电源，使用串口工具 Putty 软件，选择对应的接口 COM3，登录即可查看到系统启动输出信息。启动信息包括：自定义感知平台接口情况、外设和网口等设备的启动信息。 

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结  论 

随着物联网技术的迅猛发展，将物联网技术与不同专业领域相结合的应用实例日益增多。面向智慧森林环境感知系统就是把物联网技术与森林环境监控领域结合起来的应用实例。 面向智慧森林的环境感知系统的实现是将不同功能的感知节点，经过核心处理器对数据进行分析和存储，把感知数据按照一定的数据协议封装成数据包，通过无线通信模块将感知信息传输到监控端，从而达到动态掌握森林生态环境健康状况。 感知系统的研究与设计对实时监控森林环境有着十分重要的意义。本文主要完成的工作内容有： 
（1）  成功将 ZYNQ 处理器应用于智慧森林环境感知系统中，实现了使用较少的硬件资源实现较高处理性能和功能扩展，从而达到对系统资源合理的调用与释放，使系统更加稳定和可靠。 
（2）  实现了包含多种感知接口，包括 GPIO 接口，单总线，串口，I2C 接口，USB 接口，网口等的感知平台。并且在 Linux 嵌入式操作系统中设计相关的驱动程序，同时开发了 ZYNQ 平台上的传感器采集的应用程序，建立了感知节点与 ZYNQ 平台的采集系统。并提出了对感知平台进行节点扩展的应用方法。 
（3）  根据感知系统的设计需要，本文使用 LTE 无线技术作为无线数据传输的通信平台，并且成功在嵌入式 Linux 系统中实现了 LTE 模块的驱动加载，LTE 通信的用户应用接口以及相关软件的控制系统，完成了环境感知系统的远程无线通信的接入功能。 
（4）  成功使用 JSON 数据传输协议进行感知系统和远程控制端的周期性数据传输，实现了安全，稳定，高吞吐量的实时数据传输。 
（5）  对设计的智慧森林环境感知系统进行功能与连通性测试，成功测得温度、粉尘浓度、GPS 定位等数据信息并进行数据传输，并在测试的过程中取得了精确的感知数据。 
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参考文献(略)

本文编号：246610