第1章 緒論 

1.1  研究背景及意義 
森林在管理方面一直面臨著諸多困難，不僅空間上分布離散，在地域分布上也很廣闊，這就導(dǎo)致森林監(jiān)測(cè)者在監(jiān)測(cè)森林資源方面，面臨著多方面的問題，例如：動(dòng)態(tài)狀況不能及時(shí)掌握、周期長、精確度較低等問題�！爸腔凵帧钡奶岢雠c實(shí)施可以有效的改善監(jiān)測(cè)森林的難度。 “智慧森林”是一種融合了多種信息技術(shù)，通過多種手段，使森林資源管理與信息化技術(shù)高效融合的新技術(shù)模式[1]。這種技術(shù)模式在以前的信息處理技術(shù)基礎(chǔ)上，把現(xiàn)在正在發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)高效融合。從而最終發(fā)展成為一種集感知森林生態(tài)環(huán)境與管理森林發(fā)展于一身的發(fā)展新模式。這種發(fā)展模式的提出，有助于森林管理者高效便捷的使用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、傳感器等新技術(shù)管理森林。隨著“智慧地球”的發(fā)展，“智慧森林”成為地球智慧化發(fā)展不可或缺的部分。人們將“美麗中國”和“智慧森林”、“智慧地球”密切相連。這是森林未來創(chuàng)新發(fā)展的必經(jīng)之路，是指引森林將來工作、提高森林技術(shù)應(yīng)用、提升森林管理水平、加強(qiáng)森林生產(chǎn)質(zhì)量、促進(jìn)森林可持續(xù)發(fā)展的重要支撐和保障�！爸腔凵帧钡闹攸c(diǎn)是通過森林管理組織對(duì)技術(shù)和管理編制出相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，形成一體、主動(dòng)和互動(dòng)的管理模式�！爸腔凵帧钡木枋且宰罱K發(fā)展成持久和智慧化的管理為發(fā)展目標(biāo)，充分利用現(xiàn)代科技技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)森林高質(zhì)量發(fā)展。“智慧森林”的目標(biāo)是盡可能的最大化社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)綜合利益。使得生態(tài)資源和系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展齊頭并進(jìn)[2]。 森林含有成千上萬種資源，也有多種資源劃分的方式。目前林業(yè)界最權(quán)威的劃分方式就是按照結(jié)構(gòu)劃分，大體分為 3 類，分別是林木林地資源，生態(tài)環(huán)境資源和生物資源。森林內(nèi)部資源關(guān)系緊密，彼此間相互依托與關(guān)聯(lián)。地球生態(tài)系統(tǒng)的主體就是森林。森林作為一種天然資源具有可循環(huán)利用性，這樣給人類和其他物種的進(jìn)化提供了良好的條件，不難看出，森林在生物的發(fā)展與生存過程中擔(dān)負(fù)著重要作用。林木資源主要由森林組成，對(duì)于維護(hù)地球表面生態(tài)圈的平衡作用格外明顯，所以，生態(tài)環(huán)境占據(jù)了森林整體資源中的一大部分。人們對(duì)森林生態(tài)資源的開發(fā)、研究、管理不但影響地球生態(tài)結(jié)構(gòu)的維護(hù)與調(diào)節(jié)，還對(duì)森林生態(tài)平衡的可持續(xù)發(fā)展息息相關(guān)。 
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1.2    國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 
我國雖然已經(jīng)開始重視對(duì)森林生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)研究，但是相比較某些發(fā)達(dá)國家，我國在監(jiān)測(cè)森林方面依然存在一些問題。 在中國，雖然對(duì)森林生態(tài)感知監(jiān)測(cè)的研究時(shí)間和其余發(fā)達(dá)國家相比開始較晚，但是現(xiàn)實(shí)情況決定了我們的起點(diǎn)較高。目前，我們國家正在經(jīng)歷森林建設(shè)發(fā)展時(shí)期，實(shí)際情況來看，對(duì)于森林的蓄積和面積仍然是我國森林監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。對(duì)森林資源綜合監(jiān)測(cè)還不夠全面，調(diào)查樣地因子不足八十個(gè)，盡管在第六次全國森林資源清查時(shí)重新增加了一些調(diào)查因子，依然有森林健康、生物數(shù)量以及生物多樣性等 3 個(gè)重要的因子沒有涉及[2]。20 世紀(jì) 50 至 60 年代建立幾個(gè)定位觀測(cè)站，70年代后就開始借鑒歐洲國家的研究方法，森林災(zāi)害問題的相關(guān)新聞報(bào)道早在二十世紀(jì)八十年代我國就已經(jīng)出現(xiàn)，但多數(shù)的研究都是集中在酸雨對(duì)林木影響和形成原因方面，對(duì)于森林整體健康和生態(tài)環(huán)境的監(jiān)控在我們國家眾多研究領(lǐng)域中還很少。中國的生態(tài)環(huán)境研究與監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)在 90 年代就有了一定的發(fā)展。以后國家陸續(xù)成立了多個(gè)“數(shù)字森林”工程實(shí)驗(yàn)省區(qū)，2004 年 6 月份，我國“數(shù)字森林”體系技術(shù)日趨成熟，我們國家的第七次森林資源連續(xù)清查也于 2008 年完成。2012 年初我們國家首次建立了森林局生態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估中心。2013 年我國提出了“智慧森林”戰(zhàn)略構(gòu)想，充分說明我國對(duì)森林資源越來越重視，緊接著，我國公布了有關(guān)森林和濕地資源的清查狀況  [3-5]。 從中國多年的發(fā)展進(jìn)程中得知，對(duì)林地的管理歷程從最初的零基礎(chǔ)發(fā)展到現(xiàn)在的信息化管理。從一開始的純手動(dòng)記錄發(fā)展到計(jì)算機(jī)和人工同時(shí)管理，接著到比較先進(jìn)的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫、3S 技術(shù)管理，再到計(jì)算機(jī)化的“數(shù)字森林”，到現(xiàn)在的“智慧森林”[6]。但由于各方面的技術(shù)不足，“智慧森林”發(fā)展還處于剛剛起步的階段，這種發(fā)展模式許多細(xì)節(jié)還需要研究者們完善與發(fā)展。 目前，森林環(huán)境監(jiān)測(cè)感知在中國已經(jīng)出現(xiàn)，可是因?yàn)樯止芾眢w系比較簡陋，空氣污染也比較嚴(yán)重，整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)非常脆弱，加之人為干擾因素很多，導(dǎo)致森林環(huán)境監(jiān)測(cè)仍然面臨著巨大挑戰(zhàn)。短時(shí)間內(nèi)依然達(dá)不到新形勢(shì)下制定的全球資源評(píng)價(jià)的需要和森林發(fā)展要求。 
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第2章 物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)與 FPGA 設(shè)計(jì)平臺(tái) 

2.1  物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 
二十世紀(jì)九十年代末期，出現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)[26-27]。它的提出預(yù)示著一個(gè)新興的技術(shù)領(lǐng)域誕生，它的出現(xiàn)引發(fā)了世界各國的政府和學(xué)者及企業(yè)高度關(guān)心與重視。 首次提出是在美國的麻省理工學(xué)院，提出的是一種基于網(wǎng)絡(luò)的 RFID 系統(tǒng)，RFID 系統(tǒng)的含義是使用射頻識(shí)別等傳感器設(shè)備實(shí)現(xiàn)互相獨(dú)立的物體與互聯(lián)網(wǎng)相連。這就是物聯(lián)網(wǎng)概念最初的起源。在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的初期，物流管理系統(tǒng)下的應(yīng)用是該技術(shù)提出的背景，物流管理人員使用射頻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)物品識(shí)別管理，從而實(shí)現(xiàn)了智能化管理物流系統(tǒng)。時(shí)代的發(fā)展使人們對(duì)生活質(zhì)量要求更高，因此物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的概念和具體含義也跟著發(fā)生了很大改變。 隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，很多科研人員分別從多個(gè)方面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)做了比較深入的分析與研究[28]。隨之，物聯(lián)網(wǎng)的含義被擴(kuò)充，概念也發(fā)生了很多的變化。但目前為止，物聯(lián)網(wǎng)名詞的概念還沒有一種代表權(quán)威、完整和精確的定義�？墒撬a(chǎn)生的基礎(chǔ)和使用的核心技術(shù)仍然是先前的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，它是在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)基礎(chǔ)上經(jīng)過發(fā)展與提升，，使用范圍擴(kuò)展到了物品與物品之間和人與物品之間的交互與管理。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有感知全面可靠、數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確和智能化處理等特點(diǎn)。此類技術(shù)可以通過射頻、掃描、感知等對(duì)物體感知識(shí)別，并且對(duì)感知到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與海量智能化處理，把信息通過可靠的傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)測(cè)端。所以，用戶數(shù)量不斷增加，由于它的應(yīng)用范圍十分廣，在它的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的各種架構(gòu)和系統(tǒng)規(guī)劃極易因?yàn)榻嵌炔町惗a(chǎn)生多種不同的現(xiàn)象和結(jié)果。所以，建立一個(gè)代表性的體系設(shè)計(jì)架構(gòu)是相當(dāng)有意義的。而且，由于各種需求發(fā)展的需要，多種技術(shù)在以后會(huì)被融入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)這個(gè)大熔爐，技術(shù)體系架構(gòu)的設(shè)計(jì)能決定物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)和整體技術(shù)細(xì)節(jié)。
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2.2  傳感器技術(shù) 
在二十世紀(jì)中期，傳感器技術(shù)逐漸出現(xiàn)。由于傳感器技術(shù)剛出現(xiàn)，各方面還都處于起始階段，相應(yīng)的技術(shù)也很不成熟[32]。和已經(jīng)存在了很久的計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)相比較相差很遠(yuǎn)。很多先進(jìn)的研究成果只能在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行，沒有投入生產(chǎn)的條件。所以，科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際成果的效率很低。二十世紀(jì)六十年代，我國開始了對(duì)傳感技術(shù)開發(fā)與研究之旅。 傳感技術(shù)從發(fā)展進(jìn)程上大體可以劃分為三代[33]。最初的第一代是結(jié)構(gòu)型傳感器。這種傳感器是通過結(jié)構(gòu)參量的變化引起感知數(shù)據(jù)的變動(dòng)。如：電阻應(yīng)變式傳感器，它實(shí)現(xiàn)電信號(hào)轉(zhuǎn)化的原理是：金屬材料在發(fā)生彈性形變時(shí)電阻值會(huì)發(fā)生變化。之后是上世紀(jì)七十年代開始發(fā)展起來的固體傳感器，也就是被稱為第二代的傳感器。此類傳感器利用電固體元件材料的特殊性質(zhì)制作成的。比較典型的且有代表性的傳感器類型有：熱電偶感知元件、霍爾感知元件等。第三代傳感器是八十年代興起的智能傳感器。它制作原理是把微型計(jì)算機(jī)技術(shù)和感知技術(shù)融合。八十年代的智能化主要體現(xiàn)在使用微處理器上。把傳感信號(hào)的存儲(chǔ)、計(jì)算與調(diào)節(jié)電路都集成到同一塊芯片里使傳感器智能化。九十年代后，傳感器技術(shù)水平有了提高，并有了自診斷、記憶、網(wǎng)絡(luò)通信等功能。 
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第 3 章  面向智慧森林的環(huán)境感知系統(tǒng)設(shè)計(jì) ...... 15
3.1  森林環(huán)境感知系統(tǒng)的需求分析 ..... 15 
3.1.1  森林感知系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求 ............ 15 
3.1.2  智慧森林感知系統(tǒng)的特性 ............ 15 
3.2  感知系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案 ....... 16
3.3  感知平臺(tái)設(shè)計(jì) ............. 20
3.4  無線傳輸模塊設(shè)計(jì) ..... 26 
3.5  本章小結(jié) ........... 28 
第 4 章  嵌入式環(huán)境感知平臺(tái)搭建 .... 29 
4.1  搭建環(huán)境感知平臺(tái) ..... 29 
4.2  搭建嵌入式 Linux 系統(tǒng) ....... 37
4.3  本章小結(jié) ........... 41 
第 5 章  面向智慧森林環(huán)境感知軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) .... 43 
5.1  感知節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集 ..... 43 
5.1.1  溫度感知的采集實(shí)現(xiàn) .......... 43 
5.1.2  定位感知的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) .......... 48
5.1.3  粉塵感知的采集實(shí)現(xiàn) .......... 51 
5.2  無線通信的傳輸與協(xié)議 ....... 53 
5.3  感知數(shù)據(jù)融合與處理 ........... 58 
5.4  本章小結(jié) ........... 60 
 
第6章 面向智慧森林環(huán)境感知系統(tǒng)功能測(cè)試 

6.1   環(huán)境感知系統(tǒng)集成

完成所有設(shè)計(jì)后，就可以進(jìn)行森林環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝和測(cè)試。測(cè)試對(duì)環(huán)境因子的感知功能時(shí)需要一臺(tái) PC，對(duì) PC 具體的性能要求就是能成功裝入 Linux 的操作系統(tǒng)，PC 與 Zynq 平臺(tái)聯(lián)通通信可借助串口或者網(wǎng)口，監(jiān)測(cè)感知模塊直接與ZC702 平臺(tái)相連。在測(cè)試無線傳輸功能時(shí)，借助抓包軟件 wireshark 對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析測(cè)試。無線通信模塊通過 LTE 通信轉(zhuǎn)接板與 Zynq 平臺(tái)相連，要求在LTE 和 GPS 信號(hào)良好的環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試。 測(cè)試環(huán)境的搭建過程描述如下： （1）  一個(gè)通用的 SD 存儲(chǔ)卡，首先把它格式化處理，再把 SD 存儲(chǔ)區(qū)設(shè)置為 FAT 格式的分區(qū)； （2）  把前面第四章和第五章設(shè)計(jì)好的嵌入式系統(tǒng)啟動(dòng)鏡像文件、設(shè)備樹、硬件配置文件、文件系統(tǒng)和感知節(jié)點(diǎn)和 LTE 無線網(wǎng)絡(luò)程序的可執(zhí)行文件等內(nèi)容，放入 SD 卡內(nèi)；SD 卡的內(nèi)容如圖 6-1 所示。終端與監(jiān)控端有兩種聯(lián)通模式，分別是通過以太網(wǎng)模式和串行接口模式連接。本文用到的主要測(cè)試工具有兩個(gè)，分別是串口驅(qū)動(dòng) CP2103 和 Putty 遠(yuǎn)程登錄軟件。首次使用串行模式連接 ZC702 和電腦時(shí)，需要安裝 CP2103 串口驅(qū)動(dòng)。Putty軟件是一個(gè)可以用多種模式登錄終端的連接軟件，主要的登錄模式有網(wǎng)絡(luò)、TCP、SSH、串行接口等。 測(cè)試工具安裝成功后，接通 ZC702 的電源，使用串口工具 Putty 軟件，選擇對(duì)應(yīng)的接口 COM3，登錄即可查看到系統(tǒng)啟動(dòng)輸出信息。啟動(dòng)信息包括：自定義感知平臺(tái)接口情況、外設(shè)和網(wǎng)口等設(shè)備的啟動(dòng)信息。 

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結(jié)  論 

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與不同專業(yè)領(lǐng)域相結(jié)合的應(yīng)用實(shí)例日益增多。面向智慧森林環(huán)境感知系統(tǒng)就是把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與森林環(huán)境監(jiān)控領(lǐng)域結(jié)合起來的應(yīng)用實(shí)例。 面向智慧森林的環(huán)境感知系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是將不同功能的感知節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過核心處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和存儲(chǔ)，把感知數(shù)據(jù)按照一定的數(shù)據(jù)協(xié)議封裝成數(shù)據(jù)包，通過無線通信模塊將感知信息傳輸?shù)奖O(jiān)控端，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)掌握森林生態(tài)環(huán)境健康狀況。 感知系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)控森林環(huán)境有著十分重要的意義。本文主要完成的工作內(nèi)容有： 
（1）  成功將 ZYNQ 處理器應(yīng)用于智慧森林環(huán)境感知系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了使用較少的硬件資源實(shí)現(xiàn)較高處理性能和功能擴(kuò)展，從而達(dá)到對(duì)系統(tǒng)資源合理的調(diào)用與釋放，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定和可靠。 
（2）  實(shí)現(xiàn)了包含多種感知接口，包括 GPIO 接口，單總線，串口，I2C 接口，USB 接口，網(wǎng)口等的感知平臺(tái)。并且在 Linux 嵌入式操作系統(tǒng)中設(shè)計(jì)相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)開發(fā)了 ZYNQ 平臺(tái)上的傳感器采集的應(yīng)用程序，建立了感知節(jié)點(diǎn)與 ZYNQ 平臺(tái)的采集系統(tǒng)。并提出了對(duì)感知平臺(tái)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展的應(yīng)用方法。 
（3）  根據(jù)感知系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要，本文使用 LTE 無線技術(shù)作為無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ牌脚_(tái)，并且成功在嵌入式 Linux 系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了 LTE 模塊的驅(qū)動(dòng)加載，LTE 通信的用戶應(yīng)用接口以及相關(guān)軟件的控制系統(tǒng)，完成了環(huán)境感知系統(tǒng)的遠(yuǎn)程無線通信的接入功能。 
（4）  成功使用 JSON 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行感知系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制端的周期性數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了安全，穩(wěn)定，高吞吐量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。 
（5）  對(duì)設(shè)計(jì)的智慧森林環(huán)境感知系統(tǒng)進(jìn)行功能與連通性測(cè)試，成功測(cè)得溫度、粉塵濃度、GPS 定位等數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并在測(cè)試的過程中取得了精確的感知數(shù)據(jù)。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：246610