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，這就導致森林監(jiān)測者在監(jiān)測森林資源方面，面臨著多方面的問題，例如：動態(tài)狀況不能及時掌握、周期長、精確度較低等問題�！爸腔凵帧钡奶岢雠c實施可以有效的改善監(jiān)測森林的難度。 “智慧森林”是一種融合了多種信息技術，通過多種手段，使森林資源管理與信息化技術高效融合的新技術模式[1]。這種技術模式在以前的信息處理技術基礎上，把現(xiàn)在正在發(fā)展的物聯(lián)網技術和大數(shù)據(jù)技術高效融合。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、大數(shù)據(jù)、傳感器等新技術管理森林。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)展的必經之路，是指引森林將來工作、提高森林技術應用、提升森林管理水平、加強森林生產質量、促進森林可持續(xù)發(fā)展的重要支撐和保障。“智慧森林”的重點是通過森林管理組織對技術和管理編制出相關的規(guī)范和標準，形成一體、主動和互動的管理模式�！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，充分利用現(xiàn)代科技技術，以實現(xiàn)森林高質量發(fā)展�！爸腔凵帧钡哪繕耸潜M可能的最大化社會、經濟和生態(tài)綜合利益。使得生態(tài)資源和系統(tǒng)、經濟產業(yè)發(fā)展齊頭并進[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)界最權威的劃分方式就是按照結構劃分，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。森林內部資源關系緊密，彼此間相互依托與關聯(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)展與生存過程中擔負著重要作用。林木資源主要由森林組成，對于維護地球表面生態(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)結構的維護與調節(jié)，還對森林生態(tài)平衡的可持續(xù)發(fā)展息息相關。 
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1.2    國內外研究現(xiàn)狀 
我國雖然已經開始重視對森林生態(tài)環(huán)境監(jiān)測研究，但是相比較某些發(fā)達國家，我國在監(jiān)測森林方面依然存在一些問題。 在中國，雖然對森林生態(tài)感知監(jiān)測的研究時間和其余發(fā)達國家相比開始較晚，但是現(xiàn)實情況決定了我們的起點較高。目前，我們國家正在經歷森林建設發(fā)展時期，實際情況來看，對于森林的蓄積和面積仍然是我國森林監(jiān)測的重點。對森林資源綜合監(jiān)測還不夠全面，調查樣地因子不足八十個，盡管在第六次全國森林資源清查時重新增加了一些調查因子，依然有森林健康、生物數(shù)量以及生物多樣性等 3 個重要的因子沒有涉及[2]。20 世紀 50 至 60 年代建立幾個定位觀測站，70年代后就開始借鑒歐洲國家的研究方法，森林災害問題的相關新聞報道早在二十世紀八十年代我國就已經出現(xiàn)，但多數(shù)的研究都是集中在酸雨對林木影響和形成原因方面，對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域中還很少。中國的生態(tài)環(huán)境研究與監(jiān)測網絡在 90 年代就有了一定的發(fā)展。以后國家陸續(xù)成立了多個“數(shù)字森林”工程實驗省區(qū)，2004 年 6 月份，我國“數(shù)字森林”體系技術日趨成熟，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)測評估中心。2013 年我國提出了“智慧森林”戰(zhàn)略構想，充分說明我國對森林資源越來越重視，緊接著，我國公布了有關森林和濕地資源的清查狀況  [3-5]。 從中國多年的發(fā)展進程中得知，對林地的管理歷程從最初的零基礎發(fā)展到現(xiàn)在的信息化管理。從一開始的純手動記錄發(fā)展到計算機和人工同時管理，接著到比較先進的計算機數(shù)據(jù)庫、3S 技術管理，再到計算機化的“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)測感知在中國已經出現(xiàn)，可是因為森林管理體系比較簡陋，空氣污染也比較嚴重，整個生態(tài)系統(tǒng)非常脆弱，加之人為干擾因素很多，導致森林環(huán)境監(jiān)測仍然面臨著巨大挑戰(zhàn)。短時間內依然達不到新形勢下制定的全球資源評價的需要和森林發(fā)展要求。 
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第2章 物聯(lián)網感知技術與 FPGA 設計平臺 

2.1  物聯(lián)網技術 
二十世紀九十年代末期，出現(xiàn)了物聯(lián)網[26-27]。它的提出預示著一個新興的技術領域誕生，它的出現(xiàn)引發(fā)了世界各國的政府和學者及企業(yè)高度關心與重視。 首次提出是在美國的麻省理工學院，提出的是一種基于網絡的 RFID 系統(tǒng)，RFID 系統(tǒng)的含義是使用射頻識別等傳感器設備實現(xiàn)互相獨立的物體與互聯(lián)網相連。這就是物聯(lián)網概念最初的起源。在物聯(lián)網發(fā)展的初期，物流管理系統(tǒng)下的應用是該技術提出的背景，物流管理人員使用射頻技術來實現(xiàn)物品識別管理，從而實現(xiàn)了智能化管理物流系統(tǒng)。時代的發(fā)展使人們對生活質量要求更高，因此物聯(lián)網技術的概念和具體含義也跟著發(fā)生了很大改變。 隨著信息技術的飛速發(fā)展，很多科研人員分別從多個方面對物聯(lián)網技術做了比較深入的分析與研究[28]。隨之，物聯(lián)網的含義被擴充，概念也發(fā)生了很多的變化。但目前為止，物聯(lián)網名詞的概念還沒有一種代表權威、完整和精確的定義�？墒撬a生的基礎和使用的核心技術仍然是先前的互聯(lián)網技術，它是在傳統(tǒng)互聯(lián)網的技術基礎上經過發(fā)展與提升，，使用范圍擴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)網技術具有感知全面可靠、數(shù)據(jù)傳輸準確和智能化處理等特點。此類技術可以通過射頻、掃描、感知等對物體感知識別，并且對感知到的數(shù)據(jù)進行分析與海量智能化處理，把信息通過可靠的傳輸網絡傳送到監(jiān)測端。所以，用戶數(shù)量不斷增加，由于它的應用范圍十分廣，在它的基礎上設計的各種架構和系統(tǒng)規(guī)劃極易因為角度差異而產生多種不同的現(xiàn)象和結果。所以，建立一個代表性的體系設計架構是相當有意義的。而且，由于各種需求發(fā)展的需要，多種技術在以后會被融入物聯(lián)網技術這個大熔爐，技術體系架構的設計能決定物聯(lián)網發(fā)展的趨勢和整體技術細節(jié)。
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2.2  傳感器技術 
在二十世紀中期，傳感器技術逐漸出現(xiàn)。由于傳感器技術剛出現(xiàn)，各方面還都處于起始階段，相應的技術也很不成熟[32]。和已經存在了很久的計算機技術和數(shù)字控制技術相比較相差很遠。很多先進的研究成果只能在實驗室里進行，沒有投入生產的條件。所以，科研成果轉化為實際成果的效率很低。二十世紀六十年代，我國開始了對傳感技術開發(fā)與研究之旅。 傳感技術從發(fā)展進程上大體可以劃分為三代[33]。最初的第一代是結構型傳感器。這種傳感器是通過結構參量的變化引起感知數(shù)據(jù)的變動。如：電阻應變式傳感器，它實現(xiàn)電信號轉化的原理是：金屬材料在發(fā)生彈性形變時電阻值會發(fā)生變化。之后是上世紀七十年代開始發(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算機技術和感知技術融合。八十年代的智能化主要體現(xiàn)在使用微處理器上。把傳感信號的存儲、計算與調節(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，傳感器技術水平有了提高，并有了自診斷、記憶、網絡通信等功能。 
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第 3 章  面向智慧森林的環(huán)境感知系統(tǒng)設計 ...... 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)的設計需求 ............ 15 
3.1.2  智慧森林感知系統(tǒng)的特性 ............ 15 
3.2  感知系統(tǒng)整體設計方案 ....... 16
3.3  感知平臺設計 ............. 20
3.4  無線傳輸模塊設計 ..... 26 
3.5  本章小結 ........... 28 
第 4 章  嵌入式環(huán)境感知平臺搭建 .... 29 
4.1  搭建環(huán)境感知平臺 ..... 29 
4.2  搭建嵌入式 Linux 系統(tǒng) ....... 37
4.3  本章小結 ........... 41 
第 5 章  面向智慧森林環(huán)境感知軟件系統(tǒng)實現(xiàn) .... 43 
5.1  感知節(jié)點數(shù)據(jù)采集 ..... 43 
5.1.1  溫度感知的采集實現(xiàn) .......... 43 
5.1.2  定位感知的設計實現(xiàn) .......... 48
5.1.3  粉塵感知的采集實現(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 ........... 60 
 
第6章 面向智慧森林環(huán)境感知系統(tǒng)功能測試 

6.1   環(huán)境感知系統(tǒng)集成

完成所有設計后，就可以進行森林環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的安裝和測試。測試對環(huán)境因子的感知功能時需要一臺 PC，對 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 平臺聯(lián)通通信可借助串口或者網口，監(jiān)測感知模塊直接與ZC702 平臺相連。在測試無線傳輸功能時，借助抓包軟件 wireshark 對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行分析測試。無線通信模塊通過 LTE 通信轉接板與 Zynq 平臺相連，要求在LTE 和 GPS 信號良好的環(huán)境下進行數(shù)據(jù)傳輸測試。 測試環(huán)境的搭建過程描述如下： （1）  一個通用的 SD 存儲卡，首先把它格式化處理，再把 SD 存儲區(qū)設置為 FAT 格式的分區(qū)； （2）  把前面第四章和第五章設計好的嵌入式系統(tǒng)啟動鏡像文件、設備樹、硬件配置文件、文件系統(tǒng)和感知節(jié)點和 LTE 無線網絡程序的可執(zhí)行文件等內容，放入 SD 卡內；SD 卡的內容如圖 6-1 所示。終端與監(jiān)控端有兩種聯(lián)通模式，分別是通過以太網模式和串行接口模式連接。本文用到的主要測試工具有兩個，分別是串口驅動 CP2103 和 Putty 遠程登錄軟件。首次使用串行模式連接 ZC702 和電腦時，需要安裝 CP2103 串口驅動。Putty軟件是一個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絡、TCP、SSH、串行接口等。 測試工具安裝成功后，接通 ZC702 的電源，使用串口工具 Putty 軟件，選擇對應的接口 COM3，登錄即可查看到系統(tǒng)啟動輸出信息。啟動信息包括：自定義感知平臺接口情況、外設和網口等設備的啟動信息。 

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結  論 

隨著物聯(lián)網技術的迅猛發(fā)展，將物聯(lián)網技術與不同專業(yè)領域相結合的應用實例日益增多。面向智慧森林環(huán)境感知系統(tǒng)就是把物聯(lián)網技術與森林環(huán)境監(jiān)控領域結合起來的應用實例。 面向智慧森林的環(huán)境感知系統(tǒng)的實現(xiàn)是將不同功能的感知節(jié)點，經過核心處理器對數(shù)據(jù)進行分析和存儲，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，從而達到動態(tài)掌握森林生態(tài)環(huán)境健康狀況。 感知系統(tǒng)的研究與設計對實時監(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容有： 
（1）  成功將 ZYNQ 處理器應用于智慧森林環(huán)境感知系統(tǒng)中，實現(xiàn)了使用較少的硬件資源實現(xiàn)較高處理性能和功能擴展，從而達到對系統(tǒng)資源合理的調用與釋放，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定和可靠。 
（2）  實現(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，網口等的感知平臺。并且在 Linux 嵌入式操作系統(tǒng)中設計相關的驅動程序，同時開發(fā)了 ZYNQ 平臺上的傳感器采集的應用程序，建立了感知節(jié)點與 ZYNQ 平臺的采集系統(tǒng)。并提出了對感知平臺進行節(jié)點擴展的應用方法。 
（3）  根據(jù)感知系統(tǒng)的設計需要，本文使用 LTE 無線技術作為無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ牌脚_，并且成功在嵌入式 Linux 系統(tǒng)中實現(xiàn)了 LTE 模塊的驅動加載，LTE 通信的用戶應用接口以及相關軟件的控制系統(tǒng)，完成了環(huán)境感知系統(tǒng)的遠程無線通信的接入功能。 
（4）  成功使用 JSON 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進行感知系統(tǒng)和遠程控制端的周期性數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了安全，穩(wěn)定，高吞吐量的實時數(shù)據(jù)傳輸。 
（5）  對設計的智慧森林環(huán)境感知系統(tǒng)進行功能與連通性測試，成功測得溫度、粉塵濃度、GPS 定位等數(shù)據(jù)信息并進行數(shù)據(jù)傳輸，并在測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(略)

本文編號：246610