桉树人工林物联网监测关键技术研究

摘要

随着林业信息感知技术、无线通信、云计算等技术的发展，利用物联网技术实现对人工林资源进行连续、长期、动态的监测是提高人工林的经营水平，实现人工林的多目标经营的重要手段。然而由于林业传感器种类众多，林区面积大、林内环境复杂，林业物联网在人工林中的应用还有许多的问题需要解决。本文介绍并比较当前物联网的最新技术，针对当前林业物联网系统存在的不足，提出了桉树人工林物联网监测的解决方案，同时该系统在设汁过程中，考虑到了与其他林业物联网系统的兼容，可以与其他的人工林物联网系统进行集成。　　本文的主要工作如下:　　1)提出了采用OID技术的桉树人工林物联网监测体系针对人工林物联网监测系统缺乏统一的规范而导致的物联网系统存在孤岛现象、难以兼容、存在异质性等问题。在分析桉树人工林物联网检测的特点的基础上，根据最新的物联网发展趋势和最新的研究成果，在参考现有物联网体系的前提下，提出了面向桉树人工林物联网监测四层结构，将系统分为感知层、传输层、平台层、应用层四层结构;提出了10层结构的桉树人工林监测节点的OID标识体系，通过该体系能唯一的标识节点，并且通过对OID的解析可以知晓节点所在的地理位置、监测对象等;针对林业物联网传感器节点厂商众多、类型多样、功能复杂等问题提出了使用JSON格式的profile文件对节点的生产信息、基本属性、主要功能、精度等进行描述，对林业物联网系统中使用的传感器节点进行规范和统一，以解决林业物联网监测系统中存在的物联网设备异构现象。　　2)研究了433MHz LoRa信号在桉树人工林中的传输特性　　针对现有ZigBee等无线通信技术通信距离短，难以满足人面积监测的需求，提出了利用LoRa技术作为林业物联网的信息传输协议。LoRa作为一种新的无线通信技术、具有距离远、低功耗等特点，非常适合林业物联网的使用，然而LoRa信号的传输收到自身物理参数，外界环境的多重影响，为了合理高效地对带有LoRa通信模块的传感器节点在桉树人工林环境中进行部署，在广西东门林场对433MHz LoRa信号在桉树人工林的传输特性进行了试验，重点研究了1.5m天线高度和2m天线高度下，平坦开阔环境、3林龄桉树人工林环境、5林龄桉树人工林环境、山坡环境中LoRa RSSI的变化情况，并根据shadowing信号衰减模型，计算得到不同环境中的信号衰减指数:2.894（开阔环境下1.5m天线高度）、2.491（开阔环境下2m天线高度）、3.733（3林龄桉树人工林1.5m天线高度）、3.586（3林龄桉树人工林2m天线高度）、4.146（5林龄桉树人工林1.5m天线高度）、3.805（5林龄桉树人工林2m天线高度），试验结果表明LoRa信号在开阔环境中传输能力受到天线高度的影响，天线高度越高LoRa的传输距离越远;在桉树人工林环境中LoRa信号的传输能力主要受到树干的影响而受天线高度影响较小，树龄越人，桉树树干越粗，信号衰减的越快，传输距离也越短;在山坡环境时，LoRa信号受到坡度变化程度的影响，坡度变化越大的区域，信号衰减的越快。　　3)研究设计了支持OID标识的林业物联网通用网关　　针对现有物联网关多采用内部标识对子节点进行标记使其仅兼容自身研发的传感器节点，而难以与其他物联网系统进行兼容;采用HTTP等互联网协议使其资源消耗较高，节点反控功能较弱而不适合住林区等能源紧张，资源有限的场景中的使用等问题，本文在参考物联网云平台接入能力、现有物联网传输协议的发展等基础上，设计了一种采用OID技术对节点进行标识并利用MQTT协议实现与服务器进行通信的林业物联网网关。该网关采用低成本的树莓派作为硬件平台，同时搭载有LoRa通信模块和以太网通信模块，对网关的硬件进行了设计;设汁了网关对LoRa传感器节点进行数据采集的工作流程;对网关的主要功能如节点入网、采集数据上传、控制命令下发等功能做了详细设计:在中国林科院采用实际的传感器设备对网关功能进行了测试，测试结果表明该网关能达到预期的目的能及时的将采集节点数据进行上传。该网关具有兼容OID标识技术、支持通用网关协议、不受具体厂家产品限制等特点。　　本文在深入分析了现有物联网平台、LPWAN等物联网技术的基础上，以桉树人工林为研究对象，提出了采用OID技术的桉树人工林物联网监测系统，测试了LoRa信号在桉树人工林中的传输特性，同时对桉树人工林物联网监测网关进行了初步设计，为桉树人-二林基于物联网技术的监测提供了有益的经验，为我国人工林物联网监测、经营进行了有益的探索，为我国森林资源物联网监测工作提供了种新的思路。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1研究背景及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1国内研究现状

1．2．2国外研究现状

1．3存在的问题

1．4研究目标和主要研究内容

1．5技术路线

1．6本章小结

1．7本文结构

1．8课题来源

第二章相关技术介绍与对比

2．1．2物联网基本架构

2．2无线传感器网络

2．3无线传输协议

2．4 LPWAN

2．4．1 LoRa

2．4．2 NB-IoT

2．4．3 LoRa与NB-IoT对比

2．5物联网应用层协议

2．5．1 MQTT协议

2．5．2 CoAP协议

2．5．3 MQTT与CoAP的比较

2．6标识技术

2．6．1 DOI

2．6．2 OID

2．7物联网网关

2．8云计算技术

2．9数据交换格式

2．9．1 JSON

2．9．2 XML

2．9．3 JSON与XML的对比

2．9本章小结

第三章枝树人工林物联网监测系统架构

3．1桉树人工林物联网监测特点

3．2桉树人工林物联网监测系统架构

3．2．1感知层

3．2．2传输层

3．2．3平台层

3．2．4应用层

3．3采集节点的OID分配

3．3．1节点OID编码规则

3．4节点的配置文件

3．5本章小结

第四章433MHzLoRa信号在桉树人工林中的传输特性

4．1 LoRa信号传输相关研究

4．2试验区域概述

4．2．1试验区域简介

4．2．2试验区环境

4．3试验材料

4．3．1硬件材料

4．3．2软件材料

4．4试验方法

4．5．1试验结果

4．5．2路径损耗模型

4．5．3模型验证

4．6模型分析

4．7分析讨论

4．8本章小结

第五章林业物联网网关设计

5．1功能需求分析

5．2硬件层设计

5．2．1处理器模块

5．2．2 LoRa模块

5．3系统层设计

5．3．1 LoRa的组网

5．3．2数据采集

5．4网关功能实现

5．4．1网关登录

5．4．2节点入网

5．4．3数据上报

5．4．4命令接收

5．5网关收发测试

5．5．1测试环境

5．5．2功能测试

5．6本章小结

第六章总结与展望

6．1总结

6．2展望

参考文献

在读期间的学术研究

致谢