林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云網(wǎng)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究與初步設(shè)計(jì).pdf

1、森林環(huán)境監(jiān)測(cè)具有重要的生態(tài)意義、社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)意義。隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算的快速發(fā)展，利用無線傳感器等先進(jìn)技術(shù)快速有效地獲取森林環(huán)境信息，可以實(shí)現(xiàn)森林環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為森林防火、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)及精準(zhǔn)林業(yè)提供有效的技術(shù)支持及數(shù)據(jù)決策服務(wù)。本文主要對(duì)林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云網(wǎng)關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究和對(duì)云網(wǎng)關(guān)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，其主要工作如下:
　　 1、森林環(huán)境中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)研究研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署覆蓋策略及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組織

2、，結(jié)合具體林地用地類型，提出了有林地、灌木林地及疏林地區(qū)域組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的方案。在有林地區(qū)和疏林地區(qū)，由于地表只有樹干的遮擋，采用菱形的網(wǎng)絡(luò)覆蓋策略及分層的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，盡量減少節(jié)點(diǎn)之間不必要的無線通信鏈路。針對(duì)灌木林地地表植被覆蓋密集的特點(diǎn)，采用正三角形網(wǎng)格部署策略及Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)浣M織結(jié)構(gòu)，使節(jié)點(diǎn)間有多條路由路徑，防止單個(gè)鏈路被阻斷時(shí)的容錯(cuò)能力，提高魯棒性。通過ZigBee仿真測(cè)試，在網(wǎng)絡(luò)吞吐量達(dá)到0.0037Mbit/s時(shí)

3、，有林地網(wǎng)絡(luò)丟包率平均0.0567，時(shí)延平均0.0233s;灌木林地網(wǎng)絡(luò)丟包率平均0.1034，時(shí)延平均0.0444s;疏林地網(wǎng)絡(luò)丟包率平均0.0524，時(shí)延平均0.0234s，滿足林業(yè)森林資源監(jiān)測(cè)的需要。
　　 2、林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)根據(jù)已搭建的林區(qū)傳感器網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合云服務(wù)技術(shù)，設(shè)計(jì)基于ARMll硬件環(huán)境的林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云網(wǎng)關(guān)。云網(wǎng)關(guān)下端連接無線傳感器設(shè)備，對(duì)網(wǎng)關(guān)子網(wǎng)內(nèi)的傳感器設(shè)備進(jìn)行管理及林業(yè)數(shù)據(jù)的收割、處理與傳輸。針對(duì)林區(qū)環(huán)境

4、的復(fù)雜多樣性，云網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)成支持多種傳感器采集設(shè)備接入，屏蔽下層傳感器設(shè)備的異構(gòu)性。本云網(wǎng)關(guān)主要支持的傳感器設(shè)備包括ZigBee采集設(shè)備、藍(lán)牙采集設(shè)備、WLAN采集設(shè)備。同時(shí)，本云網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)成基于統(tǒng)一的時(shí)間列表，采用不同的數(shù)據(jù)收割算法，對(duì)不同傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)進(jìn)行收割。對(duì)于有林地和疏林地的分層組網(wǎng)數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點(diǎn)采用基于分簇的LEACH算法推舉簇頭，簇頭之間根據(jù)Prim算法構(gòu)建樹形路由，以多跳的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)收割;對(duì)于灌木林地Mesh組網(wǎng)數(shù)

5、據(jù)，傳感器節(jié)點(diǎn)采用基于地理網(wǎng)格的GRID算法進(jìn)行數(shù)據(jù)收割。在數(shù)據(jù)傳輸方面，針對(duì)林區(qū)網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況的不同，云網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)成支持多種數(shù)據(jù)傳輸方式，屏蔽對(duì)上層云平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸?shù)漠悩?gòu)性。本云網(wǎng)關(guān)主要支持的數(shù)據(jù)傳輸方式包括3G傳輸模塊、數(shù)傳電臺(tái)傳輸模塊及衛(wèi)星傳輸模塊。云網(wǎng)關(guān)上端和云平臺(tái)連接，通過提供云平臺(tái)訪問接口，在云平臺(tái)層對(duì)云網(wǎng)關(guān)進(jìn)行虛擬化，向用戶提供基于IaaS服務(wù)的透明訪問，實(shí)現(xiàn)通過瀏覽器等客戶端對(duì)云網(wǎng)關(guān)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理及林業(yè)數(shù)據(jù)任務(wù)的采集

6、。本云網(wǎng)關(guān)提供的訪問方式包括Web Server方式、SSH方式及短消息方式。
　　 3、基于衛(wèi)星通信的云網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸方法研究云網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過集成美國(guó)迪進(jìn)國(guó)際公司Digi研制的M10衛(wèi)星傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)了林業(yè)傳感器數(shù)據(jù)在無地面公共網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況下的數(shù)據(jù)傳輸。衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)采用主動(dòng)和被動(dòng)兩種方式從RS232、以太網(wǎng)口讀取云網(wǎng)關(guān)設(shè)備采集的林業(yè)數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊、壓縮處理后通過衛(wèi)星發(fā)送到地面控制站。測(cè)試結(jié)果表明，在衛(wèi)星信號(hào)良好時(shí)