基于RFID古樹名木管理三維信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)*

毛行輝，唐麗玉，段輝麗(福州大學(xué) 空間數(shù)據(jù)挖掘與信息共享教育部重點(diǎn)實驗室 福建省空間信息工程研究中心,福建福州350002)

古樹名木是個基因庫,是歷史的見證,是研究自然史的重要資料,是一種吉祥的象征。它不可再生，也不可永生。因此，研究保護(hù)古樹名木、管理古樹名木信息具有重要意義?，F(xiàn)階段我國多以手動檔案管理、信息記錄的方式管理古樹名木，費(fèi)時費(fèi)力，共享化低，成本高，建檔項目不全，對于各類數(shù)據(jù)不能進(jìn)行高效的查詢以及實時的更新[1]。新型的管理手段不斷推動古樹名木信息管理的發(fā)展。射頻識別RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)是一項利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識別目的的技術(shù)。它是一種非接觸性自動識別技術(shù)，能夠用在各種惡劣環(huán)境中，無需人為干預(yù)，通過射頻信號即可自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。隨著近幾年物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，射頻識別技術(shù)被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域，如門禁控制、包裹識別追蹤、文檔追蹤管理、產(chǎn)品防偽、高速公路收費(fèi)系統(tǒng)等[2-4]。本文以RFID、物聯(lián)網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)為支撐，在古樹名木三維管理信息系統(tǒng)[5]基礎(chǔ)上，采用便攜式數(shù)據(jù)處理器、PC服務(wù)器端等組件設(shè)計出基于RFID的古樹名木三維管理信息系統(tǒng)，采用信息更新聯(lián)動機(jī)制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的信息化管理和跟蹤保護(hù)。相對于人工手動建檔，系統(tǒng)更加智能化，極大地減少工作量，外業(yè)工作者可以實時地查詢了解古樹的基本信息。而在三維平臺上以360°全景播放、圖片瀏覽的方式使用戶更了解古樹名木的生長環(huán)境。

1 系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能

系統(tǒng)采用三層C/S結(jié)構(gòu)在移動終端、服務(wù)器、客戶端之間實現(xiàn)三方通信。移動終端實現(xiàn)信息采集、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查詢、添加、修改等功能;服務(wù)器端主要處理移動終端的數(shù)據(jù)請求以及客戶端的授權(quán)請求;客戶端軟件實現(xiàn)360°全景播放、圖片瀏覽、歷史追蹤、信息管理的功能，其業(yè)務(wù)功能如圖1所示。

圖1 功能需求圖

2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)業(yè)務(wù)功能需求，將系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)劃分為數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、應(yīng)用層。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3 相關(guān)技術(shù)

3.1 信息采集

系統(tǒng)根據(jù) GPS定位數(shù)據(jù)（NMEA0183協(xié)議），選擇解析GPGGA幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)有效時，提取經(jīng)度、緯度、大地水準(zhǔn)面高度，定位數(shù)據(jù)精確到十分位，并轉(zhuǎn)化為度分秒式。

系統(tǒng)中RFID讀寫模塊在EPC存儲器中讀寫電子標(biāo)簽ID，標(biāo)簽長度不超過 12 B；在用戶存儲器(USER)中讀寫古樹名木編號(古樹信息的唯一標(biāo)識)。古樹名木編號字符串可以是文字、純數(shù)字、字母，也可以是混合形式的。判斷輸入的古樹名木編號字符串是否為純數(shù)字形式，結(jié)果為假時用 CnEnCStringToHexUnicodeCString()函數(shù)將字符轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制，一個字符(無論中文還是英文)對應(yīng)2B，即4個十六進(jìn)制數(shù)據(jù)。利用UCHAR類型的uWriteBHData[]變量存儲十六進(jìn)制的字符，每兩個字節(jié)寫入一次，直至所有字節(jié)全部寫入標(biāo)簽。根據(jù)讀地址長度，讀出電子標(biāo)簽上存儲的十六進(jìn)制字符，每4個十六進(jìn)制為一個字符，利用 HexUnicodeCStringToCnEnCString()函數(shù)讀出存儲的所有字符，一個地址長度代表讀取1個字符。結(jié)果為真時則不需要進(jìn)行十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換，直接寫入與讀取，以減少存儲消耗，此時一個地址長度代表讀取4個數(shù)字。福州園林局的古樹名木編碼有時以中英文為開頭，如“閩A”，這樣的設(shè)計能很好地解決編號是中英文的情況。

3.2 古樹信息管理

進(jìn)入古樹名木信息管理模塊時，系統(tǒng)將自動傳入GPS定位信息與RFID綁定信息。基于WinCE平臺上的數(shù)據(jù)庫API函數(shù)接口，系統(tǒng)通過設(shè)計古樹信息編輯對話框?qū)崿F(xiàn)對古樹信息的相關(guān)編輯操作，主要包括對信息的查詢、修改、添加等功能。信息的查詢主要分為本機(jī)查詢和遠(yuǎn)程查詢兩種方式。本機(jī)查詢主要查詢手持端數(shù)據(jù)庫信息，而遠(yuǎn)程查詢主要顯示服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫信息，此時若本機(jī)數(shù)據(jù)庫中沒有此遠(yuǎn)程信息，則保存該信息。信息添加功能主要增添新采集的數(shù)據(jù)信息，從而保證數(shù)據(jù)的不斷更新。同時，用戶還可以對數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行動態(tài)修改；根據(jù)園林局野外采集信息定義古樹名木數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)體（REC_TREE）;遍歷本機(jī)數(shù)據(jù)庫，判斷每一條記錄的編號屬性值(strTreeNo)是否等于 RFID模塊從標(biāo)簽上讀取的編號(m_strBianHao)。移動終端數(shù)據(jù)庫設(shè)計流程如圖 3所示。

3.3 信息更新聯(lián)動機(jī)制

移動終端基于UDP發(fā)送信息添加、修改操作的請求，應(yīng)用服務(wù)器根據(jù)請求對數(shù)據(jù)庫服務(wù)器作出處理，并啟動聯(lián)動機(jī)制，反饋信息給移動終端的同時將聯(lián)動數(shù)據(jù)傳輸給客戶端。信息更新聯(lián)動機(jī)制實現(xiàn)了移動終端、服務(wù)器端、客戶端之間的三方通信，保證數(shù)據(jù)的一致性。

(1)首先自定義移動終端與服務(wù)器端間的基本數(shù)據(jù)格式：“ID$OPType$TreeID$Data#”，字段之間用“$”間隔，結(jié)束標(biāo)志為“#”。

說明：

ID：手持機(jī)編號（巡檢員編號）。

OPType：數(shù)據(jù)操作類型

01：遠(yuǎn)程古樹信息查詢；

02：古樹信息添加；

03：古樹信息修改；

圖3 移動終端數(shù)據(jù)庫設(shè)計流程圖

06：古樹信息批量上傳。

TreeID：數(shù)據(jù)庫存儲字段、編號等。

Data格式：“字段名@屬性值@字段名@屬性值”。

包頭、包尾、自定義數(shù)據(jù)構(gòu)成了UDP傳輸數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)。服務(wù)器端開啟接收線程（RecvThread），利用recvfrom()函數(shù)接收數(shù)據(jù)包、HandlePackage()函數(shù)處理數(shù)據(jù)包。通過驗證包頭、包尾、包長度的正確性，在OnUdpCERecv回調(diào)函數(shù)中解析所有字段，根據(jù)數(shù)據(jù)操作類型對服務(wù)器數(shù)據(jù)庫作出相應(yīng)操作，通過sendto()函數(shù)反饋給移動終端。

(2)服務(wù)器端與客戶端間傳輸數(shù)據(jù)用于授權(quán)訪問與傳輸自定義信息。將來自移動終端的聯(lián)動數(shù)據(jù)作為strMessage發(fā)送給客戶端?？蛻舳藙t采用編碼方式，將“樹種”屬性值對應(yīng)的編碼與模型庫中的模型綁定。若移動終端請求添加新信息，則軟件平臺中將自動在三維地形上添加編碼對應(yīng)的三維幾何樹木模型；若移動終端請求修改信息，則客戶端將生成新的數(shù)據(jù)表，用以追蹤古樹名木的歷史位置。

采用多線程處理技術(shù)創(chuàng)建監(jiān)聽套接字，開啟接收線程（ProcRecvHandle）解析授權(quán)文件。若接收的自定義信息是“Need access”，則進(jìn)行模塊匹配，判斷授權(quán)文件是否過期，客戶端數(shù)量是否超過授權(quán)最大數(shù)量限制，授權(quán)成功則利用AddClient()函數(shù)將客戶端實例信息添加到list中，并向list中的客戶端 IP發(fā)送“Accept”信息告知授權(quán)成功。若接收的自定義信息是“HeartBeat”，則向客戶端發(fā)送“Alive”信息告知心跳連接正常。若接收的自定義信息是“Close”，則將客戶端實例信息從list中去除。

4 系統(tǒng)的實現(xiàn)與應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)在Visual Studio 2008開發(fā)環(huán)境下，基于WinCE平臺、Windows平臺，集成GPS定位技術(shù)、RFID射頻識別技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，利用 WinCE自帶數(shù)據(jù)庫 API、SQL Server數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)，實現(xiàn)了基于RFID的古樹名木管理三維信息系統(tǒng)。

4.2 系統(tǒng)應(yīng)用

(1)野外信息采集

本文選擇福州市長汀村長壽宮的古榕，古樹編號為“閩 A00057”，保護(hù)等級為二級，如圖 4(a)所示；將電子標(biāo)簽綁定在古樹名木上，如圖4(b)所示。

圖4 電子標(biāo)簽的綁定

首先登陸系統(tǒng)并設(shè)置公網(wǎng)IP地址，打開主界面，如圖5(a)所示。在樹根處開啟GPS定位模塊接收GPGGA信息，當(dāng)數(shù)據(jù)狀態(tài)有效時獲取原始經(jīng)度、緯度、海拔信息并轉(zhuǎn)換為度分秒形式。開啟RFID讀寫模塊讀取電子標(biāo)簽ID，寫入編號“閩A00057”，再一次讀取編號信息確保編號寫入成功。選擇傳輸網(wǎng)絡(luò)(GPRS/WiFi)，進(jìn)入古樹信息管理模塊，通過該模塊發(fā)送聯(lián)動數(shù)據(jù)給服務(wù)器，如圖5(b)所示。

圖5 移動終端界面

(2)三維信息管理

服務(wù)器端處理并反饋移動終端的請求，同時客戶端也會收到數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)更新的提示信息。利用LOD技術(shù)選擇簡單的方式來表達(dá)要渲染的模型。當(dāng)觀察者距離模型較遠(yuǎn)時，利用billboard技術(shù)實時繪制二維圖像，如圖6中綠色小樹圖標(biāo)所示；當(dāng)觀察者越靠近模型，模型繪制越精細(xì)。對于新增記錄，圖 6中行政區(qū)劃面板將自動識別其所屬的行政區(qū)，并在地圖顯示面板添加閃爍圖標(biāo)，標(biāo)識新記錄在二維平面上的地理位置。古樹名木移植復(fù)壯會導(dǎo)致地理位置坐標(biāo)發(fā)生變化，可以查詢某編號的古樹名木的歷史移植情況。同時系統(tǒng)支持照片、360°全景形式展示古樹名木及其周邊的信息，如圖6所示。

本文設(shè)計的基于RFID古樹名木管理三維信息系統(tǒng)充分利用了RFID技術(shù)具有在極端環(huán)境下動態(tài)快速更改標(biāo)簽數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，以及移動終端自帶的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程查詢、更新功能，拓展了信息更新聯(lián)動機(jī)制，實現(xiàn)三方通信及三維平臺上信息可視化，使得系統(tǒng)除了能實現(xiàn)信息與稀有古樹名木的唯一綁定、統(tǒng)一管理外，還能實時繪制三維古樹名木幾何模型及其生長環(huán)境。這種數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式更有利于古樹名木三維信息的管理。

圖6 古樹名木管理三維信息系統(tǒng)客戶端界面

[1]陸研,張紹文.基于RFID技術(shù)的名木古樹管理系統(tǒng)研究初探[J].山東林業(yè)科技,2008(3)：173.

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[3]夏青,王聰.基于 RFID和GSM技術(shù)的防盜系統(tǒng)設(shè)計[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2012,31(17)：31-32.

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