基于林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的智能木材倉儲管控系統(tǒng)研究

孫秋雅 許藝瀚 肖雨彤

摘 ?要： 隨著社會的發(fā)展，人們對木材的需求日益倍增，然而林業(yè)資源卻相當(dāng)有限，這就對木材的倉儲服務(wù)提出了更高的要求。如何合理、高效、安全地實現(xiàn)木材智能化存儲，實現(xiàn)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展顯得尤為重要。文中提出了一種新的林業(yè)倉儲物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)（FS?IoTs），該架構(gòu)結(jié)合了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及射頻識別技術(shù)實現(xiàn)木材倉儲的智能化，并通過相關(guān)案例進(jìn)行論證，為實現(xiàn)智慧林業(yè)系統(tǒng)開拓了新的思路。

關(guān)鍵詞： 木材倉儲; 智慧林業(yè); 物聯(lián)網(wǎng); 系統(tǒng)設(shè)計; 作業(yè)流程; 案例論證

中圖分類號： TN929?34; TP212 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）20?0169?04

Research on intelligent wood storage management and monitoring systems based on forestry Internet of Things

SUN Qiuya， XU Yihan， XIAO Yutong

（College of Information Science and Technology， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， China）

Abstract： With the development of the society， the demand for wood is multiplying day by day. However， the forestry resources are very limited， which puts forward higher requirements for the storage service of wood. How to reasonably， efficiently and safely realize intelligent storage of wood， and sustainable development of forestry is particularly important. A novel forestry storage Internet of Things （FS?IoTs） framework is proposed， which can integrate wireless sensor networks （WSNs） and radio frequency identification （RFID） technologies to achieve the intelligence of wood storage. In addition， a new idea is exploited for the realization of the intelligent forestry system according to the demonstration of relevant cases.

Keywords： wood storage; intelligent forestry; Internet of Things; system design; work flow; case demonstration

0 ?引 ?言

隨著林業(yè)信息化的快速發(fā)展，木材倉儲信息管理成為了貯木場管理的核心，每個批次的木材都有許多基本信息需要標(biāo)識，如樹種、材種、原木直徑、木材材質(zhì)等，木材入庫時這些信息需要通過手工錄入計算機(jī)以便管理，過程十分繁瑣且易出錯。目前木材倉儲中信息數(shù)據(jù)量過大，數(shù)據(jù)更改頻繁、容易出錯以及信息內(nèi)容繁雜等問題是亟待解決的。

在我國目前的木材倉儲管理中，人工管理單據(jù)的情況十分常見。人工錄入數(shù)據(jù)的成本居高不下，木材一旦缺失被盜更是難以找回。當(dāng)顧客購買指定材種的木材時，需要人工逐一核對材種基本信息、逐一查找木材所在位置，導(dǎo)致效率低下。也有一部分是使用條形碼來跟蹤和定位的，但是在出入庫過程中需要多次讀取條碼，讀頭還必須正對條碼、不能偏移才能獲取數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)不夠高效便捷。而物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)為實現(xiàn)木材倉儲信息化管控提供了新思路。物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)能夠把木材的相關(guān)信息和互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系在一起[1]，使得每一批次的木材都能被遠(yuǎn)程追蹤和定位，相關(guān)數(shù)據(jù)都能被感知和控制。因此，研究物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)以實現(xiàn)木材倉儲的信息化管控具有十分重要的意義。

1 ?物聯(lián)網(wǎng)及其相關(guān)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的概念最早于1999年被提出，其初衷是通過射頻識別、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)和激光掃描儀等信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，將物理世界和互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[2]。物聯(lián)網(wǎng)的問世打破了人們的傳統(tǒng)思維和生活方式，被公認(rèn)為是21世紀(jì)影響科技發(fā)展的最主要的關(guān)鍵技術(shù)之一。據(jù)美國咨詢機(jī)構(gòu)Forrester預(yù)測，到2020年，世界上物?物互聯(lián)業(yè)務(wù)將是人與人通信業(yè)務(wù)的30倍。從目前發(fā)展趨勢來看，業(yè)內(nèi)公認(rèn)的兩大物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)為：射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Wireless Sensor Networks，WSNs），它們在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中起到了不可替代的作用。

1.1 ?射頻識別技術(shù)

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID），可以通過無線信號識別特定目標(biāo)并進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，是一種非接觸式的自動識別技術(shù)[3]。整個識別過程無需人工干預(yù)，可同時識別多個標(biāo)簽，操作簡單快捷。圖1所示為射頻識別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。它由三個部分構(gòu)成：標(biāo)簽、閱讀器和天線。整個系統(tǒng)的工作原理為：在電子標(biāo)簽中按照約定的格式保存好木材的相關(guān)數(shù)據(jù)，將標(biāo)簽附著在待識別批次的木材表面，閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)射一定頻率的射頻信號，每當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)射天線的磁場區(qū)域就會產(chǎn)生感應(yīng)電流、獲得能量，由此可向閱讀器發(fā)送該批次木材的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。通過這種方式使閱讀器可以無接觸地獲取電子標(biāo)簽中木材的基本數(shù)據(jù)，從而達(dá)到自動識別木材信息的目的[4]。閱讀器與電腦相連，所獲取到的木材數(shù)據(jù)直接被送到電腦端等待相應(yīng)的處理。整個射頻識別系統(tǒng)工作時典型的工作頻率有：125 kHz，133 kHz，13.56 MHz，27.12 MHz，433 MHz，902～928 MHz，2.45 GHz，5.8 GHz等。

圖1 ?射頻識別系統(tǒng)

與傳統(tǒng)的條碼技術(shù)相比，射頻識別技術(shù)顯露出非常多的優(yōu)勢。本系統(tǒng)正是利用RFID電子標(biāo)簽安全性高、防污能力強(qiáng)、可重復(fù)使用、存儲容量大等特點，對木材倉儲的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和管理，以便實時掌握木材倉儲的相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.2 ?無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSNs ）是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，它將大量具有感知、計算和通信能力的微型傳感器節(jié)點部署在監(jiān)測區(qū)域中，利用節(jié)點與節(jié)點之間的相互協(xié)作實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的感知、采集和處理[5]。典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲邪藗鞲衅鞴?jié)點、匯聚節(jié)點和管理節(jié)點。傳感器節(jié)點負(fù)責(zé)對監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行信息采集，同時還要將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點進(jìn)行傳輸，擔(dān)任著終端和路由器的雙重功能。匯聚節(jié)點的存儲、通信能力一般比傳感器節(jié)點強(qiáng)，傳感器節(jié)點監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息按照約定的協(xié)議，經(jīng)過相互之間的傳輸后匯總到匯聚節(jié)點，再由匯聚節(jié)點將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)相連，把采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到外部網(wǎng)絡(luò)。

圖2 ?無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸示意圖

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間進(jìn)行無線通信的方式有很多種。在本文中，采用了IEEE 802.15.4 ZigBee接入技術(shù)作為節(jié)點間的通信方式。由于受到工作場景、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及感知數(shù)據(jù)的類型等因素的制約，同時結(jié)合ZigBee技術(shù)所具有的低功耗、低成本、高穩(wěn)定性等特點[6]，因此優(yōu)先考慮將ZigBee技術(shù)引入到木材倉儲區(qū)域的監(jiān)測中。

2 ?系統(tǒng)整體設(shè)計

智能化的木材倉儲系統(tǒng)不僅要實現(xiàn)對木材的識別、對木材的盤點、調(diào)撥、出入庫管理等，還要求能夠監(jiān)測到木材存儲的周圍環(huán)境情況，除了溫濕度檢測，對潛在的火災(zāi)因素等也需要嚴(yán)格把控。因此，對于木材倉儲的信息化管控系統(tǒng)設(shè)計，可以考慮將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和射頻識別技術(shù)相結(jié)合，用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采集周圍的環(huán)境信息，射頻識別系統(tǒng)采集木材本身的基本屬性信息以及形成跟蹤定位，這樣就可以完整地記錄當(dāng)前批次的木材的實時信息，將此信息反饋到計算機(jī)以便對倉儲中的木材資源進(jìn)行管控。

將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與射頻識別相結(jié)合的技術(shù)難點在于如何進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。經(jīng)過近幾年的發(fā)展，這兩種技術(shù)雖已得到了廣泛的認(rèn)知，但對于兩者的融合方案，目前國內(nèi)外都處于探索階段[7]。本文提出一種新的基于智能節(jié)點網(wǎng)絡(luò)體系的林業(yè)倉儲物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。智能節(jié)點網(wǎng)絡(luò)體系的設(shè)計是將RFID閱讀器和WSN節(jié)點融合在一起，在RFID閱讀器中嵌入ZigBee射頻模塊。這樣，RFID閱讀器既能讀取電子標(biāo)簽里木材的基本信息，又能通過ZigBee與無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點進(jìn)行通信，這也就形成了智能節(jié)點。智能節(jié)點和普通節(jié)點共同形成了自組織的ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)。智能節(jié)點的原理框圖如圖3所示，主要包含了天線、RFID讀寫模塊、ZigBee射頻模塊、控制模塊等，具備無線通信和數(shù)據(jù)識別等功能。由于木材倉庫一般面積都較大，如果RFID閱讀器需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離讀寫，讀寫模塊可工作在超高頻頻段。ZigBee射頻模塊在ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)下可采用美國德州儀器公司（TI）開發(fā)的CC2530芯片。CC2530芯片結(jié)合TI公司在業(yè)界領(lǐng)先的ZigBee 2007/pro標(biāo)準(zhǔn)，提供了強(qiáng)大、完善的ZigBee解決方案[8]?？刂颇K中包含了放大器、時鐘電路、微處理器等，可以采用單片機(jī)或者DSP芯片進(jìn)行控制，天線主要負(fù)責(zé)發(fā)射和接收無線信號。

圖3 ?“智能節(jié)點”原理框圖

圖4 ?木材倉儲整體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)工作過程中，ZigBee節(jié)點均勻分布在木材存儲倉庫，組建好無線傳感網(wǎng)絡(luò)。實時監(jiān)測倉庫存儲環(huán)境：節(jié)點上的溫濕度傳感器負(fù)責(zé)采集周圍空氣的溫濕度數(shù)據(jù)，在ZigBee協(xié)議下將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點，再由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺計算機(jī)。一旦采集到的數(shù)據(jù)和后臺計算機(jī)內(nèi)設(shè)置好的數(shù)值有偏差，就產(chǎn)生警報通知管理人員。監(jiān)測木材移動或被盜：通過節(jié)點上的加速度傳感器采集木材偏移程度的相關(guān)數(shù)據(jù)，同溫濕度檢測一樣，經(jīng)匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)傳送到后臺管理中心，發(fā)現(xiàn)較大偏差時產(chǎn)生報警。木材基本信息及出入庫管理：由智能節(jié)點上的RFID模塊在木材進(jìn)庫時讀取電子標(biāo)簽上的木材基本信息，經(jīng)過智能節(jié)點上的ZigBee通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_進(jìn)行存儲，木材出庫時再次讀取電子標(biāo)簽上的信息對木材發(fā)貨信息進(jìn)行核實，確保發(fā)貨數(shù)量、品種等不出錯。而系統(tǒng)工作時會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，包括木材基本信息、溫濕度、木材定位信息等，這些數(shù)據(jù)都通過后臺數(shù)據(jù)管理中心進(jìn)行存儲和管理。

3 ?系統(tǒng)作業(yè)流程

3.1 ?木材出入庫流程

木材出入庫作業(yè)流程圖如圖5所示，入庫操作主要有以下幾個步驟：

1） 木材在林場準(zhǔn)備運往倉庫時，由林場管理人員設(shè)置入庫計劃，將后臺數(shù)據(jù)庫中木材批次、樹種、直徑、木材品質(zhì)等信息寫入RFID電子標(biāo)簽，將電子標(biāo)簽附著在該批次木材表面。

圖5 ?木材出入庫作業(yè)流程圖

2） 木材倉儲管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫檢測到入庫計劃，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中木材的種類、數(shù)量信息為該批次木材分配存儲位置。

3） 當(dāng)木材運送到倉庫時，RFID電子標(biāo)簽被自動檢測，由智能節(jié)點識別木材基本信息，通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將識別出的信息傳送到數(shù)據(jù)庫，與數(shù)據(jù)庫中入庫計劃信息一一核對。

4） 智能節(jié)點識別到的電子標(biāo)簽上木材信息與入庫計劃保持一致則執(zhí)行入庫操作，將該批次木材運送到對應(yīng)的存儲位置。

5） 當(dāng)普通節(jié)點上的傳感器檢測到木材到達(dá)指定存儲位置，則通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)將已入庫信息傳輸?shù)胶笈_管理中心，將數(shù)據(jù)庫中該批次木材狀態(tài)更新為“已入庫”。

木材的出庫作業(yè)流程為入庫作業(yè)流程的逆操作，接到客戶訂單以后由管理人員在后臺數(shù)據(jù)處理中心形成出庫計劃，與數(shù)據(jù)庫中已有木材信息形成比對，確定出庫木材的批次，倉儲位置等基本信息，管理人員到指定倉儲位置使用手持RFID閱讀器（也是智能節(jié)點）再次檢測木材基本信息，和后臺數(shù)據(jù)庫中出庫信息完全匹配則可將木材運送出庫。普通節(jié)點檢測到該存儲位置空缺，相應(yīng)地更新數(shù)據(jù)庫中存儲位置分配情況。

3.2 ?倉儲監(jiān)控流程

對倉儲中的木材及周圍環(huán)境形成監(jiān)控主要依靠普通節(jié)點上的各項傳感器。溫濕度傳感器負(fù)責(zé)實時采集倉儲環(huán)境中的溫濕度信息，經(jīng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳送到后臺數(shù)據(jù)庫和預(yù)設(shè)范圍形成對比，超出預(yù)設(shè)范圍立即報警通知管理人員。加速度傳感器負(fù)責(zé)實時采集木材的位置偏移情況，信息經(jīng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳送到后臺數(shù)據(jù)庫和預(yù)設(shè)偏移量進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，偏移量過大時發(fā)出警報通知管理人員，進(jìn)行下一步處理。

4 ?結(jié) ?語

本文在充分了解木材倉儲的發(fā)展歷程以及現(xiàn)狀后，針對目前木材倉儲管理中存在的問題，提出了一種基于智能節(jié)點網(wǎng)絡(luò)體系的林業(yè)倉儲物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。該架構(gòu)通過將射頻識別與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相融合的方法實現(xiàn)了智能化木材倉儲服務(wù)。此外，值得注意的是物聯(lián)網(wǎng)在林業(yè)中的應(yīng)用還處于探索的初級階段，要想全面實現(xiàn)智慧林業(yè)系統(tǒng)，仍然存在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和協(xié)議、安全等問題，需要人們進(jìn)行更加深入的研究[9]。

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