基于林业物联网的智能木材仓储管控系统研究

随着林业信息化的快速发展，木材仓储信息管理成为了贮木场管理的核心，每个批次的木材都有许多基本信息需要标识，如树种、材种、原木直径、木材材质等，木材入库时这些信息需要通过手工录入计算机以便管理，过程十分繁琐且易出错。目前木材仓储中信息数据量过大，数据更改频繁、容易出错以及信息内容繁杂等问题是亟待解决的。

在我国目前的木材仓储管理中，人工管理单据的情况十分常见。人工录入数据的成本居高不下，木材一旦缺失被盗更是难以找回。当顾客购买指定材种的木材时，需要人工逐一核对材种基本信息、逐一查找木材所在位置，导致效率低下。也有一部分是使用条形码来跟踪和定位的，但是在出入库过程中需要多次读取条码，读头还必须正对条码、不能偏移才能获取数据，远不够高效便捷。而物联网的出现为实现木材仓储信息化管控提供了新思路。物联网的相关技术能够把木材的相关信息和互联网联系在一起[1]，使得每一批次的木材都能被远程追踪和定位，相关数据都能被感知和控制。因此，研究物联网相关技术以实现木材仓储的信息化管控具有十分重要的意义。

物联网的概念最早于1999年被提出，其初衷是通过射频识别、红外感应器、全球定位系统和激光扫描仪等信息传感设备，按照约定的协议，将物理世界和互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[2]。物联网的问世打破了人们的传统思维和生活方式，被公认为是21世纪影响科技发展的最主要的关键技术之一。据美国咨询机构Forrester预测，到2020年，世界上物-物互联业务将是人与人通信业务的30倍。从目前发展趋势来看，业内公认的两大物联网关键技术为：射频识别技术（Radio Frequency Identification,RFID）和无线传感器网络技术（Wireless Sensor Networks,WSNs），它们在物联网的应用中起到了不可替代的作用。

射频识别（Radio Frequency Identification,RFID），可以通过无线信号识别特定目标并进行数据读写，是一种非接触式的自动识别技术[3]。整个识别过程无需人工干预，可同时识别多个标签，操作简单快捷。图1所示为射频识别系统的结构框图。它由三个部分构成：标签、阅读器和天线。整个系统的工作原理为：在电子标签中按照约定的格式保存好木材的相关数据，将标签附着在待识别批次的木材表面，阅读器通过发射天线发射一定频率的射频信号，每当标签进入发射天线的磁场区域就会产生感应电流、获得能量，由此可向阅读器发送该批次木材的相关数据信息。通过这种方式使阅读器可以无接触地获取电子标签中木材的基本数据，从而达到自动识别木材信息的目的[4]。阅读器与电脑相连，所获取到的木材数据直接被送到电脑端等待相应的处理。整个射频识别系统工作时典型的工作频率有：125 kHz,133 kHz,13.56 MHz,27.12 MHz,433 MHz,902～928 MHz,2.45 GHz,5.8 GHz等。

与传统的条码技术相比，射频识别技术显露出非常多的优势。本系统正是利用RFID电子标签安全性高、防污能力强、可重复使用、存储容量大等特点，对木材仓储的各个环节进行数据采集和管理，以便实时掌握木材仓储的相关数据。

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks,WSNs）是一种分布式传感网络，它将大量具有感知、计算和通信能力的微型传感器节点部署在监测区域中，利用节点与节点之间的相互协作实现对监测区域内信息的感知、采集和处理[5]。典型的无线传感器网络系统结构如图2所示。网络拓扑中包括了传感器节点、汇聚节点和管理节点。传感器节点负责对监测区域进行信息采集，同时还要将监测到的数据沿着其他传感器节点进行传输，担任着终端和路由器的双重功能。汇聚节点的存储、通信能力一般比传感器节点强，传感器节点监测到的数据信息按照约定的协议，经过相互之间的传输后汇总到汇聚节点，再由汇聚节点将无线传感器网络与互联网相连，把采集到的数据信息发送到外部网络。

无线传感器网络节点间进行无线通信的方式有很多种。在本文中，采用了IEEE 802.15.4 ZigBee接入技术作为节点间的通信方式。由于受到工作场景、网络拓扑结构以及感知数据的类型等因素的制约，同时结合ZigBee技术所具有的低功耗、低成本、高稳定性等特点[6]，因此优先考虑将ZigBee技术引入到木材仓储区域的监测中。

智能化的木材仓储系统不仅要实现对木材的识别、对木材的盘点、调拨、出入库管理等，还要求能够监测到木材存储的周围环境情况，除了温湿度检测，对潜在的火灾因素等也需要严格把控。因此，对于木材仓储的信息化管控系统设计，可以考虑将无线传感器网络技术和射频识别技术相结合，用无线传感器网络系统采集周围的环境信息，射频识别系统采集木材本身的基本属性信息以及形成跟踪定位，这样就可以完整地记录当前批次的木材的实时信息，将此信息反馈到计算机以便对仓储中的木材资源进行管控。

将无线传感器网络与射频识别相结合的技术难点在于如何进行数据融合。经过近几年的发展，这两种技术虽已得到了广泛的认知，但对于两者的融合方案，目前国内外都处于探索阶段[7]。本文提出一种新的基于智能节点网络体系的林业仓储物联网架构。智能节点网络体系的设计是将RFID阅读器和WSN节点融合在一起，在RFID阅读器中嵌入ZigBee射频模块。这样，RFID阅读器既能读取电子标签里木材的基本信息，又能通过ZigBee与无线传感网络中的其他节点进行通信，这也就形成了智能节点。智能节点和普通节点共同形成了自组织的ZigBee无线通信网络。智能节点的原理框图如图3所示，主要包含了天线、RFID读写模块、ZigBee射频模块、控制模块等，具备无线通信和数据识别等功能。由于木材仓库一般面积都较大，如果RFID阅读器需要进行远距离读写，读写模块可工作在超高频频段。ZigBee射频模块在ZigBee协议标准下可采用美国德州仪器公司（TI）开发的CC2530芯片。CC2530芯片结合TI公司在业界领先的ZigBee 2007/pro标准，提供了强大、完善的ZigBee解决方案[8]。控制模块中包含了放大器、时钟电路、微处理器等，可以采用单片机或者DSP芯片进行控制，天线主要负责发射和接收无线信号。

采用智能节点网络体系的木材仓储系统整体结构如图4所示，主要分为信息采集、数据传输、后台计算机管理三大模块。

系统工作过程中，ZigBee节点均匀分布在木材存储仓库，组建好无线传感网络。实时监测仓库存储环境：节点上的温湿度传感器负责采集周围空气的温湿度数据，在ZigBee协议下将数据传输到汇聚节点，再由网络协调器将数据发送到后台计算机。一旦采集到的数据和后台计算机内设置好的数值有偏差，就产生警报通知管理人员。监测木材移动或被盗：通过节点上的加速度传感器采集木材偏移程度的相关数据，同温湿度检测一样，经汇聚节点将数据传送到后台管理中心，发现较大偏差时产生报警。木材基本信息及出入库管理：由智能节点上的RFID模块在木材进库时读取电子标签上的木材基本信息，经过智能节点上的ZigBee通信模块将数据传输到后台进行存储，木材出库时再次读取电子标签上的信息对木材发货信息进行核实，确保发货数量、品种等不出错。而系统工作时会产生大量的数据，包括木材基本信息、温湿度、木材定位信息等，这些数据都通过后台数据管理中心进行存储和管理。

木材出入库作业流程图如图5所示，入库操作主要有以下几个步骤：

1）木材在林场准备运往仓库时，由林场管理人员设置入库计划，将后台数据库中木材批次、树种、直径、木材品质等信息写入RFID电子标签，将电子标签附着在该批次木材表面。

2）木材仓储管理系统数据库检测到入库计划，根据数据库中木材的种类、数量信息为该批次木材分配存储位置。

3）当木材运送到仓库时，RFID电子标签被自动检测，由智能节点识别木材基本信息，通过ZigBee无线传感器网络将识别出的信息传送到数据库，与数据库中入库计划信息一一核对。

4）智能节点识别到的电子标签上木材信息与入库计划保持一致则执行入库操作，将该批次木材运送到对应的存储位置。

5）当普通节点上的传感器检测到木材到达指定存储位置，则通过无线传感网络将已入库信息传输到后台管理中心，将数据库中该批次木材状态更新为“已入库”。

木材的出库作业流程为入库作业流程的逆操作，接到客户订单以后由管理人员在后台数据处理中心形成出库计划，与数据库中已有木材信息形成比对，确定出库木材的批次，仓储位置等基本信息，管理人员到指定仓储位置使用手持RFID阅读器（也是智能节点）再次检测木材基本信息，和后台数据库中出库信息完全匹配则可将木材运送出库。普通节点检测到该存储位置空缺，相应地更新数据库中存储位置分配情况。

对仓储中的木材及周围环境形成监控主要依靠普通节点上的各项传感器。温湿度传感器负责实时采集仓储环境中的温湿度信息，经无线传感网络传送到后台数据库和预设范围形成对比，超出预设范围立即报警通知管理人员。加速度传感器负责实时采集木材的位置偏移情况，信息经无线传感网络传送到后台数据库和预设偏移量进行数据对比，偏移量过大时发出警报通知管理人员，进行下一步处理。

本文在充分了解木材仓储的发展历程以及现状后，针对目前木材仓储管理中存在的问题，提出了一种基于智能节点网络体系的林业仓储物联网架构。该架构通过将射频识别与无线传感器网络相融合的方法实现了智能化木材仓储服务。此外，值得注意的是物联网在林业中的应用还处于探索的初级阶段，要想全面实现智慧林业系统，仍然存在技术标准、网络结构和协议、安全等问题，需要人们进行更加深入的研究[9]。