林業野外作業數據采集系統設計與穩定性

任俊俊， 方陸明， 唐麗華

（1. 浙江農林大學 環境與資源學院， 浙江 臨安311300； 2. 浙江農林大學 信息工程學院， 浙江 臨安311300）

中國森林資源豐富， 物種繁多， 地域廣闊， 地形地貌復雜多變。 林業野外作業量大， 數據繁多。 目前， 林業野外數據采集大多數仍采用紙質文檔， 每次野外作業都需攜帶各類數據記錄卡片， 內業需將數據錄入系統， 不僅重復記錄， 數據出錯概率也會增加， 從而影響調查結果的準確性、 數據處理的及時性， 總體效率較低［1－2］。 在美國、 日本等一些發達國家， 林業野外作業已從單一的數據采集系統向綜合決策系統發展， 例如美國林務局研發應用的東北決策模型（NED）系統［3-4］。 近年來， 中國雖有一些移動式信息產品應用到林業調查和數據處理中［5］， 但這些產品大多是基于現有掌上數據助理（PDA）的二次開發［6］， 作為采集終端設備， 應用對象單一， 軟硬件及功能產生較大的冗余， 完全針對林業野外作業數據采集的產品僅有少量報道［7］， 且通用性較差， 穩定性較低， 與控制中心實時交互能力不足， 內業還需將采集數據手工導入到管理系統， 缺乏對野外作業的實時跟蹤。 基于以上林業信息化過程中存在的不足， 作者研究和開發了集地點定位、 數據采集、 信息保存、 無線傳輸、 智能化處理和個性化服務、 后端服務器管理等功能于一體的林業野外作業數據采集系統， 運行速度快， 數據采集效率高， 人機交互界面友好， 并具有較好的穩定性。 本研究主要討論采集終端軟硬件方案設計以及數據傳輸的穩定性。

1 系統方案設計

1.1 系統總體架構

系統主要由采集終端和后端服務器兩部分組成。 采集終端基于林業野外作業數據采集的實際需求，集成了多種硬件模塊， 基于Windows CE 操作系統， 設計與開發了通用軟件環境， 可適用于林權、 野生動物、 古樹名木等森林資源調查以及森林巡護等野外作業。 后端服務器主要負責接收與處理采集終端發送的信息， 進行智能化處理， 并與其他相關系統進行信息交換。 系統整體設計方案如圖1 所示。

圖1 系統整體設計方案Figure 1 General architecture of the system

采集終端硬件系統以ARM9 處理器為核心， 集成采集模塊、 定位模塊、 通信模塊、 存儲模塊、 電源模塊及擴充接口， 可基本滿足林業野外作業發展的需要。 軟件系統在硬件系統的基礎上， 以Windows CE 操作系統為核心， 設計與定制板極支持包（BSP）、 驅動程序、 相關軟件功能模塊等， 實現軟硬件系統的融合， 滿足林業野外作業的需要。 后端服務器以Microsoft SQL Server 2005 數據庫管理系統為核心，建立相關本底數據庫［8］， 方便與林權管理、 森林資源等數據庫進行數據交換。

采集終端采用全球定位系統（GPS）定位方式， 讀取WGS84 坐標系定位數據， 按需求進行坐標系轉換得到相應定位信息［9］。 野外數據通過設備自動采集和人工輸入2 種方式進行采集， 通過通用分組無線服務技術（GPRS）無線撥號功能連接公網， 采用傳輸控制協議/因特網互聯協議（TCP/IP）將數據實時傳送至后端服務器， 并在采集終端備份存儲， 采集的數據也可以通過通用串行總線（USB）或串口通信方式通過傳輸線發送到指定上位機。 為方便采集終端的使用， 延長續航能力， 采用可充電式電源供電系統， 擁有斷電保護及節電模式， 確保系統可靠運行［10－11］。

1.2 開發環境與系統功能

林業野外作業數據采集系統是針對林業部門需求而設計， 是一個集前端數據采集和后端智能處理的一體化系統。 為開發所需功能， 配備具有Windows XP Professional Edition 操作系統的微機， Microsoft Visual Studio.net 2008 集成開發環境， Platform Builder 5.0 開發工具, Microsoft .NET Framework 3.5， Microsoft SQL Server 2005 等， 開發語言采用Visual C#。 開發平臺通過微軟提供的Microsoft ActiveSync 4.5同步軟件和SDHC 讀卡器等2 種方式連接采集終端， 經串口進行調試信息的輸入與輸出。

在林業野外作業過程中， 根據不同的作業對象運行不同的數據采集軟件模塊， 進行數據錄入。 通過無線網絡將數據發送到后端服務器進行統一處理， 或者以短消息模式發送到指定的手機終端上， 供相關人員決策與事件處置， 從而實現多管理對象之間的信息聯動， 野外作業人員、 不同層次管理人員之間互動（圖2）。

圖2 林業野外作業數據采集系統示意圖Figure 2 Forestry field operations system schemes

2 系統穩定性模型研究

2.1 系統穩定性研究的必要性

穩定性是一個系統運行最基本的要求， 也是確保數據可靠與有效傳輸的必要條件。 對系統進行綜合分析與相關測試， 是系統開發到實際應用不可缺少的環節， 可大大降低系統應用時的故障概率， 增加系統在相應的環境中運行的可靠度。 本研究重點研究采集終端的穩定性， 主要分為3 個方面： ①硬件系統穩定性； ②軟件系統穩定性； ③數據傳輸穩定性。

2.2 穩定性模型的建立

3 硬件系統可靠性研究

在硬件系統不可修復系統理論［12-13］指導下， 根據可靠度子模型， 得到采集終端硬件系統可靠性研究模型框架（圖4）。

圖3 系統可靠度子模型Figure 3 System reliability model

圖4 硬件系統可靠性模型框圖Figure 4 Reliability model of hardware system

本系統電源單元各元器件出廠前都經過檢驗， 其穩定可靠性符合國際標準。 電源單元模塊輸入電壓12.0 V 保持不變， 輸出電壓為5.0 V 和3.3 V。 設置信水平為0.95， 則輸出電壓置信區間分別為（4.75， 5.25）和（3.14， 3.46）， 誤差允許范圍為（－0.25， 0.25）和（－0.16， 0.16）。 通過對電源單元模塊做200 次試驗檢驗后， 得出在置信區間內的試驗共計177 次， 得到電源單元模塊可靠度RI（t）=0.885。

同理， 顯示單元、 傳輸單元、 定位單元、 存儲單元根據試驗檢驗結果， 得出各模塊單元可靠度分別為RA（t）=0.925， RB（t）=0.910， RC（t）=0.905， RD（t）=0.955。

設后端服務器硬件可靠度為1。 根據可靠度分析關系式得硬件系統可靠度為R硬=0.885［1-（1-0.925）（1-0.91）（1-0.905）（1-0.955）］=0.885。 從系統可靠度分析結果得出， 硬件系統的可靠度為0.885。

4 軟件系統穩定性研究

軟件系統的穩定是野外作業數據正確采集以及成功傳輸后臺服務器的關鍵。 本系統主要考慮采集終端的軟件部分， 主要包括Boot loader 的開發、 板極支持包（BSP）的定制、 驅動程序以及應用軟件等。

Boot loader 主要完成操作系統加載前的初始化硬件操作， 并加載內核鏡像文件； BSP 完成與硬件部分的相關通信及加載設備驅動程序與配置文件［14－15］。 為確保能夠順利與硬件系統通信及加載操作系統，提高系統穩定性， 在系統啟動之初增加“看門狗”檢測技術， 增加錯誤提示功能及硬件指示。

為提高軟件系統的穩定性， 在應用軟件開發過程中， 采用性能成熟穩定的Microsoft Visual Studio.net 2008 集成開發環境， 采用軟件陷阱技術［16］， 增加軟件容錯功能及錯誤提示功能， 避免軟件漏洞（bug），提高軟件兼容性與魯棒性。 在軟件系統穩定性的研究中， 根據穩定性研究模型中各單元之間相互關系，創建可靠性模型框架， 如圖5 所示。

軟件系統可靠性主要受2 個方面影響： ①軟件加載啟動穩定性； ②軟件運行穩定性。

在板極支持包（BSP）單元分析中， 以檢測硬件信號指示及界面加載提示信息來檢測BSP 單元的工作狀況， 通過200 次試驗， 得出BSP 單元在試驗中的可靠度R1（t）=1。

同理， 對設備驅動單元、 應用軟件單元以及數據備份單元試驗中， 得出設備驅動單元可靠度R2（t）=0.990， 應用軟件單元可靠度R3（t）=0.905， 數據備份單元可靠度R4（t）=0.990。

根據可靠性分析關系式， 得出軟件系統的可靠度R（t）＝0.990。

圖5 軟件系統可靠性模型框圖Figure 5 Reliability model of software

5 傳輸穩定性研究

傳輸穩定性是保證數據安全準確傳輸到后端服務器及指定終端的關鍵。 本系統主要采用TCP/IP 協議， 通過GPRS 連接網絡進行數據傳輸［17］， 并通過以下幾種方法提高穩定性： ①網絡信號強度檢測。 通過檢測GPRS 網絡信號強度， 設定當信號強度Rs＜－100 dBm， 信道誤碼率Be＞6.4%時， 暫停傳輸服務，等接收信號達到所設下限指標值才繼續開通傳輸服務。 ②數據壓縮。 通過對采集數據的壓縮， 縮減傳輸任務量， 提高傳輸效率， 主要通過數據無損壓縮（LZW）算法對數據進行無損數據壓縮， 有效縮減數據量， 并對數據的安全性起到一定的作用。 ③MD5 數字標簽校對。 為提高數據安全性， 確保信息不被竊取， 采用MD5 算法對數據進行加密操作， 產生一個僅適用于該數據的“數字式指紋”文件。 ④斷點續傳，為確保在網絡異常中斷情況下數據傳輸中斷后不需要重新傳輸， 故將傳輸的數據文件人為分成幾個部分， 采用斷電續傳方式進行傳輸， 只需在信號恢復后從斷點繼續傳輸， 提高了傳輸效率。

6 實地應用

林權野外作業數據采集系統、 古樹名木野外作業數據采集系統、 野生動物野外作業數據采集系統等系統在浙江省某些縣市不同程度得到應用。 臨安市青山湖為國家級森林公園， 森林郁閉度約0.5， 我們以野生動物野外作業數據采集系統為試驗對象， 以青山湖為國家級森林公園為試驗區， 進行數據采集與集中統一處理應用。 手持終端采集界面如圖6 所示， 系統服務器端相關界面如圖7 所示。

圖6 手持終端采集界面Figure 6 GUI of information collection

圖7 服務器界面Figure 7 GUI of server

在應用區選取不同地形進行數據獲取與傳輸測試， 共獲取數據200 組， 成功接收196 組， 保存數據200 組， 得出數據傳輸成功率為98%， 從數據發送到服務器成功接收的時間間隔在40 s 以內， 數據的無線傳輸是安全穩定的。

根據以上分析、 計算， 可得系統穩定性Ss= 0.817。

7 結論與討論

林業野外作業數據采集系統的設計與實現， 是在加快林業信息化建設的背景下， 針對林業部門的特定需求， 借助一定的開發工具與開發平臺， 軟硬件統一架構的應用性產品。 通過試驗檢測， 并建立了林權野外作業數據采集系統、 古樹名木野外作業數據采集系統、 野生動物野外作業數據采集系統， 在浙江省部分縣市進行實際應用。 研究與應用表明： ①系統軟硬件穩定性較高， 反應速度快， 采集終端待機時間長， 適合應用于林業野外數據采集。 ②系統應用對象多元化， 能基本滿足林業不同類型的野外作業需求。 ③采集數據快捷， 安全可靠性高， 能有效提高野外作業的效果與效率。 ④野外作業過程與后臺服務器實時交互， 經及時處理并提供個性化應用， 體現了一體化的作業與管理思想， 也體現了信息的聯動和管理互動， 應用效果明顯。 ⑤不同管理對象的野外作業數據采集系統之間進行數據交換， 體現了多系統之間信息聯動模式， 提高了不同管理對象之間的信息更新效率。

同時， 還有諸多問題需進一步探討： ①提高與改善在郁閉度高的林區中的定位精度及定位方式， 實現系統定位無盲區。 ②通過3G 網絡等技術提高無線傳輸速率， 提高信息發布時效性。 ③繼續提升前后臺之間的數據聯動與交互， 實現事件處置與林業管理現場化、 實地化。 ④開發語音識別功能， 使采集過程通過語音方式進行， 實現野外作業方式多元化。

［1］ 徐貴登， 方陸明， 應華香， 等. 林業電子政務建設概況及建設構想［J］. 浙江林學院學報， 2009， 26（4）： 592-597.XU Guideng， FANG Luming， YING Huaxiang， et al. Overview and vision of forestry e-government construction ［J］. J Zhejiang For Coll， 2009， 26 （4）： 592 - 597.

［2］ 方陸明. 我國森林資源信息管理網絡系統解決方案的探討［J］. 北京林業大學學報， 2003， 25 （3）： 127 - 130.FANG Luming. Study of the forest resource information management network system solution in China ［J］. J Beijing For Univ， 2003， 25 （3）： 127 - 130.

［3］ TWERY M J， RAUSCHER H M， BENNETT D J， et al. NED-1： integrated analyses for forest stewardship decisions［J］. Comput Electron Agric， 2000， 27： 167 - 193.

［4］ MARK J. TWERY M J， KNOPP P D， THOMASMA S A， et al. NED-2： A decision support system for integrated forest ecosystem management ［J］. Comput Electron Agric， 2005， 49： 24 - 43.

［5］ 許等平， 唐小明， 畢于慧. 基于嵌入式GIS 的森林資源二類調查數據采集系統［J］. 林業科學， 2006， 42 （增刊1）： 151 - 154.XU Dengping， TANG Xiaoming， BI Yuhui. Information collection system for forestry resources based on embedded GIS ［J］. Sci Silv Sin， 2006， 42 （supp 1）： 151 - 154.

［6］ 曾松偉， 李光輝， 胡海根， 等. 基于PDA 的森林資源數據采集系統的設計與實現［J］. 浙江林學院學報， 2009， 26（1）： 111 - 115.ZENG Songwei， LI Guanghui， HU Haigen， et al. Design and implementation of personal digital assistant （PDA）based information ［J］. J Zhejiang For Coll， 2009， 26 （1）： 111 - 115.

［7］ 王長文， 陳國林. PDA 在林業野外數據采集上的應用： 以吉林省林業調查規劃院研制開發的系統為例［J］. 林業資源管理， 2004 （6）： 71 - 74.WANG Changwen， CHEN Guolin.Application of PDA to forest field data collection ［J］.For Resour Manage， 2004 （6）：71 - 74.

［8］ 樓雄偉， 方陸明， 徐愛俊， 等. 多源數據融合下的森林防火本底數據庫建立［J］. 浙江林學院學報， 2008， 25 （4）：405 - 410.LOU Xiongwei， FANG Luming， XU Aijun， et al. Data fusion with 3D modeling for forest fire prevention background database ［J］. J Zhejiang For Coll， 2008， 25 （4）： 405 - 410.

［9］ 藍箭， 李東明， 于水清. 一種GPS 與遠程服務器通信方式的研究［J］. 微計算機應用， 2011， 27 （2）： 23 - 27.LAN Jian， LI Dongming， YU Shuiqing. Research and Implementation of communication between GPS and Server applied in remote monitoring system ［J］. Microcomput Appl， 2011， 27 （2）： 23 - 27.

［10］ YANG Feng， CHENG Cheng， PAN Quan， et al. Practical integrated navigation fault detection algorithmbased on sequential hypothesis testing ［J］. J Syst Eng Electron， 2011， 22 （1）： 146 - 149.

［11］ 鄭偉. 單片機抗干擾及可靠性設計［J］. 電腦開發與應用， 2006， 19 （1）： 56 - 58.ZHENG Wei.Anti-interference and reliability design of single-chip computer ［J］.Comput Dev& Appl， 2006， 19 （1）：56 - 58.

［12］ 宋保維. 系統可靠性設計與分析［M］. 西安： 西北工業大學出版社， 2008.

［13］ 高社生， 張玲霞. 可靠性理論與工程應用［M］. 北京： 國防工業出版社， 2002.

［14］ 周建設. Windows CE 設備驅動及BSP 開發指南［M］. 北京： 中國電力出版社， 2010.

［15］ ZHANG Xizheng， WANG Yaonan. New mixed broadcast scheduling approach using neural networks and graph coloring in wireless sensor network ［J］. J Syst Eng Electron， 2009， 20 （1）： 185 - 191.

［16］ 董玉華， 許合利， 杜守恒. 工業用單片機系統中的軟件抗干擾技術［J］. 河南理工大學學報， 2005， 24 （6）：466 - 470.DONG Yuhua， XU Heli， DU Shouheng. Anti-interference technology of software for industrial single-chip microcomputer system ［J］. J Henan Polyt Univ， 2005， 24 （6）： 466 - 470.

［17］ 裴紅， 呂澤鋒， 崔雅敏.基于GPRS 的數據采集與監控系統設計及應用［J］.微計算機信息， 2011， 27（2）： 89-90.PEI Hong， Lü Zefeng， CUI Yamin. Design and application of a remote CBM monitor system based on GPRS ［J］.Microcomputer Inf， 2011， 27 （2）： 89 - 90.