物聯網技術在智慧林業應用中存在的問題及對策

摘" 要：該研究旨在探究物聯網技術在智慧林業應用中存在的問題，并提供相應的對策和解決方案。通過某省林業局利用物聯網設備，對林區中的植物、樹木、人、車和煙火等目標的識別與監測，解決當前物聯網技術在智能林業應用中存在的技術短板，顯著提高數據采集、數據傳輸和數據存儲等方面的效率和準確性，為林業資源管理與保護提供重要的決策支持。

關鍵詞：物聯網技術；智慧林業；對策；數據采集；數據傳輸；數據存儲

中圖分類號：TP391" " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2023）18-0021-04

Abstract： This study aims to explore the problems existing in the application of Internet of Things technology in smart forestry， and provide corresponding countermeasures and solutions. Through the use of Internet of Things（IoT） equipment by a certain provincial forestry bureau， the identification and monitoring of plants， trees， people， vehicles， fireworks and other targets in forest areas have solved the technical shortcomings of current IoT technology in smart forestry applications， thus significantly improving the efficiency and accuracy of data collection， data transmission， and data storage and providing important decision-making support for forestry resource management and protection.

Keywords： Internet of Things technology; smart forestry; countermeasures; data collection; data transmission; data storage

隨著信息技術的不斷發展和普及，物聯網技術已經逐漸成為智慧林業發展的重要手段。物聯網技術可以實現對森林資源的自動化、實時化、精細化管理和智能化服務，提高森林資源管理的效率和水平。然而，在物聯網技術的應用過程中，也會面臨一些問題，如數據采集、數據傳輸、數據存儲等方面存在的問題，這些問題可能會影響智慧林業的健康發展。因此，本文旨在探討物聯網技術在智慧林業應用中存在的問題和對策，以促進智慧林業的健康發展。從數據采集、數據傳輸、數據存儲等方面出發，分析物聯網技術在智慧林業應用中的問題，提出相應的對策，以期為智慧林業的發展提供有益的借鑒和參考。

1" 智慧林業中物聯網技術的重要作用分析

林業是我國重要的資源產業之一，但由于其幅員遼闊、周期性長等特點，導致林業資源監測和管理任務繁重而困難。通過物聯網技術可以實現對森林資源的自動化、實時化、精細化管理和監測[1]。智慧林業中物聯網技術的重要作用分析及描述見表1。

通過表1的內容描述更為直觀地展現物聯網技術在智慧林業中的重要作用和實際應用情況，因此，物聯網技術的應用可以幫助智慧林業實現全方位、精細化管理和監測，提高森林資源的利用效率和保護水平，具有重要的現實意義和應用價值。

2" 問題分析

2.1" 通信協議不兼容

在智慧林業應用中，不同廠家和不同類型的物聯網設備可能使用不同的通信協議，這會導致通信協議不兼容的問題[2]。通信協議不兼容會導致設備之間無法相互通信，從而影響到物聯網系統的整體效能和數據的精確性。假設在森林資源管理中采用了一種特定的溫度傳感器設備對森林中的溫度進行監測和控制，并使用了一種自有的通信協議進行數據傳輸和控制。但是，在森林資源管理過程中，該系統需要與其他廠家的設備進行互聯互通，例如與灌溉設備、照明設備等進行通信。設備通信協議傳輸見表2。

在表2中，溫度傳感器設備采用了自有的通信協議進行數據傳輸，而灌溉設備和照明設備則分別采用了Modbus和ZigBee通信協議。由于這些設備采用不同的通信協議，導致它們之間無法直接通信，從而影響到森林資源的養護和管理效果。

2.2" 數據傳輸安全性差

在物聯網系統中，主要通過無線網絡或有線網絡進行數據傳輸，物聯網系統中產生的大量數據需要進行存儲和管理，如若物聯網設備存在漏洞，就存在數據被竊聽的風險，黑客可以利用這些漏洞對設備進行攻擊，從而導致數據泄露、數據篡改等問題。物聯網系統中存在的數據安全風險見表3。

例如，在森林資源管理過程中，工作人員需要將采集到的數據上傳至云端進行分析和處理。但是在此過程中物聯網設備存在明顯的技術漏洞，那么黑客可以利用這些漏洞對設備進行攻擊，從而竊取設備上傳的數據。這樣就會導致數據泄露、數據篡改等問題。

2.3" 數據存儲容量不足

物聯網系統采集到的數據量非常龐大，如果存儲容量不足，則可能導致數據丟失或無法進行存儲。而且部分林業管理物聯網設備使用的存儲設備性能不足，無法滿足數據量大、數據傳輸速度快的要求，導致數據存儲效率低下。再加上，物聯網設備本身所使用的存儲設備可能就存在技術故障，例如硬盤損壞、存儲芯片損壞等，這樣就會導致數據丟失或無法正常讀取。

例如，2020年，某市發生了一起嚴重的森林火災，當地政府采用了物聯網技術對火災進行監測和預警，并通過物聯網設備采集到了大量的環境數據和火情數據。然而，由于數據量非常龐大，存儲容量不足，部分數據無法進行存儲，導致部分火災救援數據的完整性和準確性受到了一定的負面影響。數據存儲風險見表4。

3" 應對措施

3.1" 通過轉換不同設備的通信協議實現數據共享

網關設備是物聯網系統中重要的組成部分，可以實現不同設備之間的通信協議轉換，使得這些設備可以互相通信和共享數據[3]。在物聯網系統中，不同的設備可能采用不同的通信協議，如Wi-Fi、ZigBee、Bluetooth等。這些設備之間無法直接進行通信，需要通過網關設備進行協議轉換。

網關設備可以視為一種線上翻譯器，該設備的功能就是可以將來自不同設備的信息進行解碼和編碼，使得這些設備可以使用相同的通信協議進行通信。例如，將來自傳統計算機網絡的TCP/IP協議轉換為物聯網通信協議MQTT，或將ZigBee通信協議轉換為Wi-Fi通信協議等。

3.2" 通過機密算法對數據傳輸進行加密保護

在智慧林業應用中，數據的安全性和隱私性是非常重要的問題[4]。為了保證數據不被竊取、篡改或泄露，需要采用一系列安全措施來保護數據的機密性、完整性和可用性。

其中，加密算法是保護數據機密性的重要手段之一。加密算法通過對數據進行復雜的數學運算，將明文轉換為密文，使得黑客難以通過破解算法來獲取明文信息，但由于密鑰需要在發送方和接收方之間共享，因此密鑰管理和分發成了一個亟須解決的問題。

為了解決這個問題，非對稱加密算法應運而生。在數據傳輸過程中，使用機密算法對數據進行加密，可以保證數據在傳輸過程中不被竊取和篡改。常見的機密算法包括高級加密標準（Advanced Encryption Standard，AES）和數據加密標準（Data Encryption Standard，DES）等。

3.2.1" AES機密算法

AES是一種對稱加密算法，采用分組密碼的方式對數據進行加密。在AES加密算法中，解密過程與加密過程相反，需要進行輪密鑰生成、逆行移位、逆列混淆和逆字節代換等操作，以還原明文。AES機密算法主要包含明文數據塊、密鑰、輪密鑰。AES加密算法的加密過程如下。

1）初始化狀態：將明文數據塊P復制到狀態矩陣中。

2）輪密鑰加：將輪密鑰W與狀態矩陣S進行異或操作。

3）字節轉換：將狀態矩陣S中的每個字節都替換為對應的S盒中的值。

4）行移位：將狀態矩陣S中的每一行循環左移不同的位數。

5）列混淆：將狀態矩陣S中的每一列進行線性變換。

6）輪密鑰生成：生成下一輪的輪密鑰。

7）重復執行：重復2～6步，直至最后一輪密鑰生成。

8）輸出加密后的密文數據塊C。

AES加密算法的解密過程與加密過程相反，解密過程需要進行輪密鑰生成，即根據加密時生成的輪密鑰，逆序使用輪密鑰進行解密。再進行逆列混淆的操作，即對密文矩陣進行逆列混淆，還原出逆列混淆后的矩陣。緊接著，執行逆行移位的操作，即對逆列混淆后的矩陣進行逆行移位操作，還原出逆行移位后的矩陣。最后，執行逆字節代換的操作，即對逆行移位后的矩陣開展逆字節代換操作，還原出逆字節代換后的明文矩陣。此時，明文矩陣已經被還原出來。

3.2.2" DES機密算法

DES機密算法主要包含明文數據塊、密鑰。DES加密算法的加密過程如下。

1）初始置換：將明文數據塊P通過一個置換函數IP轉換為L0和R0兩個32位的數據塊。

2）輪函數：將Ri與輪密鑰Ki進行異或操作，得到48位的結果，然后再通過S盒替換和P盒置換得到32位的結果。

3）輪變換：將Li和Ri交替進行輪函數變換，共進行16輪。

4）逆初始置換：將輪變換后的L16和R16通過逆置換函數IP-1合并為密文數據塊C。

DES是一種對稱加密算法，采用分組密碼的方式對數據進行加密。在DES加密算法中，解密過程與加密過程相反，需要進行逆初始置換、逆輪變換等操作，以還原明文。

首先，解密過程需要進行逆初始置換，即將加密時得到的密文矩陣按照逆初始置換表進行重新排列，得到逆初始置換后的矩陣。其次，進行逆輪變換的操作，即根據加密時生成的輪密鑰，逆序使用輪密鑰進行解密。最后，進行逆初始置換的操作，即將逆輪變換得到的明文矩陣按照逆初始置換表進行重新排列，得到真正的明文。

綜上，2種算法都采用了非常復雜的數學運算，使得黑客難以通過破解算法來獲取明文信息。在數據傳輸過程中，使用機密算法對數據進行加密，可以保證數據在傳輸過程中不被竊取和篡改。

3.3" 采用分布式存儲技術，將數據分散在多個節點

傳統的集中式數據存儲方式存在單點故障的風險，一旦存儲服務器出現故障，就可能導致數據丟失或無法訪問[5]。而分布式存儲技術可以將數據分散在多個節點上，并使用冗余備份技術來保證數據的可靠性和安全性。

當某個節點出現故障時，系統可以自動切換到其他節點繼續工作，不會影響整個系統的正常運行。在智慧林業應用中，采用分布式存儲技術可以對采集到的環境數據、火情數據、森林資源數據等進行存儲和管理[6]。通過將數據分散在多個節點上，可以避免單點故障的風險，提高數據的可靠性和安全性。

4" 實際應用案例

4.1" 工程概況

某省林業局開發了“林業資源四維時空智慧平臺”，利用物聯網設備對林區中的各種目標進行識別，包括植物、樹木、人員、車輛及煙火等，并通過物聯網網絡布設于林區內，實時監測和收集環境參數，觀察植物和樹木的生長狀況。林業管理者可以通過該平臺實時監控林區內的各種目標，通過遠程管理和控制設備來提高管理效率和響應速度。綜合利用物聯網設備，該平臺為智慧林業的發展和林業資源管理提供了更多的數據支持和決策依據。

在智慧林業平臺的研發過程中，可能會面臨以下數據采集、數據傳輸和數據存儲問題。

4.1.1" 數據采集問題

在林區內部署物聯網設備進行目標識別和環境參數監測時，可能會遇到數據采集不穩定或不準確的情況。例如，物聯網設備可能受到天氣條件、地形地貌等因素的影響，導致數據采集的準確性和實時性受到影響。

4.1.2" 數據傳輸問題

林區通常位于偏遠地區，網絡覆蓋可能存在限制。因此，在數據傳輸過程中可能會面臨網絡信號不穩定、傳輸速度較慢等問題。這可能導致數據傳輸延遲或數據丟失的情況，影響到平臺的實時監測和響應能力。

4.1.3" 數據存儲問題

由于智慧林業平臺需要收集大量的數據進行分析和決策，對數據的存儲需求較大。然而，林區內的設備和基礎設施可能存在存儲空間有限的問題，這可能導致數據存儲不足或無法滿足長期存儲的需求。

4.2" 施工措施

為了解決智能林業應用存在的數據采集問題，需要合理布設物聯網傳感器與無源遙測機器人，覆蓋整片林區，確保傳感器采集準確性，同時，為了解決數據在傳輸與存儲方面的問題，可以考慮以下解決方案：首先，可優化物聯網設備，選擇穩定可靠的物聯網設備，并進行充分的測試和調試，確保數據采集的準確性和穩定性。可以考慮使用多個設備進行冗余采集，以提高數據采集的可靠性。其次，設備間通信和數據傳輸優化，提供更好的網絡覆蓋和傳輸效率。同時，可以采用數據壓縮和數據分包技術，減少數據傳輸量，提高傳輸速度和穩定性。第三，制定合理的數據存儲策略，根據數據的重要性和使用頻率進行分類和存儲。可以將實時監測的數據存儲在本地設備中，而將歷史數據存儲在云端或其他集中式存儲設備中，以滿足長期存儲需求。具體來說，該步驟需要對林區進行詳細的勘測和測量，了解林區的地形、氣候、植被等情況，并結合實際需求和技術條件，進行合理的規劃設計。

5" 結束語

總之，物聯網技術在智慧林業應用中的作用越來越重要，為林業資源的管理和保護提供了新的思路和手段。隨著技術的不斷發展和創新，相信物聯網技術將在林業領域產生更加深遠的影響。通過“林業資源四維時空智慧平臺”問題舉措的案例分析，林業資源管理和保護將得到更加精細化和智能化的支持，同時也能在一定程度上提高林業生產效率和經濟效益，實現林區機械設備的遠程監控和控制，提升智慧林業生產的安全可靠性。

參考文獻：

[1] 辛偉．物聯網技術在智慧林業建設中的應用[J]．智慧農業導刊，2022，2（13）：4-6.

[2] 張晨．物聯網技術在智慧城市建設應用中的難點研究[J]．電子元器件與信息技術，2021，5（7）：203-204.

[3] 李春勇．物聯網技術在林草生態網絡感知系統建設中的應用探討[J]．新疆林業，2022（3）：9-13.

[4] 李業云．面向智慧林業的物聯網技術探討[J]．鄉鎮企業導報，2021（1）：171-172.

[5] 李云彥.面向智慧林業的物聯網技術研究[J].智慧農業導刊，2022，2（23）：4-6.

[6] 陳偉偉.物聯網技術在智慧林業中的應用[J].智慧農業導刊，2022，2（18）：24-26.