基于RFID和Android的林木调查系统

引言

RFID (Radio Frequency Identification)即射频识别技术, 又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别 特定目标、读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建 立机械或光学接触。

RFID技术可以广泛应用于针对林木查验以及生物多样性 保护工作的外业调查、统计、保护、存档备案等方面，例如： 各类资源清查，林业专题调查，种子园母树林调查、优良及 原生树种种源保护，古树名木、重要观赏林木保护等。

1系统分析

在林业信息化进程不断加速及林业物联网应用研究快速 发展的背景下，本文以各类资源清查、林业专题调查、树种保护、 科学研究等具体业务为应用依托，将Android技术和RFID技 术结合应用于森林资源调查，实现了林木调查系统的设计与 研发。该系统主要由电子标签、服务器、野外采集系统组成, 其主要应用表现为立木定位调查、立木复位调查等。将该系统 用于立木定位调查的基本流程：首先是将嵌入式立木标签在 同一高度、同一方位以打孔等方式嵌入立木；然后通过RFID 手持扫描终端获得该立木的ID,并对该立木采集的相关信息 进行记录；最后将立木信息通过Android终端的内置MySQL 数据库保存到存储卡或者借助Wi-Fi、3G网络等保存到远程 服务器的数据库。

将该系统用于立木复位调查的基本流程：一是通过 RFID手持扫描终端获得该立木的ID,并将其发送到远程服 务器；二是用远程服务器获得手持终端传送的ID号，并将该 立木的历史调查数据发送到手持终端；对于没有网络支持的复 位调查，可将历史数据拷贝到SD存储卡，根据扫描ID从存 储卡返回历史调查信息；三是对该立木信息的重新采集，并 在手持终端对其采集数据进行修改记录，然后选择保存到本 机或发送到远程服务器。

2系统设计

2.1系统总体设计

本系统主要由电子标签、野外采集系统、服务器端组 成。电子标签作为立木的唯一标示，包括低频嵌入式立木标 签和高频可读写立木标签：低频嵌入式立木标签适用于可以 进行钻孔嵌入的目标对象中；高频可读写立木标签适用于需 实时读写目标信息及不宜钻孔嵌入的目标对象中。野外采集 系统主要用于立木调查数据的采集与记录，包括采集终端和 数据采集软件：采集终端可以选择加载有RFID扫描模块的 Android智能终端，也可以是具备蓝牙功能的RFID手持扫码 机与Android智能终端的组合，其中由RFID扫码机读取标 签ID并通过蓝牙将其发送至Android智能终端；数据采集软 件需根据具体业务的要求进行设计与开发，并安装在Android 智能终端上使用。服务器端，数据库用于立木调查信息的存 储与更新，数据库管理系统用于服务器端数据库的管理维护, WebService负责服务器数据库与野外采集终端的信息交互等。 图1所示为系统的总体框架图。

选择低频嵌入式立木标签，以林木调查应用为例，介绍其在实际工作中的具体应用流程，在野外采集工作中，用户 需根据Android终端的网络连接情况，选择数据采集的存储 方式，有网络支持的情况下可选择本机存储或远程数据库存 储，无网络连接只能选择本机存储。定位调查时，首先使用 手持扫码机扫描获得标签ID,并通过其蓝牙功能将其发送到Android智能终端数据采集软件相应的ID输入框，或者选择 加载RFID扫描模块的Android手持终端扫描获取标签ID, 并通过串口读数据将其写入数据采集软件相应的ID输入框； 然后进行该立木其它采集信息的输入、记录；最后将记录数 据保存到本机存储卡或者通过WebService保存到远程服务 器。复位调查时，Android终端在网络支持环境下会将获取的 ID号通过WebService发送到远程服务器，同时远程服务器 根据ID将该立木的历史调查数据反馈给Android终端，用户 可以根据当前立木调查情况对记录进行修改，并将其保存到 本机或远程数据库（后文均以加载有RFID模块的Android手 持终端为例进行相关设计及应用的介绍）图2所示为该应用 的具体实现流程。

2.2数据库设计

数据库设计是指对于一个给定的应用环境，构造（设计） 优化的数据库逻辑模式和物理结构，并据此建立数据库及其 应用系统，使之能够有效地存储和管理数据，满足各种用户 的应用需求叫数据库设计步骤包括，需求分析、概念设计、 逻辑设计、物理结构设计、实施、运行和维护六个阶段，数 据库设计的目标是为用户和各种应用系统提供一个信息基础 设施和高效的运行环境叫一个好的数据库设计，可以提高 应用系统的运行效率，降低后期数据库维护的成本。

针对不同的业务应用，所涉及的数据各有不同，但其数 据库设计的思路、方法基本相同，本文以资源清查中数据形 式最简单的一类调查为例（后文的相关设计均以一类调查为 例），基于E-R模型的数据库设计方法，介绍针对一类调查数 据采集软件的数据库设计。一类调查的采集数据主要包括样 地因子和样木因子［8］，其中，样木因子主要为每木检尺数据, 包括样木ID、树高、胸径、冠幅、树种、位置等；样地因子 包括样地ID、样地编号、行政编号、样地类别、样地长度、 样地宽度、纵坐标、横坐标、造林时间、郁闭度、土壤类型、 土壤质地、草本覆盖度等。调查中包括多个样地，而一个样 地内又包含多个样木，但一个样木只能隶属于一个样地，因此, 两者之间就存在了一对多的关系，且它们之间通过样木因子表 “样地ID”属性作为外键关联。一类调查数据采集软件的数据 库设计E-R图如图3所示。

2.3功能设计

2.3.1终端功能设计

根据立木调查野外采集系统的应用流程设计，将其存储 功能划分为本机SD卡存储和远程服务器存储两种方式。本 机存储是利用Android内嵌的开源数据库SQLite实现，通过 对一系列数据库操作将其采集数据以*.db的形式保存到SD卡, 用户可通过数据线或读卡器将采集数据导入电脑，并将其导入 服务器的数据库;远程服务器存储是利用Web Service技术［6］, 通过Wi-Fi或者3G网络，将采集数据直接保存到远程数据 库，其中对远程数据库进行操作，首先需要进行远程用户验 证，为保证用户信息的安全，本系统在验证时采用了 BASE64 加密算法对用户名、密码进行加密，并在服务器端进行相应的 算法解密。

森林资源一类调查的主要采集数据为样地信息和样木信 息，因此，将野外采集系统设计为样地因子记录和样木因子 记录两大功能。这两大功能在实际应用中是相辅的，进行样木 调查记录之前，系统首先要检查数据库样地因子表中是否存 在样地记录信息，不存在则提示首先添加样地，存在则返回 查询得到的样地ID列表；样木调查过程中，用户可以根据样 地代码列表选择相对应的样地，这样就保证了数据库中样木 因子记录表与样地因子记录表的关联，从而减少数据库中的 数据冗余，降低数据库维护的成本与难度。系统样木因子记 录功能的具体实现流程如图4所示。

2.3.2服务器端功能设计

服务器端，主要是Web服务的功能设计，包括用户验证、 样地代码查询、样地检查、添加样地、样木检查、添加样木等。

Web服务的用户验证功能用于智能终端的远程存储，它首先 对得到的用户名、密码进行BASE64算法解密并根据用户信 息库对其进行验证并给出相应的错误输入反馈机制，以便用户 更好的理解自己的输入错误。样地检查、样木检查功能用于检 查待记录样地及样木是否已经记录，并存在于数据库中，避 免用户在野外调查中重复调查、重复添加，并减少其对数据库 后期维护造成的麻烦。样地代码查询功能，是将获得的样地 代码以列表形式返回给用户，供用户在样木调查时选择，使得 样木因子记录表和样地因子记录表之间不缺失任何一条记录 的关联。添加样地、添加样木则供用户进行样地调查数据及样 木调查数据的远程存储。

3系统实现

3.1开发及运行环境

手持终端：选用MT35W-NL-LF智能终端，是一款具有GPS定位模块、RFID读写模块以及通讯模块的Android终 端，主机操作系统为Android2.3.7 ；使用Eclipse开发工具，由 KSoap框架及Java语言编程实现。

服务器端：Windows Server 2003 操作系统；Microsoft

SQL Server2005 和 Tomcat 6.0 的支撑环境；使用 My Eclipse 开发工具的xfire框架，由Java语言编程实现。

3.2主要技术实现

立木标签ID的获取是通过串口读数据来实现的，对于 选择Android终端加载的LFRFID模块，当其电源打开时, 只要有标签处在其有效范围内便会自动从串口返回标签号, 我们需要做的是不断读取串口来获得内容。通过Android的 Handler机制来解析和发送串口获取的内容。

本系统中，远程存储是由Web Service技术实现对远程 数据库的检索、存储等操作。Web Service是一种通过URL 标识的软件应用程序，其接口及其绑定形式可以通过XML标 准来定义、描述和查找，并能通过XML消息及Internet协议 与其他程序进行直接交互，简单地说，一个Web Service就 是一个能够使用XML消息通过网络来访问的接口，这个接口 描述了一组可以访问的操作叫

3.3功能实现

服务器端的主要功能实现为Web服务的设计与实现，其 主要是对服务器端数据库的操作，主要目的是服务于Android 终端的数据采集软件，其功能作用也由Android终端来体现。 接下来重点介绍Android智能终端数据采集软件的功能实现。 林木调查数据采集系统的首页如图5所示。

由系统首页可以看到，本系统主要提供两种存储方式： 本机存储和远程存储。本机存储是将调查记录数据由Android 内嵌的SQLite数据库存储到SD卡，在进入本机存储前，系 统首先检查终端是否已安装SD卡，未安装则不会进入本机 存储，并给出相应的提示；远程存储是将调查记录数据通过 Wi-Fi或3G移动网络存储到远程服务器，在进入远程存储前, 首先需要进行远程用户验证，只有通过验证的用户才可以进 行远程存储操作。远程登录服务器的页面如图6所示。

一类调查中的数据采集主要为样地信息和样木信息。根 据业务应用，将野外采集系统的主要功能设计为：样地因子 记录表和林木调查记录表。样地因子记录表用于样地采集信 息的记录，其中样地代码不允许重复，样地编号不允许空, 横、纵坐标统一规定为记录样地西南角的位置，样地调查记 录界面如图7所示。林木调查记录表用于样木调查信息的记 录，进入该页面前，系统首先检索样地数据库，查询得到样 地代码列表供用户选择，查询库中无样地代码时，会提示首先 添加样地；林木调查记录界面的编号即为嵌入立木的电子标 签ID,其通过对LFRFID加载模块的串口读数据获得，且在添加时，该编号不允许空，也不允许重复，样木调查记录界面 如图8所示。

4结语

本文所设计的林木调查系统可应用于各类资源清查、业专题调查、种子园母树林、优良及原生树种种源保护林、 科学研究与试验林木、重点保护林木、古树名木、重要观赏 林木、重要绿化林木、保护区保护对象树种等需要长期研究 或重点保护，并进行不定期调查的业务。这种无纸化采集、管 理系统，不但减少了传统工作模式“外业记录、内业整理”而 引起的错误，更是提高了调查工作的效率及调查数据的可研 究价值。将RFID技术和Android技术结合应用于林业调查, 不只是物联网技术应用范围的一个扩展，更是林业信息化的 一个重要表现，使林业信息化由内业数据管理走向外业资源调 查，随着计算机、物联网技术的发展及林业信息化的不断需求, 相信RFID技术和Android技术在保护区野外巡护、森林旅游、 森林火灾、位置服务等更多业务应用中将有较好的发展前景。

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