基于RFID古樹(shù)名木管理三維信息系統的設計與實(shí)現

古樹(shù)名木是個(gè)基因庫，是歷史的見(jiàn)證，是研究自然史的重要資料，是一種吉祥的象征。它不可再生，也不可永生。因此，研究保護古樹(shù)名木、管理古樹(shù)名木信息具有重要意義?，F階段我國多以手動(dòng)檔案管理、信息記錄的方式管理古樹(shù)名木，費時(shí)費力，共享化低，成本高，建檔項目不全，對于各類(lèi)數據不能進(jìn)行高效的查詢(xún)以及實(shí)時(shí)的更新[1].新型的管理手段不斷推動(dòng)古樹(shù)名木信息管理的發(fā)展。射頻識別RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)是一項利用射頻信號通過(guò)空間耦合（交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)）實(shí)現無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達到識別目的的技術(shù)。它是一種非接觸性自動(dòng)識別技術(shù)，能夠用在各種惡劣環(huán)境中，無(wú)需人為干預，通過(guò)射頻信號即可自動(dòng)識別目標對象并獲取相關(guān)數據。隨著(zhù)近幾年物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，射頻識別技術(shù)被廣泛應用在各個(gè)領(lǐng)域，如門(mén)禁控制、包裹識別追蹤、文檔追蹤管理、產(chǎn)品防偽、高速公路收費系統等[2-4].本文以RFID、物聯(lián)網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)為支撐，在古樹(shù)名木三維管理信息系統[5]基礎上，采用便攜式數據處理器、PC服務(wù)器端等組件設計出基于RFID的古樹(shù)名木三維管理信息系統，采用信息更新聯(lián)動(dòng)機制，實(shí)現數據的信息化管理和跟蹤保護。相對于人工手動(dòng)建檔，系統更加智能化，極大地減少工作量，外業(yè)工作者可以實(shí)時(shí)地查詢(xún)了解古樹(shù)的基本信息。而在三維平臺上以360°全景播放、圖片瀏覽的方式使用戶(hù)更了解古樹(shù)名木的生長(cháng)環(huán)境。

1系統業(yè)務(wù)功能

系統采用三層C/S結構在移動(dòng)終端、服務(wù)器、客戶(hù)端之間實(shí)現三方通信。移動(dòng)終端實(shí)現信息采集、遠程數據查詢(xún)、添加、修改等功能；服務(wù)器端主要處理移動(dòng)終端的數據請求以及客戶(hù)端的授權請求；客戶(hù)端軟件實(shí)現360°全景播放、圖片瀏覽、歷史追蹤、信息管理的功能，其業(yè)務(wù)功能如圖1所示。



2系統體系結構

根據業(yè)務(wù)功能需求，將系統總體結構劃分為數據層、網(wǎng)絡(luò )傳輸層、應用層。系統體系結構如圖2所示。

3相關(guān)技術(shù)

3.1信息采集

系統根據GPS定位數據（NMEA0183協(xié)議），選擇解析GPGGA幀結構數據，判斷數據有效時(shí)，提取經(jīng)度、緯度、大地水準面高度，定位數據精確到十分位，并轉化為度分秒式。

系統中RFID讀寫(xiě)模塊在EPC存儲器中讀寫(xiě)電子標簽ID，標簽長(cháng)度不超過(guò)12 B；在用戶(hù)存儲器（USER）中讀寫(xiě)古樹(shù)名木編號（古樹(shù)信息的唯一標識）。古樹(shù)名木編號字符串可以是文字、純數字、字母，也可以是混合形式的。判斷輸入的古樹(shù)名木編號字符串是否為純數字形式，結果為假時(shí)用CnEnCStringToHexUnicodeCString（）函數將字符轉換成十六進(jìn)制，一個(gè)字符（無(wú)論中文還是英文）對應2 B，即4個(gè)十六進(jìn)制數據。利用UCHAR類(lèi)型的uWriteBHData[]變量存儲十六進(jìn)制的字符，每?jì)蓚€(gè)字節寫(xiě)入一次，直至所有字節全部寫(xiě)入標簽。根據讀地址長(cháng)度，讀出電子標簽上存儲的十六進(jìn)制字符，每4個(gè)十六進(jìn)制為一個(gè)字符，利用HexUnicodeCStringToCnEnCString（）函數讀出存儲的所有字符，一個(gè)地址長(cháng)度代表讀取1個(gè)字符。結果為真時(shí)則不需要進(jìn)行十六進(jìn)制轉換，直接寫(xiě)入與讀取，以減少存儲消耗，此時(shí)一個(gè)地址長(cháng)度代表讀取4個(gè)數字。福州園林局的古樹(shù)名木編碼有時(shí)以中英文為開(kāi)頭，如“閩A”，這樣的設計能很好地解決編號是中英文的情況。

3.2古樹(shù)信息管理

進(jìn)入古樹(shù)名木信息管理模塊時(shí)，系統將自動(dòng)傳入GPS定位信息與RFID綁定信息?；赪inCE平臺上的數據庫API函數接口，系統通過(guò)設計古樹(shù)信息編輯對話(huà)框實(shí)現對古樹(shù)信息的相關(guān)編輯操作，主要包括對信息的查詢(xún)、修改、添加等功能。信息的查詢(xún)主要分為本機查詢(xún)和遠程查詢(xún)兩種方式。本機查詢(xún)主要查詢(xún)手持端數據庫信息，而遠程查詢(xún)主要顯示服務(wù)器上的數據庫信息，此時(shí)若本機數據庫中沒(méi)有此遠程信息，則保存該信息。信息添加功能主要增添新采集的數據信息，從而保證數據的不斷更新。同時(shí)，用戶(hù)還可以對數據庫中的信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)修改；根據園林局野外采集信息定義古樹(shù)名木數據庫表結構體（REC_TREE）；遍歷本機數據庫，判斷每一條記錄的編號屬性值（strTreeNo）是否等于RFID模塊從標簽上讀取的編號（m_strBianHao）。移動(dòng)終端數據庫設計流程如圖3所示。



3.3信息更新聯(lián)動(dòng)機制

移動(dòng)終端基于UDP發(fā)送信息添加、修改操作的請求，應用服務(wù)器根據請求對數據庫服務(wù)器作出處理，并啟動(dòng)聯(lián)動(dòng)機制，反饋信息給移動(dòng)終端的同時(shí)將聯(lián)動(dòng)數據傳輸給客戶(hù)端。信息更新聯(lián)動(dòng)機制實(shí)現了移動(dòng)終端、服務(wù)器端、客戶(hù)端之間的三方通信，保證數據的一致性。

（1）首先自定義移動(dòng)終端與服務(wù)器端間的基本數據格式：“ID$OPType$TreeID$Data#”，字段之間用“$”間隔，結束標志為“#”。

說(shuō)明：

ID：手持機編號（巡檢員編號）。

OPType：數據操作類(lèi)型

01：遠程古樹(shù)信息查詢(xún)；

02：古樹(shù)信息添加；

03：古樹(shù)信息修改；

06：古樹(shù)信息批量上傳。

TreeID：數據庫存儲字段、編號等。

Data格式：“字段名@屬性值@字段名@屬性值”。

包頭、包尾、自定義數據構成了UDP傳輸數據包結構。服務(wù)器端開(kāi)啟接收線(xiàn)程（RecvThread），利用recvfrom（）函數接收數據包、HandlePackage（）函數處理數據包。通過(guò)驗證包頭、包尾、包長(cháng)度的正確性，在OnUdpCERecv回調函數中解析所有字段，根據數據操作類(lèi)型對服務(wù)器數據庫作出相應操作，通過(guò)sendto（）函數反饋給移動(dòng)終端。

（2）服務(wù)器端與客戶(hù)端間傳輸數據用于授權訪(fǎng)問(wèn)與傳輸自定義信息。將來(lái)自移動(dòng)終端的聯(lián)動(dòng)數據作為strMessage發(fā)送給客戶(hù)端?？蛻?hù)端則采用編碼方式，將“樹(shù)種”屬性值對應的編碼與模型庫中的模型綁定。若移動(dòng)終端請求添加新信息，則軟件平臺中將自動(dòng)在三維地形上添加編碼對應的三維幾何樹(shù)木模型；若移動(dòng)終端請求修改信息，則客戶(hù)端將生成新的數據表，用以追蹤古樹(shù)名木的歷史位置。

采用多線(xiàn)程處理技術(shù)創(chuàng )建監聽(tīng)套接字，開(kāi)啟接收線(xiàn)程（ProcRecvHandle）解析授權文件。若接收的自定義信息是“Need access”，則進(jìn)行模塊匹配，判斷授權文件是否過(guò)期，客戶(hù)端數量是否超過(guò)授權最大數量限制，授權成功則利用AddClient（）函數將客戶(hù)端實(shí)例信息添加到list中，并向list中的客戶(hù)端IP發(fā)送“Accept”信息告知授權成功。若接收的自定義信息是“HeartBeat”，則向客戶(hù)端發(fā)送“Alive”信息告知心跳連接正常。若接收的自定義信息是“Close”，則將客戶(hù)端實(shí)例信息從list中去除。

4系統的實(shí)現與應用

4.1系統實(shí)現

系統在Visual Studio 2008開(kāi)發(fā)環(huán)境下，基于WinCE平臺、Windows平臺，集成GPS定位技術(shù)、RFID射頻識別技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )傳輸技術(shù)，利用WinCE自帶數據庫API、SQL Server數據庫管理技術(shù)，實(shí)現了基于RFID的古樹(shù)名木管理三維信息系統。

4.2系統應用

（1）野外信息采集

本文選擇福州市長(cháng)汀村長(cháng)壽宮的古榕，古樹(shù)編號為“閩A00057”，保護等級為二級，如圖4（a）所示；將電子標簽綁定在古樹(shù)名木上，如圖4（b）所示。

首先登陸系統并設置公網(wǎng)IP地址，打開(kāi)主界面，如圖5（a）所示。在樹(shù)根處開(kāi)啟GPS定位模塊接收GPGGA信息，當數據狀態(tài)有效時(shí)獲取原始經(jīng)度、緯度、海拔信息并轉換為度分秒形式。開(kāi)啟RFID讀寫(xiě)模塊讀取電子標簽ID，寫(xiě)入編號“閩A00057”，再一次讀取編號信息確保編號寫(xiě)入成功。選擇傳輸網(wǎng)絡(luò )（GPRS/WiFi），進(jìn)入古樹(shù)信息管理模塊，通過(guò)該模塊發(fā)送聯(lián)動(dòng)數據給服務(wù)器，



（2）三維信息管理

服務(wù)器端處理并反饋移動(dòng)終端的請求，同時(shí)客戶(hù)端也會(huì )收到數據庫數據更新的提示信息。利用LOD技術(shù)選擇簡(jiǎn)單的方式來(lái)表達要渲染的模型。當觀(guān)察者距離模型較遠時(shí)，利用billboard技術(shù)實(shí)時(shí)繪制二維圖像，如圖6中綠色小樹(shù)圖標所示；當觀(guān)察者越靠近模型，模型繪制越精細。對于新增記錄，圖6中行政區劃面板將自動(dòng)識別其所屬的行政區，并在地圖顯示面板添加閃爍圖標，標識新記錄在二維平面上的地理位置。古樹(shù)名木移植復壯會(huì )導致地理位置坐標發(fā)生變化，可以查詢(xún)某編號的古樹(shù)名木的歷史移植情況。同時(shí)系統支持照片、360°全景形式展示古樹(shù)名木及其周邊的信息

本文設計的基于RFID古樹(shù)名木管理三維信息系統充分利用了RFID技術(shù)具有在極端環(huán)境下動(dòng)態(tài)快速更改標簽數據的特點(diǎn)，以及移動(dòng)終端自帶的數據庫，實(shí)現了數據的遠程查詢(xún)、更新功能，拓展了信息更新聯(lián)動(dòng)機制，實(shí)現三方通信及三維平臺上信息可視化，使得系統除了能實(shí)現信息與稀有古樹(shù)名木的唯一綁定、統一管理外，還能實(shí)時(shí)繪制三維古樹(shù)名木幾何模型及其生長(cháng)環(huán)境。這種數據驅動(dòng)的方式更有利于古樹(shù)名木三維信息的管理。