基于物聯(lián)網(wǎng)技術森林火災防控系統(tǒng)設計1)

陶佰睿 張藝弛 苗鳳娟 顧 丁 高萬峰 孫振龍

(齊齊哈爾大學，齊齊哈爾，161006)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術森林火災防控系統(tǒng)設計1)

陶佰睿 張藝弛 苗鳳娟 顧 丁 高萬峰 孫振龍

(齊齊哈爾大學，齊齊哈爾，161006)

采用無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)和Java平臺，基于物聯(lián)網(wǎng)技術標準構建森林防火控制系統(tǒng)，主要含WSN布置方案及路由策略設計、WSN信息采集終端和GPRS與Internet網(wǎng)絡接口硬件設計、以及Java跨平臺信息處理及遠程控制中心設計，可以實現(xiàn)森林火災信息采集與數(shù)據(jù)處理，為火災防空提供技術支持和科學決策。

無線傳感器網(wǎng)絡；物聯(lián)網(wǎng)；森林火災；防控系統(tǒng)

火災不僅給人們帶來了極大的生命財產(chǎn)損失，還對氣候和生物多樣性等問題產(chǎn)生不良影響，是生態(tài)系統(tǒng)的主要威脅[1]。因此，采用先進的監(jiān)測設備與系統(tǒng)來輔助防控森林火災是十分重要的[2]。

就林火預測預報而言，森林火災防控系統(tǒng)設計開始由單一傳感器的數(shù)據(jù)采集向多種傳感器融合方向發(fā)展，如采用紅外線煙霧濃度和空氣濕度傳感器結合等[3-5]；由高功耗器件向低功耗器件發(fā)展，由孤立設計向系統(tǒng)化設計發(fā)展，由火險天氣預報即林火發(fā)生預報向林火行為預報方面過渡，由激光雷達衛(wèi)星定位向傳感器網(wǎng)絡定位發(fā)展，由空間上氣象預報的孤立性向連續(xù)性發(fā)展，由單一傳感器采集信息的判斷向多傳感器算法融合方向發(fā)展等等[5-8]。

但是以往火災系統(tǒng)在資源整合、系統(tǒng)復雜度、有效工作壽命和火警預報正確性方面尚有不足。因此，隨著無線傳感器網(wǎng)絡和相關物聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，如何將其應用在森林火災防控系統(tǒng)中，對提高我國森林防火事業(yè)具有重大意義[7-8]。

1 森林火災防控系統(tǒng)方案設計

本研究以黑龍江省雙鴨山市寶清縣勝利林場為例，基于物聯(lián)網(wǎng)的森林火災防控系統(tǒng)分5個部分。第一部分是由溫濕度傳感器、紅外傳感器、氣敏傳感器和無線模塊構成的前端探測節(jié)點，即數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點，負責對森林中需要探測的地點進行環(huán)境參數(shù)的測量，并將數(shù)據(jù)傳送給路由節(jié)點。第二部分是路由節(jié)點，它負責將多個節(jié)點收集到的數(shù)據(jù)信息進行一次整理打包處理，并將數(shù)據(jù)包發(fā)送給網(wǎng)關節(jié)點。第三部分是網(wǎng)關節(jié)點，它負責將多個路由節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)包進行二次整理打包處理，通過GPRS網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)包發(fā)送到終端。第四部分是終端，終端由CC2430無線傳感器開發(fā)板和計算機組成，采用RS232串行通信方式。各個網(wǎng)關的數(shù)據(jù)包通過GPRS將數(shù)據(jù)傳送給CC2430無線傳感器開發(fā)板，數(shù)據(jù)包將通過RS232串行通信線進入計算機，計算機將數(shù)據(jù)包進行拆包處理，再對數(shù)據(jù)進行程序算法處理并運用清晰直觀的圖形界面顯示到電腦顯示器上。第五部分是后臺服務器，終端處理過的有用數(shù)據(jù)將實時的發(fā)送給后臺服務器，服務器將信息整理分類，對后期的預防火災建立數(shù)據(jù)庫，支持終端的實時調用處理。系統(tǒng)如圖1所示。

服務器在分析處理大量數(shù)據(jù)庫信息之后計算出一個火情發(fā)生的閾值，用以確認是否發(fā)生森林火災，同時賦予每個傳感器以權值，以提高林區(qū)防火的準確性。區(qū)域高火險時段(年)的傳感器權值較大，而其他傳感器權值較小[9]。

若某區(qū)域內各傳感器的采集數(shù)據(jù)經(jīng)過加權之后超過此閾值，則說明該區(qū)域火情發(fā)生的概率很大，終端立刻發(fā)射一架節(jié)能超小型無人駕駛飛機飛往該區(qū)，進一步對該區(qū)進行各種氣象參數(shù)的采集并攝像，并將各種參數(shù)和高清攝像通過機載高精度設備即時傳輸回終端，以便進一步分析確認火情類型、大小、擴散速度和方向等參數(shù)，對提出科學合理的合成滅火技術方案提供數(shù)據(jù)支持[10]。勝利林場的主要植被屬于完達山植被區(qū)系，主要喬木有柞樹(Xylosmajaponicum)、白樺(Betulaplatyphylla)、黃檗(PhellodendronamurenseRupr.)、水曲柳(FraxinusmandschuricaRupr.)、椴樹(TiliaL.)、柳樹(Salixbabylonica)等10幾種。根據(jù)這一植被和地理特點，給出農(nóng)場的網(wǎng)絡布置方案，如圖2所示。

圖1 森林火災防控系統(tǒng)整體構架圖

2 硬件電路設計

傳感器節(jié)點是組成無線傳感器網(wǎng)絡的基本單位，是構成無線傳感器網(wǎng)絡的基礎平臺。傳感器節(jié)點一般由傳感器模塊、處理模塊、無線通信模塊、定位模塊和電源模塊5大部分組成，如圖3所示。

圖2 WSN網(wǎng)絡布置方案

圖3 傳感器節(jié)點組成

傳感節(jié)點散布在監(jiān)測區(qū)域內，負責環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和分析，這些節(jié)點通過自組織方式構成無線網(wǎng)絡[11-12]，以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中所需要的信息，實現(xiàn)在任意時間任意地點信息的采集、處理和分析，其電路設計如圖4所示。

圖4 傳感節(jié)點電路

傳感器模塊電路設計使用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器、紅外溫度傳感器MLX90614和氣體傳感器MQ-2，處理器和無線通信模塊電路采用CC2430和CC2591芯片設計?？刂浦行亩〞r的對網(wǎng)絡進行訪問，每隔一段時間接收來自節(jié)點的數(shù)據(jù)。所以節(jié)點不是一直都處于工作狀態(tài)，當需要收集數(shù)據(jù)的時候，就喚醒節(jié)點；在數(shù)據(jù)采集完畢以后，令節(jié)點進入休眠狀態(tài)，減少耗能。

在網(wǎng)關控制電路設計中，采用CC2430芯片進行數(shù)據(jù)處理。網(wǎng)關控制電路包括最小系統(tǒng)，I/O電路和GPRS通信電路。I/O電路實現(xiàn)網(wǎng)管與路由節(jié)點的通信。

GRPS通信電路主要由電源電路、GPRS模塊、SIM接口電路和串行接口電路部分構成，其核心部分是GPRS模塊，主要電路如圖5所示。

圖5 GPRS模塊的外圍接口電路

終端由5部分組成：無線通信電路、處理器電路、RS232通信電路、液晶顯示電路、電源電路。無線通信電路是用CC2430和CC2591聯(lián)合實現(xiàn)。無線通信在終端上是負責接收網(wǎng)關控制的通過GPRS傳輸過來的數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)傳送進入處理單元。

3 軟件設計

軟件設計基于符合物聯(lián)網(wǎng)技術標準的Z-Stack協(xié)議棧的工作流程。主要分為系統(tǒng)啟動，驅動初始化，OSAL初始化和啟動，進入任務輪循等部分，如圖6所示。

系統(tǒng)供電后，在所有的軟件中都是最先去找main函數(shù)。系統(tǒng)工作時，最先在ZMain文件夾里找到ZMain.c，指向函數(shù)ZSEG int main()，用這個函數(shù)進行硬件的初始化。HAL文件夾里的hal_board_cfg.h頭文件堆系統(tǒng)硬件初始化并完成控制芯片寄存器分配。在系統(tǒng)完成了初始化后，系統(tǒng)就會進入任務處理進度，通過osal_start_system( )函數(shù)進入到OSAL系統(tǒng)。如果任務準備就緒，該調度函數(shù)就會根據(jù)事件的優(yōu)先級進行任務排序，當有事件觸發(fā)函數(shù)，系統(tǒng)函數(shù)就會調取函數(shù)tasksArr()中與事件相對應的函數(shù)進行處理，程序流程如圖7所示。

圖6 Z-Stack系統(tǒng)運行流程圖

上位機軟件主窗體主要包含多變量的初始化，網(wǎng)絡連接窗體、自動監(jiān)控窗體、實時監(jiān)控窗體和查看歷史記錄窗體等，如圖8所示。

圖7 OSAL任務調度流程圖

圖8 監(jiān)控主界面

上位機軟件實時監(jiān)控界面上能實現(xiàn)的功能有：顯示各個節(jié)點的實時溫濕度數(shù)和煙霧濃度等數(shù)據(jù)信息，顯示節(jié)點的地理位置，并且能方便的通過地理位置進行按鍵操作。上位機軟件設置網(wǎng)絡連接后可以打開實時監(jiān)控和自動監(jiān)控功能窗口進行實時監(jiān)控和自動監(jiān)控。在歷史記錄這個窗口中，能通過時間表進行查詢歷史溫濕度波形圖像，并且能看到實時的溫濕度和煙霧濃度波形圖，還能查詢歷史記錄。

4 結束語

本系統(tǒng)能實時監(jiān)測記錄指定地域森林環(huán)境的溫度、濕度、煙霧濃度等信息，根據(jù)本地終端簡單處理后，將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器端，也可以接收和執(zhí)行服務器端傳送來的指令，并且具有成本低廉，工作可靠、誤報率低等特點，在森林火災監(jiān)測與防控應用方面具有重要參考價值。

[1] Thonicke K, Venevsky S, Sitch S, et al. The role of fire disturbance for global vegetation dynamics: coupling fire into a Dynamic Global Vegetation Model[J]. Global Ecology and Biogeography,2001,10(6):661-677.

[2] 姜偉.基于知識發(fā)現(xiàn)的林火災害應急管理研究[D].北京:北京林業(yè)大學,2008.

[3] 張從力,鄧皓,張立志,等.基于ZigBee的森林火災遠程監(jiān)測技術研究[J].國外電子測量技術,2007,26(7):31-34.

[4] 張波,劉宇紅,劉春.基于ZigBee與GPRS的無線紅外森林防火系統(tǒng)設計[J].電腦知識與技術,2010,28(6):8144-8145.

[5] 湯文亮,曾祥元,曹義親.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的森林火災監(jiān)測系統(tǒng)[J].實驗室研究與探索,2010,29(6):49-53.

[6] Byungrak Son, Yong sork H, Jung Gyu Kim. A design and implentation of forest-fires surveillance system based on wireless sensor networks for south korea mountains[J]. International Journal of Computer Science and Network Security,2006，6(9):124-129.

[7] 王健,趙亞鳳,劉勁風.一種適用于大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡的定位算法[J].東北林業(yè)大學學報,2009,37(8):84-86, 89.

[8] 于宏洲,范文義,李明澤,等.基于WebGIS的森林火險氣象等級預報系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].東北林業(yè)大學學報,2010,38(5):122-125,135.

[9] 王述洋,蘇建民,張寧,等.區(qū)域高火險時段現(xiàn)象與太陽活動異常的關系研究[J].東北林業(yè)大學學報,1993,21(6):21-25.

[10] 白夜,樸金波,湯宛地.森林火災的合成滅火技術[J].東北林業(yè)大學學報,2009,37(6):103-108.

[11] 徐世武,王平,黃晞,等.基于ZigBee節(jié)點的自組織網(wǎng)絡設計[J].電子測量技術,2010,33(10):111-114.

[12] 陳秀敏.物聯(lián)網(wǎng)技術在森林管理中的應用與發(fā)展[J].吉林林業(yè)科技,2012,41(1):46-48.

Designing A Forest Fire Preventing and Controlling System Based on Internet of Things/

Tao Bairui, Zhang Yichi, Miao Fengjuan, Gu Ding, Gao Wanfeng, Sun Zhenlong

(Qiqihar University, Qiqihar 161006, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(8).-141～144

We designed a forest fire preventing and controlling system by using WSN (Wireless Sensor Network) and Java platform based on internet of things technical specification. It mainly includes the designs of WSN layout and routing strategy, WSN data collection terminal and GPRS accessing internet network interface, Java cross-platform information processing and the remote controlling center to realize the forest fire information acquiring and processing to provide technical supporting and scientific decision-making for fire prevention and control.

Wireless sensor network; Internet of things; Forest fires; Preventing and controlling system

1) 國家自然科學青年基金(61204127)；中國博士后科學基金面上項目(2012M510898)；黑龍江省自然科學基金(F201332)；黑龍江省普通高等學校新世紀優(yōu)秀人才培養(yǎng)計劃(1253-NECT025)；黑龍江高等學校教改工程項目(JG2012010671)。

陶佰睿，男，1972年5月生，齊齊哈爾大學通信與電子工程學院，教授。

2013年1月20日。

S762.3

責任編輯：潘 華。