森林防火監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

武風(fēng)波 張會可 呂茜彤

摘 要： 為了實(shí)現(xiàn)森林環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控，設(shè)計(jì)由數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、環(huán)境監(jiān)測終端和環(huán)境數(shù)據(jù)服務(wù)器三部分組成的森林環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)外圍拓展溫濕度、煙霧濃度、光照強(qiáng)度、火焰等采集模塊，各采集節(jié)點(diǎn)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將采集到的各項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送到環(huán)境監(jiān)測終端；環(huán)境監(jiān)測終端選用STM32作為主控制器，將數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，然后通過GPRS模塊發(fā)送到服務(wù)器端；服務(wù)器端接收環(huán)境監(jiān)測終端上傳的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)融合算法將傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合后對林區(qū)三種火災(zāi)等級進(jìn)行輸出。測試結(jié)果表明，森林防火監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)對森林中各環(huán)境參數(shù)的采集，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程發(fā)送、遠(yuǎn)程報(bào)警等功能。

關(guān)鍵詞： ZigBee； 環(huán)境監(jiān)測； 森林火災(zāi)； 防火監(jiān)測； 數(shù)據(jù)采集； GPRS

中圖分類號： TN931+.3?34； TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）18?0032?05

Design and development of forest fire proof monitoring system

WU Fengbo， ZHANG Huike， L? Xitong

（School of Communication and Information Engineering， Xian University of Science and Technology， Xian 710054， China）

Abstract： A forest environment monitoring system composed of the data acquisition node， environment monitoring terminal and environment data server is designed to achieve real?time monitoring of the forest environment. The data acquisition node is expanded with such peripherals as the temperature?humidity acquisition module， smoke concentration acquisition module， light intensity acquisition module， and flame acquisition module. The environmental data collected by various acquisition modules is transmitted to the environment monitoring terminal by means of ZigBee network. The environmental monitoring terminal with STM32 as the main controller， summarizes the data uploaded by the data acquisition node， and then sends it to the server terminal by means of the GPRS module. The server terminal receives the environmental data uploaded by the environment monitoring terminal， and by means of the data fusion algorithm， fuses the data collected by sensors， so as to output the three fire levels of the forest area. The testing results show that the forest fire proof monitoring system runs stably， and can realize collection of various forest environment parameters， as well as functions of remote data sending and remote alarming.

Keywords： ZigBee； environmental monitoring； forest fire； fire?proof monitoring； data acquisition； GPRS

近年來，隨著人類活動范圍的不斷擴(kuò)大，人類對資源的超負(fù)荷開采利用、對環(huán)境的嚴(yán)重污染與森林的極度破壞[1]，導(dǎo)致全球變暖，陸地面積不斷減小，各種自然災(zāi)害呈上升的趨勢，災(zāi)害的監(jiān)測與防治成為當(dāng)務(wù)之急。

森林環(huán)境相對復(fù)雜，在危害森林資源的多種因素中，火災(zāi)是最具危害性和破壞性的，它不僅焚毀木材、傷害野生動物和其他生物，而且破壞森林的再生能力，破壞森林水土保持調(diào)節(jié)生態(tài)環(huán)境的作用，造成人類生存環(huán)境的進(jìn)一步惡化。然而森林覆蓋面積大，環(huán)境相對分散，所以看管復(fù)雜，成本較高。為了解決森林資源防護(hù)問題，減少火災(zāi)等自然災(zāi)害對森林環(huán)境的影響，考察森林環(huán)境現(xiàn)狀，結(jié)合嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)、無線通信技術(shù)、無線傳感器，設(shè)計(jì)一套節(jié)能環(huán)保、性能穩(wěn)定、操作簡單，且能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程共享的森林環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的森林環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、監(jiān)測終端和環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)器三部分組成。多個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與監(jiān)測終端通過ZigBee[2]實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)到監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)傳輸[3]；監(jiān)測終端通過GPRS無線傳輸模塊與遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[4]。系統(tǒng)組成如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)分為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測終端兩部分。

2.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)是森林環(huán)境的采集部分，負(fù)責(zé)采集煙霧、溫濕度、火焰、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過無線模塊傳輸給監(jiān)測終端。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)以CC2530為核心，拓展存儲器、數(shù)據(jù)采集傳感器、電源、無線通信等部分。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)硬件框圖如圖2所示。

1） 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)處理器CC2530

主控單元選擇CC2530模塊，是因?yàn)樵撃K不僅包含處理采集數(shù)據(jù)的芯片同時(shí)具有ZigBee傳輸?shù)奶炀€部分設(shè)計(jì)；另外一個(gè)主要的原因是該采集模塊功耗低，休眠狀態(tài)下，兩節(jié)5號電池可以供ZigBee節(jié)點(diǎn)工作半年到兩年時(shí)間[5]，特別適用于供電困難的森林環(huán)境。

2） 溫濕度采集模塊

溫濕度傳感器采用SHT10。SHT10為貼片型溫濕度傳感器，全量程標(biāo)定，兩線數(shù)字輸出，低功耗80 μW（12位測量，1次/s）；濕度測量范圍：0～100%RH；溫度測量范圍：-40～123.8 ℃；濕度測量精度：±4.5%RH；溫度測量精度：±0.5 ℃。

3） 煙霧濃度采集模塊

MQ?2氣體傳感器的工作原理是如果傳感器監(jiān)測到所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w，其電導(dǎo)率就會發(fā)生變化，可燃?xì)怏w濃度越高，傳感器電導(dǎo)率越大。根據(jù)這一原理，可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路，將電導(dǎo)率的變化規(guī)律轉(zhuǎn)化為相對應(yīng)氣體濃度的信號。MQ?2傳感器中使用的材料為氧化錫（SnO2），氧化錫在空氣中的導(dǎo)電率較低。MQ?2對可燃?xì)怏w的監(jiān)測較為理想，對煙霧的監(jiān)測范圍為100～1 000 ppm，成本較低，適用于氣體泄漏監(jiān)測裝置和煙霧濃度等易燃?xì)怏w的監(jiān)測。

4） 光照強(qiáng)度采集模塊

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用的光照強(qiáng)度測量模塊型號為BH1750FVITR。BH1750FVITR是16位數(shù)字型環(huán)境監(jiān)測光照強(qiáng)度傳感器，分辨率較高，監(jiān)測范圍從1～65 535 lx，能夠監(jiān)測較大范圍內(nèi)的光照強(qiáng)度變化情況。本傳感器具有如下特點(diǎn)：測量范圍寬；精度高；誤差小，誤差浮動在±20%；受紅外線的變化較??；不需要外接其他器件；支持1.8 V的邏輯輸入；與人眼對光譜的敏感度相似；輸出相對應(yīng)的光照強(qiáng)度值；采用除光噪音實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定測量的功能。廣泛應(yīng)用于汽車定位識別、液晶屏顯示、數(shù)碼產(chǎn)品、電腦、手機(jī)、游戲機(jī)等設(shè)備中。

5） 火焰采集模塊

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所選用的火焰?zhèn)鞲衅魇桥c數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)中的核心控制芯片CC2530配套的傳感器類型，該傳感器可以監(jiān)測80 cm左右的火焰和760～1 100 nm的光源。主要用于火焰和火源的探測，其靈敏度可以通過電位器調(diào)節(jié)改變，該傳感器對火焰的光譜特別敏感。采用LM393輸出監(jiān)測信號，波形好，易于觀察。

6） 數(shù)據(jù)傳輸模塊

本文選用ZigBee通信方式[6]。森林一般地域遼闊且遠(yuǎn)離居民生活區(qū)，而所設(shè)計(jì)的終端要想全方位覆蓋整個(gè)森林面積，必須注意所建立網(wǎng)絡(luò)的容量問題和遠(yuǎn)程通信問題。同時(shí)由于森林環(huán)境復(fù)雜，所以一次性布設(shè)完設(shè)備后，需要使用較長年限，為了方便后期維護(hù)，必須采用功耗較小的傳感器類型。錯(cuò)綜復(fù)雜的環(huán)境給后期維護(hù)也帶來了阻礙，所以選擇一種能夠自動修復(fù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式更是系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需要的[7]。

7） 電源模塊

CC2530的工作電壓為3.3 V，可以使用5 V電壓通過DC?DC轉(zhuǎn)換成3.3 V，考慮到系統(tǒng)的應(yīng)用場景，即森林環(huán)境中供電困難，此處也可以選用3節(jié)5號電池供電。

2.2 監(jiān)測終端硬件設(shè)計(jì)

森林環(huán)境監(jiān)測終端硬件主控單元為STM32；數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)中的協(xié)調(diào)器通過串口與STM32相連接；環(huán)境監(jiān)測終端采用GPRS無線傳輸模塊將信息發(fā)送給遠(yuǎn)程服務(wù)器端。

STM32專為低功耗、高性能、低成本的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)[8]。本系統(tǒng)選用的STM32屬于STM32F103“增強(qiáng)型”系列，時(shí)鐘頻率高達(dá)72 MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的，從閃存執(zhí)行代碼，功耗36 mA，是32位市場上功耗最低的產(chǎn)品。內(nèi)核屬于ARM32位的Cortex?M3 CPU，3種低功耗模式：休眠、停止、待機(jī)模式。閃存程序存儲器的存儲范圍為32～128 kB，SRAM的范圍為6～20 kB， A/D端口有18個(gè)通道，可測量 16個(gè)外部和2個(gè)內(nèi)部信號源。具有通道DMA控制器支持的外設(shè)有：定時(shí)器，ADC，SPI，I2C和USART。串行線調(diào)試和JTAG接口具有功耗低、接口多等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中選擇的型號是STM32F103ZET6。

1） 串口連接設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的CC2530模塊通過串口與環(huán)境監(jiān)測終端的STM32相連，與STM32相連的CC2530上的ZigBee模塊[9]能實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的接收。然后將其通過串口傳輸?shù)絊TM32，STM32將這些數(shù)據(jù)接收后進(jìn)行相應(yīng)的處理，為下一步進(jìn)行遠(yuǎn)程發(fā)送提供便利。

2） GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊

系統(tǒng)選用的通信模塊是SIM900A GPS/GPRS模塊，SIM900A支持GPRS multi?slot class 10/class 8（可選）和GPRS編碼格式CS?1，CS?2，CS?3 和CS?4。其工作頻段為EGSM 900 MHz和DCS 1 800 MHz，該模塊不僅可以進(jìn)行電話和短信通信，還支持TCP/IP協(xié)議[10]，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸。WF?SIM900A通過串口傳輸標(biāo)準(zhǔn)的AT命令實(shí)現(xiàn)對模塊的控制。

2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)器

數(shù)據(jù)處理服務(wù)器[11]作為森林環(huán)境數(shù)據(jù)分析處理的核心，主要完成數(shù)據(jù)接收、分析判斷、將結(jié)果反饋給環(huán)境監(jiān)測終端、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)等工作，軟件各子功能模塊之間協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)森林環(huán)境數(shù)據(jù)處理服務(wù)器的功能。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括森林環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)軟件、環(huán)境監(jiān)測終端軟件、森林環(huán)境數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程服務(wù)器軟件三個(gè)部分，三者之間的相互關(guān)系如圖3所示。

3.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

森林環(huán)境中ZigBee的組網(wǎng)過程由以下幾個(gè)部分組成[12]：協(xié)調(diào)器建立新的傳感器網(wǎng)絡(luò)、協(xié)調(diào)器和節(jié)點(diǎn)的工作過程介紹及網(wǎng)絡(luò)間的相互通信等。協(xié)調(diào)器擔(dān)任森林環(huán)境采集的主節(jié)點(diǎn)具有建立網(wǎng)絡(luò)、對各路由和終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的集中管理等作用。本文采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為網(wǎng)狀，所以網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)，既可以將自己的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，也可以將其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)初始化后，開始搜索網(wǎng)絡(luò)，如果搜索到就發(fā)出入網(wǎng)請求，搜索不到，則成為孤立的節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)的工作過程與協(xié)調(diào)器類似，不同的地方是對于協(xié)調(diào)器發(fā)出的控制命令，如果不是本節(jié)點(diǎn)任務(wù)，則采用相應(yīng)的路由算法將其轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)，如果是則進(jìn)行設(shè)定的操作。

3.2 監(jiān)測終端軟件設(shè)計(jì)

考慮到節(jié)約功耗，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中環(huán)境監(jiān)測終端采用周期性監(jiān)測模式，即按照規(guī)定的采樣周期實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)監(jiān)測，利用環(huán)境監(jiān)測終端STM32的定時(shí)器驅(qū)動采樣周期，當(dāng)接收到中斷控制器的信號時(shí)STM32被喚醒，給數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送采樣信號，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)收到反饋后將各自采集的信息發(fā)給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口發(fā)送給STM32進(jìn)行處理和分析，而后數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)再次進(jìn)入休眠狀態(tài)。

3.3 數(shù)據(jù)處理服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理服務(wù)器作為森林環(huán)境數(shù)據(jù)分析處理的核心，主要完成監(jiān)測終端上傳數(shù)據(jù)的接收，數(shù)據(jù)的分析判斷與預(yù)警，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)等工作。軟件各子功能模塊之間協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)森林環(huán)境數(shù)據(jù)處理服務(wù)器的功能。服務(wù)器接收環(huán)境監(jiān)測終端打包發(fā)送來的數(shù)據(jù)，與程序設(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得出結(jié)論。如果有異常，服務(wù)器會產(chǎn)生報(bào)警，并且會將異常狀態(tài)發(fā)送給環(huán)境監(jiān)測終端，環(huán)境監(jiān)測終端將其狀態(tài)提醒信息顯示在液晶屏上，并通過GPRS發(fā)送報(bào)警短信給監(jiān)護(hù)人員。

森林環(huán)境數(shù)據(jù)服務(wù)器軟件中設(shè)計(jì)一個(gè)QTcpServer類，創(chuàng)建QTcpServer類的實(shí)例，綁定服務(wù)器的地址，監(jiān)聽IP和端口號[13]，利用Qt的信號和槽機(jī)制[14]實(shí)現(xiàn)連接請求和數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)通信軟件流程圖如圖4所示。

森林環(huán)境監(jiān)測服務(wù)器主界面設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)分主頁：各節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)信息、報(bào)警信息。其中，各采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息反映出各節(jié)點(diǎn)相連接的4個(gè)傳感器的數(shù)值或當(dāng)前狀態(tài)及該服務(wù)器的名字和服務(wù)器對應(yīng)的IP地址。

4 性能測試

本文森林環(huán)境采集節(jié)點(diǎn)、環(huán)境監(jiān)測終端及服務(wù)器三端聯(lián)合測試，圖5為森林防火監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)物連接圖，圖中分別用標(biāo)注符號對數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、環(huán)境監(jiān)測終端、GPRS傳輸模塊及服務(wù)器端進(jìn)行了標(biāo)注。

林區(qū)工作人員及監(jiān)管人員，通過登錄自己的賬號密碼，進(jìn)入到服務(wù)器系統(tǒng)，以便在遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控森林環(huán)境的各項(xiàng)參數(shù)。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)用性，前往西安市興慶公園樹木遮擋障礙較多的樹林進(jìn)行測試。通過上述的登錄界面進(jìn)入服務(wù)器系統(tǒng)，這里可以查看到各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)通過環(huán)境監(jiān)測終端匯總的各項(xiàng)傳感器數(shù)值。將傳感器數(shù)據(jù)輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)森林火災(zāi)預(yù)警模型[15]，可以對森林火災(zāi)的三種狀態(tài)：明火、陰燃與無火進(jìn)行預(yù)測[16]。大家可以在PC端的服務(wù)器上觀察到圖6的監(jiān)控界面。

5 結(jié) 語

在公園林區(qū)環(huán)境下測試發(fā)現(xiàn)，森林防火監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)森林環(huán)境各項(xiàng)參數(shù)的采集和無線傳輸、數(shù)據(jù)共享和遠(yuǎn)程監(jiān)控。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)能實(shí)現(xiàn)森林環(huán)境各項(xiàng)參數(shù)的采集和數(shù)據(jù)上傳；環(huán)境監(jiān)測終端可以實(shí)現(xiàn)對多采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的處理分析；遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測終端上傳數(shù)據(jù)的接收，同時(shí)進(jìn)行分析判斷及危險(xiǎn)報(bào)警提示，為森林正常環(huán)境的維持提供可靠保障。系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性和人性化監(jiān)測上表現(xiàn)良好，具有廣泛的社會使用價(jià)值。

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