基于嵌入式系統(tǒng)和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的森林火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧亦驍

（武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

森林火災(zāi)極大地威脅著森林資源安全，造成當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)平衡嚴(yán)重破壞，影響生物多樣性，同時(shí)嚴(yán)重?fù)p害了人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)的發(fā)生是及時(shí)有效撲滅林火并防止火勢(shì)進(jìn)一步蔓延的重要措施，因此，需要對(duì)森林火災(zāi)進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)與定位。

森林火災(zāi)的出現(xiàn)和火勢(shì)蔓延與林區(qū)地理特征、當(dāng)?shù)貧夂蜃兓?guī)律以及人類活動(dòng)有極大關(guān)系，同時(shí)由于森林地形、氣候情況復(fù)雜，林火不易第一時(shí)間有效察覺(jué)[1]，這都給有效監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)帶來(lái)了極大的困難。現(xiàn)有監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)的方法主要有4 種：地面人工巡護(hù)監(jiān)測(cè)、傳統(tǒng)地面設(shè)備監(jiān)控、航空巡查、衛(wèi)星探測(cè)[2]。但現(xiàn)有方法仍存在準(zhǔn)確率不高、智能化水平有待提高等問(wèn)題。

針對(duì)上述存在問(wèn)題，需要一種智能化程度高、準(zhǔn)確有效的森林火情地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)林區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確探測(cè)森林火災(zāi)的發(fā)生和判斷火情的發(fā)展，并將情況和相關(guān)數(shù)據(jù)及時(shí)報(bào)告給當(dāng)?shù)亓謽I(yè)、消防和公安部門(mén)。

1 森林火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

森林火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)主要包括火災(zāi)探測(cè)模塊、無(wú)線通訊模塊、火災(zāi)報(bào)警控制器[3]等。

1.1 火災(zāi)探測(cè)模塊硬件設(shè)計(jì)

森林火災(zāi)探測(cè)模塊是一種集合煙霧、溫度、CO 濃度和明火監(jiān)測(cè)為一體的綜合探測(cè)模塊，通過(guò)無(wú)線通信模塊與火災(zāi)報(bào)警控制器通信。

1.1.1 傳感器部分設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中的探測(cè)節(jié)點(diǎn)的前端傳感器部分由離子煙霧傳感器NIS-05A、負(fù)溫度系數(shù)NTC 熱敏電阻-溫度傳感器MF61系列、NAP-505 型電化學(xué)CO 氣體傳感器和明火傳感器JC-MH-ZN01 組成。這些傳感器均可采用電池驅(qū)動(dòng)，且具有高精度、高靈敏度、穩(wěn)定性好和低功耗等優(yōu)良性能，使用時(shí)不會(huì)對(duì)森林環(huán)境造成影響。其中，明火傳感器可探測(cè)明火中的紫外線，對(duì)火焰反應(yīng)快，且內(nèi)置單片機(jī)，采用智能算法，既可以實(shí)現(xiàn)快速報(bào)警，又可以降低誤報(bào)率。

1.1.2 信號(hào)調(diào)理電路及處理單元電路

傳感器采集的信號(hào)不可避免地包含雜波，而且傳感器采集到的微弱模擬信號(hào)不適合直接進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，需要先經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理再輸入單片機(jī)ADC 的輸入端中轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。模塊中有煙霧濃度、溫度和CO 濃度3 路傳感器信號(hào)采集通道，采用MAX407 構(gòu)成調(diào)理電路對(duì)這3 路信號(hào)進(jìn)行調(diào)理后送入MSP430F4794 微控制器中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并進(jìn)行初步判斷。MSP430F4794 微控制器與無(wú)線通信模塊相連進(jìn)行串行通信，將采集到的異常信號(hào)通過(guò)無(wú)線通信模塊發(fā)送給對(duì)應(yīng)的火災(zāi)報(bào)警控制器做進(jìn)一步的分析處理。

1.2 無(wú)線通信模塊硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線通信模塊的設(shè)計(jì)采用AI-Thinker 公司的A9G 模塊。A9G 模塊具有GPRS 通信功能，可利用現(xiàn)有基站進(jìn)行通信，而且模塊功耗低、傳輸速率高，可由鋰電池供電，非常適合作為森林火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的無(wú)線通信模塊。本系統(tǒng)中采用4 V鋰電池給A9G 模塊供電，選用高增益天線，使無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋更大范圍，并選用900 MHz 作為A9G 模塊的工作頻段。A9G 模塊可使用AT 指令進(jìn)行編程設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程服務(wù)器建立TCP 通信，發(fā)送探測(cè)模塊的數(shù)據(jù)，接收火災(zāi)報(bào)警控制器的指令并與微控制器進(jìn)行同步串口通信。

1.3 火災(zāi)報(bào)警控制器硬件設(shè)計(jì)

火災(zāi)報(bào)警控制器是森林火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，控制器除了具有基本功能，還具有基于算法的智能化火災(zāi)識(shí)別能力。本系統(tǒng)選用包含ARM Cortex-M7 內(nèi)核的STM32H743作為火災(zāi)報(bào)警控制器的核心。STM32H743 的CPU 工作頻率為480 MHz，具有雙精度浮點(diǎn)單元，有極高的綜合性能，適應(yīng)本系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的龐大計(jì)算需求。在其控制核心基礎(chǔ)上還擴(kuò)展了串行通信功能、人機(jī)界面和以太網(wǎng)控制器功能等。

1.3.1 液晶顯示控制器

LCD 是控制器人機(jī)交互功能的一個(gè)重要組成部分。本系統(tǒng)中所選的控制器STM32H743 自帶LCD-TFT 顯示控制器，采用ATK-35’TFT-LCD 顯示模塊與控制器上LCD-TFT外部信號(hào)接口連接，并通過(guò)軟件配置STM32H743 上的寄存器，使顯示模塊與控制器之間實(shí)現(xiàn)串行通信。

1.3.2 基站串行通信

控制器與相連的基站進(jìn)行通信，基站再與無(wú)線通信模塊進(jìn)行GPRS 通信。將STM32H743 的SPI 設(shè)置為全雙工通信，控制器和基站中的移位寄存器通過(guò)MOSI 和MISO 引腳之間的兩條單向線連接。在SPI 通信過(guò)程中，數(shù)據(jù)隨控制器提供的SCK 時(shí)鐘邊沿同步移位。

1.3.3 以太網(wǎng)控制器

每一管理區(qū)域的火災(zāi)報(bào)警控制器都通過(guò)以太網(wǎng)向總控平臺(tái)傳遞火情信息。STM32H743 自身即帶有以太網(wǎng)模塊，可通過(guò)ST 公司開(kāi)發(fā)的STM32CubeMx 軟件對(duì)微控制器進(jìn)行相關(guān)配置，同時(shí)選擇LAN8720 芯片作為物理層芯片，用來(lái)為 STM32H743 提供 PHY 層。

2 森林火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判斷森林火災(zāi)是否發(fā)生，同時(shí)為有效預(yù)防森林火災(zāi)，根據(jù)該林區(qū)具體的天氣變化，動(dòng)態(tài)評(píng)估發(fā)生火災(zāi)的概率，從而有針對(duì)性地加大地面-天空一體化的巡查監(jiān)視力度。

2.1 火災(zāi)探測(cè)模塊軟件設(shè)計(jì)

火災(zāi)探測(cè)模塊的主要任務(wù)是由微控制器MSP430F4794來(lái)控制火災(zāi)參量信號(hào)的采集與AD 轉(zhuǎn)換，并向火災(zāi)報(bào)警控制器發(fā)送數(shù)據(jù)。探測(cè)節(jié)點(diǎn)上電或復(fù)位后，首先需要進(jìn)行硬件和軟件的初始化工作，同時(shí)A9G 模塊向基站建立連接。傳感器每隔一定時(shí)間（由總控平臺(tái)根據(jù)天氣情況動(dòng)態(tài)調(diào)整）采集周圍環(huán)境中的火災(zāi)參數(shù)信號(hào)并發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行處理。

傳感器采集到的數(shù)據(jù)是微弱的模擬量信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大調(diào)理電路的信號(hào)放大和調(diào)理后，由單片機(jī)內(nèi)置的ADC 進(jìn)行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字信號(hào)，當(dāng)判斷出現(xiàn)明火或溫度、煙霧濃度、CO 濃度超過(guò)閾值時(shí)，單片機(jī)通過(guò)無(wú)線通信模塊向控制器發(fā)送現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步分析處理。

2.2 火災(zāi)報(bào)警控制器軟件設(shè)計(jì)

火災(zāi)報(bào)警控制器具有強(qiáng)大的浮點(diǎn)數(shù)處理能力、分析能力強(qiáng)、處理運(yùn)算速度快，因此可由火災(zāi)報(bào)警控制器實(shí)現(xiàn)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、完成復(fù)雜數(shù)據(jù)的處理以及對(duì)數(shù)據(jù)采集單元的控制與管理。當(dāng)火災(zāi)報(bào)警控制器收到能明顯判斷存在火情的數(shù)據(jù)時(shí)，控制器立即將情況上報(bào)給總控平臺(tái)；當(dāng)收到的火災(zāi)參量數(shù)據(jù)存在異常但不能做出立即判斷時(shí)，則利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算分析，如果發(fā)生了火災(zāi)，則上報(bào)總控平臺(tái)，否則中斷返回。

火災(zāi)狀態(tài)判斷程序運(yùn)用了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，從而實(shí)現(xiàn)森林火災(zāi)的智能化判斷。探測(cè)模塊將探測(cè)到的各種火災(zāi)參量數(shù)據(jù)傳遞到對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)的火災(zāi)報(bào)警控制器，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)隸屬函數(shù)將其模糊化，然后經(jīng)過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值進(jìn)行修改，計(jì)算輸出模糊邏輯的語(yǔ)言變量無(wú)火、陰燃和有火。

2.3 總控平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

總控平臺(tái)接收來(lái)自各個(gè)火災(zāi)報(bào)警控制器發(fā)送的火災(zāi)情況，并在人機(jī)交互界面上顯示火災(zāi)發(fā)生的具體位置地點(diǎn)以及火情數(shù)據(jù)信息，同時(shí)發(fā)出警報(bào)。

本系統(tǒng)利用歷年來(lái)森林火災(zāi)提供的相關(guān)數(shù)據(jù)建立并訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并運(yùn)用遺傳算法改進(jìn)的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值[4]，從而提高BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確性和運(yùn)算速度。總控平臺(tái)根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T(mén)實(shí)時(shí)提供的該地區(qū)的溫度、濕度、風(fēng)力等氣象數(shù)據(jù)輸入訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算此時(shí)發(fā)生森林火災(zāi)的概率。當(dāng)動(dòng)態(tài)估計(jì)的火災(zāi)發(fā)生概率在某一時(shí)刻超過(guò)事先設(shè)定好的警戒值時(shí)，則立即通過(guò)該區(qū)域內(nèi)的火災(zāi)報(bào)警控制器調(diào)整提高區(qū)域內(nèi)探測(cè)模塊輪詢采集信號(hào)的頻率，增大對(duì)森林火災(zāi)的監(jiān)測(cè)力度。同時(shí)總控平臺(tái)上傳有關(guān)情況給管理部門(mén)，請(qǐng)求增加對(duì)該林區(qū)的情況航空、衛(wèi)星、地面巡邏等一體化監(jiān)測(cè)，防止大規(guī)模森林火災(zāi)的發(fā)生。

3 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)通過(guò)探測(cè)節(jié)點(diǎn)及無(wú)線通信模塊、火災(zāi)報(bào)警控制器和總控平臺(tái)，構(gòu)成了森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)一體化系統(tǒng)?；馂?zāi)報(bào)警控制器中運(yùn)用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提高了對(duì)森林火災(zāi)狀態(tài)判斷的準(zhǔn)確性，基于遺傳算法改進(jìn)的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則根據(jù)氣象數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)分析森林火災(zāi)的發(fā)生概率并動(dòng)態(tài)調(diào)整探測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集頻率。控制器與探測(cè)節(jié)點(diǎn)間采用GPRS 通信技術(shù)，控制器與總控平臺(tái)則通過(guò)以太網(wǎng)互聯(lián)，構(gòu)成了完整高效的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、有效地監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)狀態(tài)并及時(shí)發(fā)出警報(bào)，具有廣闊的應(yīng)用前景。