基于Arduino的森林火災(zāi)監(jiān)控及報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳俊吉 張?jiān)戴?/p>

摘 要：隨著我國(guó)森林資源也日漸豐富，對(duì)森林資源的保護(hù)也越發(fā)重要，而森林火災(zāi)是最主要的森林災(zāi)害，因此需要加強(qiáng)森林火災(zāi)防護(hù)。基于此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款森林火災(zāi)監(jiān)控及報(bào)警系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用紅外光強(qiáng)傳感器、溫濕度傳感器、煙霧濃度傳感器，以Arduino單片機(jī)作為控制中心，利用嵌入式技術(shù)，通過(guò)傳感器收集相關(guān)數(shù)據(jù)，及WiFi傳輸數(shù)據(jù)至云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)信息交互，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控的智能規(guī)范化管理以及數(shù)據(jù)可視化的森林火災(zāi)監(jiān)控及報(bào)警系統(tǒng)。同時(shí)，該系統(tǒng)對(duì)實(shí)際監(jiān)視設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，可有效解決在不同天氣情況下對(duì)傳感器的影響，提高了設(shè)備的合理性、高效性。該系統(tǒng)省去人工的復(fù)雜操作，減輕了護(hù)林員對(duì)大面積的森林巡查力度，降低了人力成本，能夠?qū)崟r(shí)了解森林實(shí)時(shí)情況，具有較大的市場(chǎng)應(yīng)用前景和發(fā)展前景。

關(guān)鍵字：Arduino;傳感器;監(jiān)控報(bào)警;數(shù)據(jù)采集

1 引言

森林火災(zāi)是森林災(zāi)害中突發(fā)性最強(qiáng)、危害范圍最廣、破壞性最高的自然災(zāi)害。但是由于森林的覆蓋面廣、地形復(fù)雜、氣候多變因而對(duì)其的實(shí)時(shí)監(jiān)控難度巨大[1]。如何對(duì)森林火災(zāi)的監(jiān)控及防范一直是國(guó)內(nèi)外各大森林監(jiān)管機(jī)構(gòu)的研究對(duì)象。就目前國(guó)內(nèi)發(fā)展而言，紅外光火焰光強(qiáng)檢測(cè)技術(shù)與煙霧傳感器進(jìn)行煙霧檢測(cè)是國(guó)內(nèi)運(yùn)用最為廣泛的檢測(cè)手段，將傳感器放置于森林火情監(jiān)控車(chē)上進(jìn)行對(duì)森林的巡查工作[2]。利用火情發(fā)生時(shí)，火焰光發(fā)出特定波長(zhǎng)的紅外光信號(hào)，傳感器進(jìn)而進(jìn)行采集并通過(guò)單片機(jī)事先設(shè)定的流程進(jìn)行反應(yīng)。基于這一特性，設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為操作核心的DSP硬件電路，對(duì)整個(gè)森林劃分不同的區(qū)域進(jìn)行持續(xù)的掃描且數(shù)據(jù)采集，再利用WiFi模塊對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸至后臺(tái)監(jiān)控進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)全方面在線監(jiān)控。在后臺(tái)監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)采用了一臺(tái)主機(jī)多個(gè)線下采集庫(kù)的任務(wù)管理方式，因此可以同時(shí)管理多臺(tái)設(shè)備。同時(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)OneNET平臺(tái)的數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)，可進(jìn)行遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)狀態(tài)查詢[3]。整個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)溫度、濕度、煙霧濃度、光源強(qiáng)度的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能

隨著森林火災(zāi)日益嚴(yán)重，每年火災(zāi)造成的直接財(cái)產(chǎn)損失不斷增加，因此必須加強(qiáng)對(duì)森林的日常監(jiān)控。森林火災(zāi)監(jiān)控及報(bào)警系統(tǒng)恰恰是為了提高對(duì)森林火災(zāi)監(jiān)控效率，運(yùn)用傳感器所采集的數(shù)據(jù)上傳至云端平臺(tái)，從而進(jìn)行森林環(huán)境溫濕度、煙霧濃度和紅外強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。森林火災(zāi)監(jiān)控及報(bào)警系統(tǒng)采用了Arduino單片機(jī)作為主控芯片，傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi模塊上傳至云平臺(tái)，同時(shí)也與閾值進(jìn)行比較，如果超過(guò)閾值則自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

森林火災(zāi)監(jiān)控及報(bào)警系統(tǒng)是以Arduino單片機(jī)作為森林火災(zāi)監(jiān)控及報(bào)警系統(tǒng)硬件部分的主控單片機(jī)，由溫度傳感器模塊、濕度傳感器模塊、紅外光（火焰光）強(qiáng)傳感器模塊、煙霧傳感器模塊等組成。通過(guò)將Arduino單片機(jī)與森林火災(zāi)監(jiān)控及報(bào)警系統(tǒng)各個(gè)模塊相連接，實(shí)現(xiàn)Arduino控制森林火災(zāi)監(jiān)控及報(bào)警的相關(guān)操作。Arduino通過(guò)與外部傳感器相連接可以對(duì)外部環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后連接無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與控制終端的通信，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)森林環(huán)境的檢測(cè)以及對(duì)是否需要報(bào)警的判定，能夠進(jìn)行24小時(shí)無(wú)停息監(jiān)控保證實(shí)施森林安全。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境是Arduino IDE，Arduino單片機(jī)通過(guò)溫濕度傳感器采集到數(shù)據(jù)過(guò)后，與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，如果超過(guò)程序預(yù)先設(shè)定的閥值執(zhí)行報(bào)警信號(hào)，并自動(dòng)上傳火情地的位置信息。煙霧傳感器和紅外光傳感器采集數(shù)據(jù)后，同樣與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，如果超過(guò)閥值便執(zhí)行同樣的報(bào)警信號(hào)上傳，并上傳火情信息。并將數(shù)據(jù)上傳至OneNET平臺(tái)，并在平臺(tái)上顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確值且進(jìn)行可視化處理。

2.4 系統(tǒng)測(cè)試

森林火災(zāi)監(jiān)控及報(bào)警系統(tǒng)測(cè)試是對(duì)應(yīng)用控制程序、功能程序和硬件協(xié)同進(jìn)測(cè)試，觀察各個(gè)模塊程序能夠與硬件工作情況。OneNET平臺(tái)測(cè)試云平臺(tái)數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸，實(shí)時(shí)顯示森林環(huán)境中的煙霧濃度，溫濕度和紅外光強(qiáng)度以及數(shù)據(jù)查看。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

3 結(jié)論

本文利用嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)了一款基于Arduino的森林火災(zāi)監(jiān)控及報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F103RCT6為控制核心，對(duì)森林環(huán)境的溫濕度、煙霧濃度、紅外光強(qiáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，通過(guò)WiFi傳輸數(shù)據(jù)至云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程智能監(jiān)控及報(bào)警，實(shí)時(shí)了解森林真實(shí)情況。該系統(tǒng)省力省時(shí)，減輕了護(hù)林員對(duì)大面積的森林巡查力度，降低了人力成本，具有較大的市場(chǎng)應(yīng)用前景和發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

[1]古亞明.森林防火技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)[J]現(xiàn)代園藝，2020.04.

[2]張威，張烈.新型森林火情預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與探討，2020（1）：75-80.

[3]王楊.基于5G技術(shù)的森林防火監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)在機(jī)理與應(yīng)用分析，2020（8）：56-582.