基于IoT的森林防火監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)

摘要：該文設(shè)計了一種森林火災(zāi)自動監(jiān)測系統(tǒng)，通過物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的獨立運行，獲取節(jié)點周圍的環(huán)境信息，再通過網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備進行信息采集。系統(tǒng)采用大量低功耗附件，采用FPGA技術(shù)可使IoT節(jié)點整體功耗極低，并具有智能能源管理功能，可在不同能源狀態(tài)下實施不同的運行方案，并確保能在當前能量狀態(tài)下獲得盡可能多的及時的信息。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);森林防火;監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）14-0104-02

中國森林面積2.08億公頃，居世界第六位[1]。尤其是我們東北地區(qū)森林茂密，森林火災(zāi)危害很大，很難撲滅。一場火災(zāi)會造成大量的森林資源和財產(chǎn)損失，甚至造成重大人員傷亡。所以在萌芽階段采取預(yù)防措施尤為重要。目前我國采取的主要手段是人為干預(yù)措施，如建設(shè)瞭望塔、人工集中監(jiān)控視頻監(jiān)控系統(tǒng)、小部分智能預(yù)警系統(tǒng)等，但由于資源投入較大，無法普及。

首先，偏遠林區(qū)沒有網(wǎng)絡(luò)覆蓋，通信和上網(wǎng)成為主要問題。部分林區(qū)網(wǎng)絡(luò)覆蓋差，通信質(zhì)量差。 缺乏林業(yè)專網(wǎng)，傳輸信號受外界干擾較大，高峰時段消防信息傳輸不暢。其次，目前國家森林火災(zāi)視頻監(jiān)測中大量森林火災(zāi)監(jiān)測工作仍主要依靠點數(shù)過少人工瞭望解決，時效性差、覆蓋率低、精度差、無法滿足森林火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警的需要。第三是消防隊信息化裝備水平低，消防隊移動端功能比較單一，缺乏定位、通信等功能，傳感器的感應(yīng)范圍太小，無法滿足現(xiàn)場要求。

因此，面對如此大面積的森林生態(tài)系統(tǒng)，采用任何一種外部功能都將是一個巨大的消耗。本系統(tǒng)設(shè)計并建立了一個以收集自然能源為節(jié)點的物聯(lián)網(wǎng)，以管理多種能源，優(yōu)化能源供應(yīng)，實現(xiàn)整個森林火災(zāi)探測系統(tǒng)自給自足、低功耗為目標。使用和管理傳感器檢測森林中的指標數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端進行數(shù)據(jù)分析，并給出一些參考預(yù)警信息，從而形成低功耗、自動化、通用的森林火災(zāi)探測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)節(jié)點主要分為能量采集模塊、信息采集模塊、核心采集處理模塊、低功耗傳輸模塊和上位機模塊幾個模塊，下面分別介紹這些模塊的功能。

該系統(tǒng)主要采集兩種環(huán)境能量：一種是通過太陽能電池板采集太陽能，另一種是通過直流發(fā)電機采集風能。太陽能組件可在不同光照條件下提供10ma-40ma電流。因為功率太低，不能直接給整個系統(tǒng)供電，但可以不斷地給充電電池充電，再由充電電池供電。風能采集模塊主要采集風能，其最大電流可達200??mA，可直接為系統(tǒng)供電，也可為充電電池充電。整個能量采集系統(tǒng)實現(xiàn)了太陽能、風能向電能的轉(zhuǎn)換，最終實現(xiàn)電能的穩(wěn)定輸出，從而保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

環(huán)境信息采集模塊采用DHT11溫濕度數(shù)字傳??感器[2]。采用數(shù)字接口統(tǒng)一互聯(lián)，采用I2C或SPI進行高效數(shù)據(jù)傳輸。I2C 類似于主從模式下的 SPI 總線。I2C 和 SPI 總線上可以有多個從設(shè)備，但只有一個主設(shè)備。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器為單總線結(jié)構(gòu)，采用數(shù)據(jù)線控制模塊工作，收發(fā)溫濕度數(shù)據(jù)。根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)傳輸時序圖，構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送功能。

核心采集處理模塊。數(shù)據(jù)采集單元通過數(shù)據(jù)接口連接傳感器獲取待采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)需求進行壓縮、整合等預(yù)處理，然后通過數(shù)據(jù)傳輸接口連接Wi-Fi等模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。當沒有風力供電時，系統(tǒng)將進入低功耗模式。在低功耗模式下，數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l率會變慢。當傳感器采集到一組數(shù)據(jù)時，不會發(fā)送，而是存儲在緩沖區(qū)中。當數(shù)據(jù)達到四組時，統(tǒng)一發(fā)送。當有風電供電時，系統(tǒng)將進入正常模式，以更快的頻率采集和發(fā)送數(shù)據(jù)。自包含數(shù)據(jù)收集后，將立即發(fā)送。這種能源管理模式將大大延長節(jié)點的工作時間和使用壽命。低功耗模塊將一直運行，高性能模塊在滿足觸發(fā)條件時被激活。此外，為了輔助能量控制模塊實現(xiàn)各種能量切換，我們的核心處理單元可以實現(xiàn)多電源管理（動態(tài)切換）。低功耗模塊LP檢測各種電源的情況，控制不同電源之間的切換。它可以根據(jù)當前能源供應(yīng)的類型動態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸和接收的頻率。同時支持用戶設(shè)置觸發(fā)條件，低功耗模塊LP讓晶格中的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸功能單元完成數(shù)據(jù)采集和傳輸，然后低功耗模塊LP讓晶格進入睡眠狀態(tài)。實現(xiàn)能源的合理利用，實現(xiàn)真正的常開模式。

數(shù)據(jù)傳輸分為四個單元。FPGA將數(shù)據(jù)傳輸給Wi-Fi模塊，Wi-Fi模塊通過路由器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給上位機。 FPGA上的數(shù)據(jù)處理單元通過串口喚醒Wi-Fi模塊，并將數(shù)據(jù)傳輸給Wi-Fi模塊。Wi-Fi模塊在一定時間內(nèi)接收到數(shù)據(jù)，并通過路由器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給上位機。上位機設(shè)置socket進行監(jiān)聽、接受二進制數(shù)據(jù)、解壓、分析、存儲，并將數(shù)據(jù)顯示在屏幕上。這里使用的Wi-Fi模塊是usr-cs322。 Wi-Fi 的功耗相對較低。待機模式下功耗僅為25ua，非連續(xù)傳輸模式下功耗僅為18ma，可以在現(xiàn)有的功能環(huán)境中正常工作。Wi-Fi模塊有多種工作模式，使用sta模式。在sta模式下，設(shè)置要連接的AP的名稱和密碼。Wi-Fi啟動后，會自動與路由器建立連接。

上位機分為三個界面：主界面、溫度詳情界面和濕度詳情界面。主界面會顯示當前接收到的最新溫濕度，在溫度詳情界面可以看到詳細的溫度變化曲線。同樣，也可以在濕度詳細信息界面中查看詳細的濕度曲線。當溫度和濕度超過警告范圍時，將發(fā)出警告。上位機與Wi-Fi模塊的連接采用自動連接方式。上位機每次啟動都會向全局發(fā)送一個廣播。 Wi-Fi模塊收到廣播后，會返回自己的IP地址，并根據(jù)返回的IP地址建立連接，開始接收數(shù)據(jù)。主機接收到數(shù)據(jù)包后，對其進行分析，以確定接收到的數(shù)據(jù)是以低功耗模式傳輸還是以正常模式傳輸。根據(jù)不同的情況采用不同的方案，溫濕度數(shù)據(jù)以圖像的形式顯示在各自的界面上。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

本設(shè)計的各種智能物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的設(shè)計主要包括能量采集單元、信息采集單元、核心控制與處理單元、低功耗傳輸單元等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

能量采集單元主要包括太陽能采集單元、電磁能量采集單元和熱能采集單元。如圖2所示，能量采集單元子單元主要由能量采集模塊、能量傳輸模塊和能量控制模塊組成。能量采集模塊實現(xiàn)太陽能、電磁能或熱能向電能的轉(zhuǎn)換;能量傳輸模塊實現(xiàn)從采集電源到穩(wěn)定電源的轉(zhuǎn)換;能量控制模塊實現(xiàn)各采集模塊的供電和輸出切換。

本系統(tǒng)CO傳感器模塊采用的傳感器為MQ-9氣體傳感器[3]，所用的氣敏材料為二氧化錫（SnO2），在清潔空氣中具有低電導(dǎo)率。采用高低溫循環(huán)檢測法，在低溫（1.5V加熱）下檢測一氧化碳。傳感器的電導(dǎo)率隨著空氣中一氧化碳濃度的增加而增加，并且在高溫（5.0V加熱）下檢測到甲烷和丙烷并對低溫吸附的雜散氣體加以凈化。利用簡單的電路可以將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為對應(yīng)于氣體濃度的輸出信號。MQ-9氣體傳感器對一氧化碳、甲烷和液化氣具有較高的靈敏度。可檢測多種一氧化碳氣體和易燃性氣體，是一種適用于許多應(yīng)用的低成本傳感器。

對于森林防火監(jiān)測系統(tǒng)來說，溫度監(jiān)測非常重要。 溫度傳感器用于采集周圍環(huán)境的環(huán)境因素，讀出溫度數(shù)據(jù)，然后通過信號處理功能，讓外設(shè)做出相應(yīng)的響應(yīng)，將溫度數(shù)據(jù)無線傳輸至顯示器。當溫度高于預(yù)設(shè)溫度時，MCU驅(qū)動繼電器控制風扇轉(zhuǎn)動以降低溫度。當溫度低于預(yù)設(shè)溫度時，MCU驅(qū)動繼電器控制集熱器的加熱。

空氣溫濕度模塊主要利用DHT11濕度檢測傳感器，DHT11數(shù)字溫/濕度傳感器是一種含有已校正的數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。該傳感器分別內(nèi)置了一個電阻式濕度測量元件和負溫度系數(shù)熱敏電阻器溫度測量元件，它可以與高性能的8位單片機相連接。由于該傳感器采用的串行接口遵循單線制規(guī)范，從而使得系統(tǒng)的集成過程變得簡單快捷。此外，該傳感器還具備超小的體積、極低的功耗， 超快的響應(yīng)、較強的抗干擾能力等優(yōu)點，其信號傳輸距離可以超過20米，所以是各類應(yīng)用場合的合理選擇。

信息采集電路包括各種數(shù)字傳感器和低功耗相機。通常采用數(shù)字接口連接的傳感器，主要涉及溫濕度、壓力、光照等。數(shù)字接口用于統(tǒng)一互連，I2C或SPI用于高效數(shù)據(jù)傳輸。低功耗相機拍攝的幾張照片的功耗低于紐扣電池。因此，節(jié)點的圖像采集功能通過間歇打開來增加。

數(shù)據(jù)傳輸電路主要包括低功耗Wi-Fi單元、低功耗藍牙單元和ZigBee單元[4]。Wi-Fi模塊廣泛用于室內(nèi)環(huán)境，低功耗Wi- Fi模塊用于智能家居類節(jié)點。藍牙4.1等新標準出臺后，功耗和互聯(lián)特性有了很大的提升。此外，ZigBee 模塊采用低功耗 LAN協(xié)議，適用于大型自組網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)。

核心采集處理單元包括高頻時鐘驅(qū)動的數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和數(shù)據(jù)處理單元以及低頻時鐘驅(qū)動的常開監(jiān)測單元和多能量管理單元。數(shù)據(jù)采集??單元通過I2C、SPI和UART接口連接傳感器和攝像頭，獲取需要采集的數(shù)據(jù)[5]。數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)需求進行壓縮、整合等預(yù)處理，然后通過數(shù)據(jù)傳輸接口連接Wi-Fi等模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。低功耗模塊一直在運行，可以激活高性能模塊，另外，輔助能量控制模塊實現(xiàn)各種能量切換。

該系統(tǒng)的基本運行過程如下： 第一步：最初使用紐扣充電電池（位于太陽能電磁板中）供電;第二步：啟動低功耗模塊;第三步：用小功率模塊開啟大功率模塊;第四步：大功率模塊采集傳感器節(jié)點信息;第五步：大功率模塊進行數(shù)據(jù)傳輸;第六步：低功率模塊關(guān)閉高功率模塊;第七步：小功率模塊將電源切換到電磁電源，太陽能給紐扣充電電池充電;第八步：低功耗模塊檢測外部觸發(fā)或內(nèi)部觸發(fā)。一旦觸發(fā)，進入第三步。

在能源的合理利用方面，本設(shè)計實現(xiàn)了系統(tǒng)的低功耗運行。在系統(tǒng)運行過程中，會實時監(jiān)控外部能量狀態(tài)。當采集到的能量比較稀缺時，會使用低功耗模塊動態(tài)調(diào)整采集數(shù)據(jù)的收發(fā)頻率;當能量充足時，進入正常工作模式，數(shù)據(jù)收發(fā)頻率進入正常模式。這種能源管理模式可以使系統(tǒng)工作更持久。

上位機連接單元向局域網(wǎng)發(fā)送UDP命令，監(jiān)控Wi-Fi模塊反饋的節(jié)點信息。離線判斷：如果節(jié)點超過20秒沒有發(fā)送任何信息，則判斷節(jié)點已經(jīng)休眠，重新連接步驟。上位機接收節(jié)點發(fā)送的信息根據(jù)節(jié)點之間的協(xié)議對數(shù)據(jù)進行分析，將數(shù)據(jù)傳輸至可視化顯示模塊，并將數(shù)據(jù)顯示在界面上。

上位機的設(shè)計主要分為主界面、溫濕度細節(jié)三個界面，主要是為了有利于用戶的視角，同時將數(shù)據(jù)制作成圖像曲線變化，并進行數(shù)據(jù)分析，在溫濕度超出預(yù)警范圍，會有提示，促進用戶更方便、清晰地掌握各節(jié)點反饋信息，使信息智能化得到顯著提升。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)設(shè)計的森林火災(zāi)探測系統(tǒng)是一個將能源采集和安全數(shù)據(jù)檢測集成在各個單節(jié)點的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)協(xié)調(diào)了多種自給自足的智能系統(tǒng)，具有自然能源功能穩(wěn)定、功耗低、自主性強的特點，優(yōu)化了當前森林消防系統(tǒng)智能化水平低、人力物力消耗大等一系列問題，為森林監(jiān)測系統(tǒng)提供了一個更加節(jié)能、智能、安全的信息系統(tǒng)。 這種設(shè)計還充分結(jié)合了以往的研究成果和創(chuàng)新成果，將科技應(yīng)用于特定場合，具有較高的經(jīng)濟價值和社會效益。

參考文獻：

[1] 李敏. 基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)研究與應(yīng)用[D].宜昌：長江大學(xué)，2016.

[2] 包子建.基于IoT的污染監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電腦知識與技術(shù)，2019，15（6）：255-256.

[3] 包子建.基于IoT的道路照明系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電腦知識與技術(shù)，2019，15（10）：213-214.

[4] 包子建.基于IoT的智能車系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電腦知識與技術(shù)，2020，16（8）：179-180.

收稿日期：2021-09-20

.作者簡介：包子建（1975—），男，江蘇南通人，高級工程師，碩士，主要從事物聯(lián)網(wǎng)和信息服務(wù)方面的教學(xué)和研究。