基于WSN 的林區(qū)重點(diǎn)單位智能消防系統(tǒng)構(gòu)建

馬小琴 程 芳 張欽禮

（1.池州學(xué)院 大數(shù)據(jù)與人工智能學(xué)院，安徽 池州 247000；2.杭州蛋蛋語音科技有限公司，浙江 杭州 310005）

我國幅員遼闊，資源豐富，第九次全國森林資源清查成果——《中國森林資源報(bào)告（2014—2018）》數(shù)據(jù)顯示，全國森林覆蓋率22.96%，森林面積2.2億公頃。林區(qū)中部分倉儲企業(yè)大多對于環(huán)境濕度的要求較高。再如寺廟常年香火繚繞，木構(gòu)件較為干燥，極易引發(fā)火災(zāi)。如果按傳統(tǒng)的興建瞭望塔、衛(wèi)星遙感視頻監(jiān)控以及地面巡護(hù)的方式，不僅會花費(fèi)大量人力、物力、財(cái)力，而且獲取信息不全。另外，瞭望塔監(jiān)測又經(jīng)常受地形天氣等條件限制，從而造成處理不及時(shí)，給林區(qū)帶來毀滅性的災(zāi)難[1]。然而林區(qū)覆蓋面積大，流轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)太多，需要采集的信息非常龐大，大數(shù)據(jù)與人工智化是必先考慮的技術(shù)。為響應(yīng)國家的環(huán)保、節(jié)能、低碳等政策要求，本文將現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)運(yùn)用到林區(qū)重點(diǎn)單位如木質(zhì)建筑群、倉儲企業(yè)、養(yǎng)殖企業(yè)或木材加工廠等消防監(jiān)測中，提出一種基于WSN的林區(qū)重點(diǎn)單位智能消防系統(tǒng)，有效地預(yù)防火災(zāi)，遏制已發(fā)生的火災(zāi)，從而保護(hù)人員及財(cái)產(chǎn)安全。

1 基于WSN 的林區(qū)重點(diǎn)單位智能消防系統(tǒng)

本文提出的智能消防系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。該系統(tǒng)在分布式處理的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的分簇置數(shù)。為了降低節(jié)點(diǎn)能耗和系統(tǒng)復(fù)雜性，無線傳感監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)采用分簇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)通過多跳無線通信方式與簇首通信，將采集的信息源源不斷地傳送至簇首[2-3]?；緟R總通過LoRa 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸[4]各簇網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，存檔于監(jiān)控中心的服務(wù)器中。所傳送的數(shù)據(jù)經(jīng)分布式數(shù)據(jù)處理機(jī)進(jìn)行存儲、查詢分布程序等處理后，將結(jié)果發(fā)送至客戶端。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由五個(gè)模塊組成，如圖2所示。首先通過傳感器采集模塊搜集著火點(diǎn)信息，然后經(jīng)過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊將搜集到的數(shù)據(jù)交給分布式信息處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后對于處理的結(jié)果判斷是否啟動火情遏制模塊和預(yù)警模塊。各模塊間協(xié)調(diào)合作，保證該系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

圖2 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖

1.2 各模塊實(shí)現(xiàn)

（1）傳感器信息采集模塊。根據(jù)森林火災(zāi)產(chǎn)生的熱量、紅外線和煙霧等特點(diǎn)選擇靈敏度高、抗干擾性強(qiáng)的溫度傳感器、紅外傳感器、煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞯榷喾N類型傳感器，組成立體化傳感器監(jiān)測陣列。立體化傳感器將采集到的信息就近傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，再由簇首傳到主系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；（2）無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的采集節(jié)點(diǎn)將其采集到的信息通過LoRa無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，由匯聚節(jié)點(diǎn)通過多跳躍方式與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通信,然后結(jié)合GPRS網(wǎng)絡(luò)通過無線基站和Internet將數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控主機(jī)；（3）分布式數(shù)據(jù)處理模塊。分布式數(shù)據(jù)處理模塊采用分布式數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（DDSMS）[5]。采集節(jié)點(diǎn)將收集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送至基站，基站首先進(jìn)行判斷，經(jīng)過數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊、存儲模塊、查詢模塊對信息進(jìn)行處理，如若達(dá)到著火條件，則發(fā)送數(shù)據(jù)至監(jiān)控中心進(jìn)行預(yù)警及報(bào)警；（4）預(yù)警及自動報(bào)警模塊。報(bào)警模塊采用GPS定位技術(shù)和導(dǎo)航技術(shù)，在接收到數(shù)據(jù)處理模塊傳出的指令后，首先進(jìn)行報(bào)警，然后通過GPS定位迅速定位火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System 或 Geo－Information system，GIS）進(jìn)行火勢分析，并規(guī)劃出最佳路線，以便及時(shí)救災(zāi)；（5）火情遏制模塊。該模塊是圍繞建筑物的全方位灑水裝置，當(dāng)接到中心處理模塊的報(bào)警信號后，該模塊會啟動打開灑水器向四周灑水，從而達(dá)到削弱火勢或滅火目的。

1.3 系統(tǒng)具體工作流程

通過對各模塊的分析，可以進(jìn)一步精確到系統(tǒng)具體的工作流程如圖3所示。實(shí)現(xiàn)流程如下：

圖3 系統(tǒng)工作流程圖

（1）由若干立體式傳感器實(shí)時(shí)收集相關(guān)數(shù)據(jù)，并將采集的信息由LoRa無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)將信息匯總傳輸至基站，由基站進(jìn)行初步判斷。若采集到的數(shù)據(jù)達(dá)到或接近設(shè)置的閾值，則發(fā)出預(yù)警信息。

（2）若形成著火條件，則將基站判斷通過的數(shù)據(jù)信息傳輸至監(jiān)控中心。監(jiān)控中心通過DDSMS進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)一步判斷是否形成火災(zāi)。①DDSMS的處理過程。DDSMS由數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊、存儲模塊、查詢模塊構(gòu)成。具體處理流程如圖4所示。服務(wù)器接收到信號后會將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行監(jiān)控、存儲、查詢等處理后，與以往經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。如超出臨界值，則將信息傳送至客戶端發(fā)出報(bào)警信息。當(dāng)有大量數(shù)據(jù)流進(jìn)行傳輸時(shí)，服務(wù)器中的DDSMS可識別智能識別節(jié)點(diǎn)的閑忙程度、距離、路線，然后對節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的采集和處理。②DDSMS的特點(diǎn)。DDSMS可以極大地縮短數(shù)據(jù)處理時(shí)間，提高響應(yīng)速度，有能力應(yīng)對動態(tài)的數(shù)據(jù)流，能形成隨時(shí)間而變化的查詢結(jié)果，它在大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境中不受限制，DDSMS從外部數(shù)據(jù)源獲取數(shù)據(jù)，當(dāng)系統(tǒng)檢測到符合查詢條件的數(shù)據(jù)時(shí)將數(shù)據(jù)返回給用戶。DDSMS是連續(xù)查詢，只要用戶注冊了一個(gè)查詢，并且沒有注銷這個(gè)查詢，那么這個(gè)查詢將持續(xù)有效。DDSMS實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并向用戶實(shí)時(shí)返回查詢結(jié)果。因此，該系統(tǒng)在出現(xiàn)火災(zāi)時(shí)會及時(shí)報(bào)警，簡單方便，無需人員反復(fù)操作。

圖4 DDSMS數(shù)據(jù)處理流程圖

（3）如若形成火災(zāi)，將形成火災(zāi)的數(shù)據(jù)信息傳輸至云端進(jìn)行存儲，同時(shí)進(jìn)行預(yù)警及報(bào)警，利用GPS確定火場周圍界限的經(jīng)緯度，同時(shí)結(jié)合GIS地理信息系統(tǒng)進(jìn)行火勢分析，并自動規(guī)劃出最佳救火路線及方案。

（4）如系統(tǒng)判斷有誤，則將錯(cuò)誤數(shù)據(jù)整理歸類存儲至云端，并作為特例在下次同地區(qū)發(fā)現(xiàn)火情時(shí)與云端存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，通過不斷對以往信息的判斷、歸納、分析、總結(jié)來進(jìn)行數(shù)據(jù)的不斷更新，從而逐步完善系統(tǒng)，確保系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果的可靠性和實(shí)用性。該系統(tǒng)火災(zāi)數(shù)據(jù)的自學(xué)習(xí)模式流程圖如圖5所示。

圖5 火災(zāi)數(shù)據(jù)自學(xué)習(xí)模式流程圖

1.4 系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）WSN 技術(shù)不僅可以彌補(bǔ)當(dāng)下防火技術(shù)的不足，且與采用固定攝像裝置的監(jiān)控技術(shù)相比，成本更低，部署更方便，更節(jié)省數(shù)據(jù)存儲空間；（2）設(shè)置預(yù)警及報(bào)警系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)時(shí)收集到的環(huán)境信息預(yù)測火災(zāi)發(fā)生的可能性，并根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出火災(zāi)發(fā)生可能性的判斷，在誤報(bào)或漏報(bào)的情形下將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至云服務(wù)器進(jìn)行自學(xué)習(xí)，提高了報(bào)警系統(tǒng)的精度；（3）由于系統(tǒng)是根據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的忙閑程度、距離遠(yuǎn)近程度以及線路的擁堵程度來分配任務(wù)，所以各個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)之間是真正獨(dú)立“并行”工作，從而使系統(tǒng)響應(yīng)快；（4）火災(zāi)發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會自動打開火災(zāi)遏制裝置，并向建筑物內(nèi)發(fā)出有指向性的報(bào)警提示，且及時(shí)自動報(bào)警，以減小火災(zāi)造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，并規(guī)劃最佳救火路線。

2 系統(tǒng)測試

2.1 測試環(huán)境構(gòu)建

選擇一座位于空曠地帶的無人居住的木建筑屋，對于建筑物周邊環(huán)境的營造應(yīng)該盡量貼合實(shí)際環(huán)境。有選擇地針對著火條件放置相應(yīng)的傳感器、火情遏制裝置。通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸與監(jiān)控中心之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，保證各模塊正常工作。各模塊之間能夠進(jìn)行必要的通信，發(fā)揮相應(yīng)的聯(lián)動功能。

2.2 測試內(nèi)容

（1）觀察監(jiān)測中心是否能在火情剛剛起勢時(shí)及時(shí)收到傳感器發(fā)出的異常信息，并進(jìn)行火情等級劃分，及時(shí)報(bào)警；（2）觀察監(jiān)控中心報(bào)警后，火情遏制系統(tǒng)是否正常啟動；（3）觀察火情擴(kuò)散至離建筑物較近處時(shí)，GPS定位是否迅速定位火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)，并規(guī)劃出最佳救援路線；（4）測試非火焰因素是否會使系統(tǒng)出現(xiàn)誤判；（5）反復(fù)測試。

2.3 測試結(jié)果

根據(jù)系統(tǒng)做出的反應(yīng)可以判斷該系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行，數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確傳輸。

（1）當(dāng)林區(qū)和周圍建筑物有著火的跡象時(shí)，即可燃?xì)怏w濃度過高，溫度過高等，啟動火情遏制模塊；并將通過傳感器傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后進(jìn)一步判斷火情是否得到控制，若沒有則進(jìn)行下一步；

（2）林區(qū)已經(jīng)發(fā)生火災(zāi)且火勢較大，此時(shí)遏制裝置已經(jīng)不起作用時(shí)，根據(jù)傳感器傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警和自動生成最佳火場救援規(guī)劃路線。

3 結(jié)束語

火情監(jiān)測與控制是林區(qū)防火工作的重要內(nèi)容，同時(shí)也是預(yù)防和控制火災(zāi)至關(guān)重要的一步。本文提出的林區(qū)智能消防系統(tǒng)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多渠道著火點(diǎn)信息的采集，經(jīng)過LoRa無線網(wǎng)絡(luò)傳輸后，由DDSMS結(jié)合火災(zāi)數(shù)據(jù)自學(xué)習(xí)系統(tǒng)對傳回的信息作出及時(shí)準(zhǔn)確的處理。系統(tǒng)測試表明，該系統(tǒng)可穩(wěn)定運(yùn)行，能有效防止火災(zāi)對林區(qū)重點(diǎn)單位的損害，最大程度地預(yù)防火災(zāi)，遏制已發(fā)生的火災(zāi)，從而保護(hù)人員生命安全減少財(cái)產(chǎn)損失。