設計實例：森林火災實時監(jiān)測與預警系統(tǒng)

一、項目概述

1.1 引言

森林是人類生存和可持續(xù)發(fā)展的寶貴資源，在國家經濟建設和可持續(xù)發(fā)展中具有不可替代的地位和作用。森林資源是地球上重要的資源之一，是生物多樣化的基礎，它不僅能夠為生產和生活提供多種寶貴的木材和原材料，能夠為人類經濟生活提供多種食品，更重要的是森林能夠調節(jié)氣候、保持水土、防止和減輕旱澇、風沙、冰雹等自然災害；還有凈化空氣、消除噪音等功能。但往往出于人為因素和自然因素的影響，使森林資源飽受森林火災的致命侵害，嚴重威脅和損害森林生態(tài)和人類生命財產安全。因此，研究森林的火災特征并提供相應的防治與控制技術，為其設計合理的火災自動監(jiān)控報警系統(tǒng)及滅火系統(tǒng)是十分必要，而且刻不容緩的。傳統(tǒng)的森林火災監(jiān)測、撲救、火險預測等防火技術存在實時監(jiān)測難、數(shù)據(jù)分散、通信不方便、應急反應慢、不易歸檔統(tǒng)計、評估預測無可比性等諸多缺憾。作為與地理信息密切相關的森林防火，本文采用無線傳感和以太網技術，可以大為提高森林防火的監(jiān)測、預測、分析、統(tǒng)計、決策水平，從而防患于未燃，發(fā)現(xiàn)于小火，及時撲救，最大限度地減少森林火災的損失，保護森林生態(tài)資源和人民生命財產安全。

1.2 項目背景/選題動機

森林是人類賴以生存及社會發(fā)展最重要和不可缺少的資源之一,更是地球生態(tài)平衡的保護者。它不僅可以生產木材及其它林副產品，供人類從事生產和生活需要，成為國民經濟建設不可缺少的物質基礎，而且又是維持生態(tài)系統(tǒng)平衡，保護和美化環(huán)境，有利于農、牧、副等生產事業(yè)，造福于人類的一種偉大的力量。但是,由于人們在社會活動中的某些失控及異常自然因素影響等原因,森林火災時有發(fā)生。 森林火災是破壞森林資源安全、威脅人類生存環(huán)境最為嚴重的災害之一。近些年隨著氣候變動、人為活動等因素的影響,森林火災有加劇上升的趨勢,預防和監(jiān)測森林火災已成為世界各國森林防火部門的一個重要研究熱點。

森林火災是指失去人為控制，在林地內自由蔓延和擴展，并對森林、生態(tài)系統(tǒng)和人類帶來一定危害和損失的林火行為。森林火災是一種突發(fā)性強、破壞性大、處置救助較為困難，造成的經濟損失相當嚴重的自然災害。我國國土遼闊、地形復雜多樣，各地氣候千差萬別，同時人口眾多，人口分布廣泛，造成了森林火災頻發(fā)，成為一個森林火災多發(fā)的國家。

森林火災的發(fā)生，絕不是偶然。從氣候角度考察，它們都有一個孕育的過程，即只有當環(huán)境溫度、相對濕度、降水量積累到一定閾值，才可能引發(fā)林火。這些條件因素具有明顯的地域性和季節(jié)性特點，和氣象因子有直接密切的關系。如果能采取積極有效措施，對重點林區(qū)的環(huán)境因子做到實時、準確地探測感知，無疑將極大地提高火險預知、報警的主動性和準確性。因此，預防和監(jiān)測森林火災技術的選擇顯得尤為重要。

傳統(tǒng)的森林火災監(jiān)測、撲救、火險預測等防火技術存在實時監(jiān)測難、數(shù)據(jù)分散、通信不方便、應急反應慢、不易歸檔統(tǒng)計、評估預測無可比性等諸多缺憾?；趥鹘y(tǒng)森林火災監(jiān)測方法存在的不足, 本文將無線傳感器網絡技術和以太網技術引入到森林火災監(jiān)測中來,構建了基于無線傳感器網絡的森林火災監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實時監(jiān)測有關被測參數(shù)(例如溫度、煙霧濃度等) 并發(fā)送給監(jiān)控中心的PC機,對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理,并與正常的氣象數(shù)據(jù)以及該地區(qū)森林資源基礎數(shù)據(jù)相比較,判斷是否具有林火發(fā)生的危險,為有關部門采取相應的防火或滅火措施提供決策依據(jù)。

二、需求分析

2.1 功能要求

本次設計的森林防火報警系統(tǒng)主要由總控系統(tǒng)、傳輸節(jié)點和監(jiān)測節(jié)點系統(tǒng)組成?？偪叵到y(tǒng)與監(jiān)測節(jié)點都采用AVR32 AT32UC3A單片機作為主控制芯片。監(jiān)測節(jié)點在AVR32 AT32UC3A單片機控制下采集溫度傳感器及煙霧傳感器的信息，每個節(jié)點通過Zigbee模塊將采集的信息傳送至傳輸節(jié)點的GPRS模塊，然后GPRS模塊再將各個Zigbee模塊傳送來的信息通過GPRS無線網絡發(fā)送至總控系統(tǒng)。總控系統(tǒng)用于接收GPRS網絡傳來的各節(jié)點信息，通過分析處理數(shù)據(jù)，監(jiān)控林火情況并能完成聲光報警，此外還能通過GSM模塊以短信方式將報警信息實時發(fā)送給相關人員。其系統(tǒng)架構如下圖所示：

圖1 系統(tǒng)架構

2.2 性能要求

1、監(jiān)測結點每五分鐘發(fā)送一次信號；

2、當溫度超過一定值且煙霧濃度超過上限值通過監(jiān)測節(jié)點的Zigbee模塊傳送至傳輸節(jié)點，再由傳輸節(jié)點通過GPRS模塊將信息傳送至總控系統(tǒng)。

三、方案設計

3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理

（1）監(jiān)測節(jié)點硬件系統(tǒng)

監(jiān)測節(jié)點是組成無線傳感監(jiān)測網絡的基本單位,是構成無線傳感監(jiān)測網絡的基礎平臺。 監(jiān)測節(jié)點由傳感器模塊、無線通訊模塊和電源模塊四部分組成。其中傳感器模塊主要包含溫度傳感器和煙霧濃度傳感器，溫度傳感器由大賽所用開發(fā)平臺EVK1105提供，而煙霧濃度傳感器由自己配備，負責采集監(jiān)測點的煙霧濃度、溫度參數(shù)。無線通訊模塊負責與傳輸節(jié)點的GPRS模塊進行無線通訊,將傳感器所采集的數(shù)據(jù)信息利用Zigbee協(xié)議傳送給傳輸節(jié)點的GPRS模塊。電源部分主要給傳感器模塊、無線通訊模塊供電 ,負責節(jié)點的驅動,是決定網絡生存期的關鍵因素。

監(jiān)測節(jié)點的硬件組成包括一個AVR32 AT32UC3A單片機，EVK1105中的溫度傳感器部分，自備的煙霧濃度傳感器，無線編碼和發(fā)送器(Zigbee模塊)等。其硬件結構圖如下所示：

監(jiān)測節(jié)點硬件結構圖

（2）總控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)

總控系統(tǒng)主要負責對通過無線通訊接收的數(shù)據(jù)信號進行處理并做相應的反應（聲光報警、LCD顯示、通過GSM發(fā)送手機信號等）。主要由處理模塊、無線通訊模塊、GSM模塊、顯示模塊、報警模塊和電源模塊六部分組成。處理器模塊負責控制監(jiān)測節(jié)點的操作,存儲和處理監(jiān)測節(jié)點發(fā)送來的二進制數(shù)據(jù)信息（經A/D轉換器轉換的信息）,無線通訊模塊負責與監(jiān)測節(jié)點進行通訊,接收數(shù)據(jù)。報警模塊負責接收到不安全信息后亮紅燈并鳴笛報警，而接收到安全信息時亮綠燈。LCD顯示模塊主要負責顯示煙霧濃度及溫度等數(shù)據(jù)信息。GSM模塊主要負責收到不安全信息后向相關人員發(fā)送手機信號提示救援。電源部分主要給處理模塊、無線通訊模塊、GSM模塊、顯示模塊、報警模塊和電源模塊供電 ,負責系統(tǒng)的驅動。

總控系統(tǒng)的硬件組成包括一個AVR32 AT32UC3A單片機，EVK1105中的LCD顯示部分，無線解碼和接收器(接收GPRS模塊的無線信號)，無線編碼和發(fā)送器（GSM模塊），蜂鳴器，LED紅色、綠色各一個，A/D轉換器等。其硬件結構圖如下所示：

總控系統(tǒng)硬件結構圖

3.2 硬件平臺選用及資源配置

1、傳感器節(jié)點：核心芯片采用ATMEL公司AVR32 AT32UC3A單片機作為主控制芯片。工作電壓1.65V~3.6V，功耗低。傳感器采用EVK1105配套的溫度傳感器和自配煙霧傳感器。

2、網關設計：網關的硬件部分主要由中央處理單元、存儲單元、射頻收發(fā)模塊和GSM通信模塊組成。網關的中央處理單元主要用來處理從傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)以及完成一些控制功能。中央處理單元的主要器件是ATMEL公司AVR32 AT32UC3A單片機。網關配有與傳感器節(jié)點相同的RF收發(fā)模塊，用于接收它們發(fā)送的數(shù)據(jù)。為確保信息傳送到檢測網絡，網關配有GSM通信單元，可以相關人員通過GSM手機終端來觀察分析數(shù)據(jù)。

3.3系統(tǒng)軟件架構

軟件系統(tǒng)大體可分為兩大部分，一部分為監(jiān)測節(jié)點模塊，另一部分為總控系統(tǒng)模塊。在節(jié)點模塊中，上電復位后，首先要初始化傳感器，然后傳感器采集溫度、煙霧等環(huán)境信息，并通過無線發(fā)送器將信息發(fā)送給傳輸節(jié)點。在總控模塊中，上電復位后，進行初始化接收無線網絡傳過來的節(jié)點數(shù)據(jù)，進行處理，判斷是否為安全信息，如果是安全信息亮綠燈，如果為非安全信息則發(fā)出警報聲同時亮紅燈，利用GMS模塊向相關人員發(fā)送手機信號，以使其采取相應措施。

其中，監(jiān)測節(jié)點模塊的軟件架構圖如下所示：

監(jiān)測節(jié)點軟件架構圖

總控系統(tǒng)的軟件構架如下所示：

總控節(jié)點軟件架構圖

3.4 系統(tǒng)軟件流程

整個系統(tǒng)共分為兩個大的模塊：監(jiān)測點系統(tǒng)模塊和總控系統(tǒng)模塊。其各自的流程圖如下所示：

（1）監(jiān)測節(jié)點軟件流程：

流程圖如下所示：

監(jiān)測節(jié)點流程圖

監(jiān)測節(jié)點軟件部分簡介：開始程序，接通電源后先上電復位，然后對使用的溫度以及煙霧傳感器進行初始化，利用傳感器采集溫度以及煙霧信息，然后將采集的信息通過每個節(jié)點的Zigbee模塊傳送至傳輸節(jié)點，然后傳輸節(jié)點會將接收到的信息通過GPRS無線網絡傳送至總控系統(tǒng)。為了不對下次采樣數(shù)據(jù)產生影響，Zigbee將采樣數(shù)據(jù)傳送至傳輸節(jié)點后，要對傳感器進行初始化，進行下一次的采集信息。

（2）總控系統(tǒng)軟件流程：

流程圖如下所示：

總控系統(tǒng)流程圖

總控系統(tǒng)軟件部分簡介：開始程序，接通電源后先上電復位，對單片機進行初始化。然后通過無線網絡接收GPRS模塊傳送來的采樣信息，總控系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)處理模塊對接收到的采樣數(shù)據(jù)進行處理，接著對處理后的數(shù)據(jù)進行分析判斷。如果是安全信息，總控系統(tǒng)會通過聲光報警系統(tǒng)只亮綠光不發(fā)出警報聲；如果是不安全的信息，聲光系統(tǒng)就會亮紅燈同時產生警報聲，同時總控系統(tǒng)會控制GSM模塊，通過GSM模塊向相應的護林人員發(fā)送消息通知其某節(jié)點存在的潛在的危險。再接著，通過LCD模塊對處理后數(shù)據(jù)進行顯示。為了接收下一次的采樣數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示后要對重新對單片機進行初始化，進行下一次的接收信息。

3.4 系統(tǒng)預計實現(xiàn)結果

對于網絡覆蓋到的各個監(jiān)測節(jié)點，采用溫度和煙霧傳感器，實時監(jiān)測各個節(jié)點的溫度和煙霧濃度。每個監(jiān)測點定時發(fā)送監(jiān)測范圍內的溫度及煙霧濃度參數(shù)，通過無線網絡將采集到的數(shù)據(jù)信息傳送到總控系統(tǒng)?？偪叵到y(tǒng)將無線網絡傳送來的相關信息通過LCD顯示出來，通過A/D轉換器對采集到的信息進行分析處理。當處理后的數(shù)據(jù)元素值超過自然條件下的正常波動范圍時，就相應的發(fā)出聲光報警，同時總控系統(tǒng)通知相關林業(yè)負責人員采取相關行動。否則不發(fā)出報警。

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