設(shè)計(jì)實(shí)例：森林火災(zāi)實(shí)時監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)

一、項(xiàng)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(jīng)濟(jì)建設(shè)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(chǔ)，它不僅能夠?yàn)樯a(chǎn)和生活提供多種寶貴的木材和原材料，能夠?yàn)槿祟惤?jīng)濟(jì)生活提供多種食品，更重要的是森林能夠調(diào)節(jié)氣候、保持水土、防止和減輕旱澇、風(fēng)沙、冰雹等自然災(zāi)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(zāi)的致命侵害，嚴(yán)重威脅和損害森林生態(tài)和人類生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，研究森林的火災(zāi)特征并提供相應(yīng)的防治與控制技術(shù)，為其設(shè)計(jì)合理的火災(zāi)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(zāi)監(jiān)測、撲救、火險預(yù)測等防火技術(shù)存在實(shí)時監(jiān)測難、數(shù)據(jù)分散、通信不方便、應(yīng)急反應(yīng)慢、不易歸檔統(tǒng)計(jì)、評估預(yù)測無可比性等諸多缺憾。作為與地理信息密切相關(guān)的森林防火，本文采用無線傳感和以太網(wǎng)技術(shù)，可以大為提高森林防火的監(jiān)測、預(yù)測、分析、統(tǒng)計(jì)、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(zāi)的損失，保護(hù)森林生態(tài)資源和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動機(jī)

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(hù)者。它不僅可以生產(chǎn)木材及其它林副產(chǎn)品，供人類從事生產(chǎn)和生活需要，成為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)不可缺少的物質(zhì)基礎(chǔ)，而且又是維持生態(tài)系統(tǒng)平衡，保護(hù)和美化環(huán)境，有利于農(nóng)、牧、副等生產(chǎn)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(zāi)時有發(fā)生。 森林火災(zāi)是破壞森林資源安全、威脅人類生存環(huán)境最為嚴(yán)重的災(zāi)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(zāi)有加劇上升的趨勢,預(yù)防和監(jiān)測森林火災(zāi)已成為世界各國森林防火部門的一個重要研究熱點(diǎn)。

森林火災(zāi)是指失去人為控制，在林地內(nèi)自由蔓延和擴(kuò)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(zāi)是一種突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、處置救助較為困難，造成的經(jīng)濟(jì)損失相當(dāng)嚴(yán)重的自然災(zāi)害。我國國土遼闊、地形復(fù)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(zāi)頻發(fā)，成為一個森林火災(zāi)多發(fā)的國家。

森林火災(zāi)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(dāng)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(diǎn)，和氣象因子有直接密切的關(guān)系。如果能采取積極有效措施，對重點(diǎn)林區(qū)的環(huán)境因子做到實(shí)時、準(zhǔn)確地探測感知，無疑將極大地提高火險預(yù)知、報警的主動性和準(zhǔn)確性。因此，預(yù)防和監(jiān)測森林火災(zāi)技術(shù)的選擇顯得尤為重要。

傳統(tǒng)的森林火災(zāi)監(jiān)測、撲救、火險預(yù)測等防火技術(shù)存在實(shí)時監(jiān)測難、數(shù)據(jù)分散、通信不方便、應(yīng)急反應(yīng)慢、不易歸檔統(tǒng)計(jì)、評估預(yù)測無可比性等諸多缺憾?；趥鹘y(tǒng)森林火災(zāi)監(jiān)測方法存在的不足, 本文將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)引入到森林火災(zāi)監(jiān)測中來,構(gòu)建了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)時監(jiān)測有關(guān)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(jī),對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(chǔ)數(shù)據(jù)相比較,判斷是否具有林火發(fā)生的危險,為有關(guān)部門采取相應(yīng)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(shè)計(jì)的森林防火報警系統(tǒng)主要由總控系統(tǒng)、傳輸節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)組成?？偪叵到y(tǒng)與監(jiān)測節(jié)點(diǎn)都采用AVR32 AT32UC3A單片機(jī)作為主控制芯片。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)在AVR32 AT32UC3A單片機(jī)控制下采集溫度傳感器及煙霧傳感器的信息，每個節(jié)點(diǎn)通過Zigbee模塊將采集的信息傳送至傳輸節(jié)點(diǎn)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(wǎng)絡(luò)發(fā)送至總控系統(tǒng)?？偪叵到y(tǒng)用于接收GPRS網(wǎng)絡(luò)傳來的各節(jié)點(diǎn)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(shí)時發(fā)送給相關(guān)人員。其系統(tǒng)架構(gòu)如下圖所示：

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 性能要求

1、監(jiān)測結(jié)點(diǎn)每五分鐘發(fā)送一次信號；

2、當(dāng)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(diǎn)的Zigbee模塊傳送至傳輸節(jié)點(diǎn)，再由傳輸節(jié)點(diǎn)通過GPRS模塊將信息傳送至總控系統(tǒng)。

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

（1）監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)是組成無線傳感監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的基本單位,是構(gòu)成無線傳感監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)平臺。 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)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(fù)責(zé)采集監(jiān)測點(diǎn)的煙霧濃度、溫度參數(shù)。無線通訊模塊負(fù)責(zé)與傳輸節(jié)點(diǎn)的GPRS模塊進(jìn)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(diǎn)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(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)的驅(qū)動,是決定網(wǎng)絡(luò)生存期的關(guān)鍵因素。

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的硬件組成包括一個AVR32 AT32UC3A單片機(jī)，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(jié)構(gòu)圖如下所示：

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

（2）總控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)

總控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對通過無線通訊接收的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行處理并做相應(yīng)的反應(yīng)（聲光報警、LCD顯示、通過GSM發(fā)送手機(jī)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(fù)責(zé)控制監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的操作,存儲和處理監(jiān)測節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的二進(jìn)制數(shù)據(jù)信息（經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的信息）,無線通訊模塊負(fù)責(zé)與監(jiān)測節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊,接收數(shù)據(jù)。報警模塊負(fù)責(zé)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(fù)責(zé)顯示煙霧濃度及溫度等數(shù)據(jù)信息。GSM模塊主要負(fù)責(zé)收到不安全信息后向相關(guān)人員發(fā)送手機(jī)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(fù)責(zé)系統(tǒng)的驅(qū)動。

總控系統(tǒng)的硬件組成包括一個AVR32 AT32UC3A單片機(jī)，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(zhuǎn)換器等。其硬件結(jié)構(gòu)圖如下所示：

總控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 硬件平臺選用及資源配置

1、傳感器節(jié)點(diǎn)：核心芯片采用ATMEL公司AVR32 AT32UC3A單片機(jī)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(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)：網(wǎng)關(guān)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(wǎng)關(guān)的中央處理單元主要用來處理從傳感器節(jié)點(diǎn)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(jī)。網(wǎng)關(guān)配有與傳感器節(jié)點(diǎn)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(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)配有GSM通信單元，可以相關(guān)人員通過GSM手機(jī)終端來觀察分析數(shù)據(jù)。

3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

軟件系統(tǒng)大體可分為兩大部分，一部分為監(jiān)測節(jié)點(diǎn)模塊，另一部分為總控系統(tǒng)模塊。在節(jié)點(diǎn)模塊中，上電復(fù)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(diǎn)。在總控模塊中，上電復(fù)位后，進(jìn)行初始化接收無線網(wǎng)絡(luò)傳過來的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)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(guān)人員發(fā)送手機(jī)信號，以使其采取相應(yīng)措施。

其中，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)模塊的軟件架構(gòu)圖如下所示：

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)軟件架構(gòu)圖

總控系統(tǒng)的軟件構(gòu)架如下所示：

總控節(jié)點(diǎn)軟件架構(gòu)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(diǎn)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(diǎn)軟件流程：

流程圖如下所示：

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)流程圖

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)軟件部分簡介：開始程序，接通電源后先上電復(fù)位，然后對使用的溫度以及煙霧傳感器進(jìn)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(diǎn)的Zigbee模塊傳送至傳輸節(jié)點(diǎn)，然后傳輸節(jié)點(diǎn)會將接收到的信息通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳送至總控系統(tǒng)。為了不對下次采樣數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，Zigbee將采樣數(shù)據(jù)傳送至傳輸節(jié)點(diǎn)后，要對傳感器進(jìn)行初始化，進(jìn)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(fù)位，對單片機(jī)進(jìn)行初始化。然后通過無線網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行處理，接著對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)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(chǎn)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(yīng)的護(hù)林人員發(fā)送消息通知其某節(jié)點(diǎn)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(jìn)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(jī)進(jìn)行初始化，進(jìn)行下一次的接收信息。

3.4 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

對于網(wǎng)絡(luò)覆蓋到的各個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，采用溫度和煙霧傳感器，實(shí)時監(jiān)測各個節(jié)點(diǎn)的溫度和煙霧濃度。每個監(jiān)測點(diǎn)定時發(fā)送監(jiān)測范圍內(nèi)的溫度及煙霧濃度參數(shù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)傳送來的相關(guān)信息通過LCD顯示出來，通過A/D轉(zhuǎn)換器對采集到的信息進(jìn)行分析處理。當(dāng)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(yīng)的發(fā)出聲光報警，同時總控系統(tǒng)通知相關(guān)林業(yè)負(fù)責(zé)人員采取相關(guān)行動。否則不發(fā)出報警。

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