基于WCDMA和太陽能的森林火災監測系統設計

齊懷琴，田坤峰，李春林

(齊齊哈爾大學 通信與電子工程學院，黑龍江 齊齊哈爾161006)

責任編輯:任健男

火災對森林的破壞性極大，危害極深，造成的經濟損失相當嚴重。它不僅燒毀大量的森林資源，破壞自然環境和生態平衡，而且直接影響工農業生產，嚴重威脅著人民生命財產的安全[1]。森林火災是森林資源的主要災害之一，因此，林火監測在森林保護工作中占有相當重要的地位。但是由于森林面積大、地理位置比較分散、地廣人稀、交通不便、氣候惡劣、布線困難，再加上監測技術不高、監測人員少以及資金不足等原因，通常對林火監測難于及時發現，從而錯過最佳撲救時間。針對上述問題和我國森林的分布情況，提出了一種微功率的無線數據網絡和WCDMA無線網絡相結合，組成并應用于森林火災無線遠程視頻監控系統。為有效解決森林火災監測中存在的火災監測不準確、圖像傳輸不實時、終端傳感器設備供電等問題提供了新思路。

1 森林火災監控系統結構

系統主要由溫濕度傳感器，紅外攝像機，TM1300多媒體數字信號處理芯片，SAA7111和SAA7113視頻編解碼芯片，無線傳輸網絡和遠程監控中心等部分組成。森林火災監控系統的體系結構如圖1所示。

圖1 森林火災監控系統結構圖

溫濕度傳感器和紅外攝像機主要負責終端監測環境的數據采集，模擬視頻信號經由A/D轉換和編碼后，通過無線網絡發送出去。匯聚節點具有一定的數據融合處理能力，同時也是用來連接傳輸網絡和無線傳感器網絡設備。通信網絡包括傳感器網絡、Internet網絡和WCDMA網絡。數據采集處理后的信息經由WCDMA無線傳輸網絡發送到遠程監控中心，終端處理程序對接收到數據進行匯總、分析、判斷、存儲。如果數據超出預設值，發出報警，通知監控中心工作人員采取相應的解決方案。

2 森林火災監控系統硬件設計

林火災監控系統的主要功能就是負責采集森林的溫濕度、煙霧、圖像等環境參數，將采集到數據經過數據處理后，經由無線網絡傳輸到監控中心，監控中心通過數據匯總、分析后做出相應的滅火方案。該森林火災監控系統主要由終端數據采集模塊、數據處理模塊、無線傳輸模塊、數據分析模塊、能量供應模塊以及遠程監控模塊組成。該森林火災監控系統的硬件總體設計方框圖如圖2所示。

圖2 硬件總體設計方框圖

2.1 終端數據采集模塊

該模塊的主要功能就是對森林環境的測量，其中主要包括溫濕度傳感器、煙霧傳感器和紅外攝像機。溫濕度傳感器將采集的物理信號轉換成微弱電信號(電流或電壓)后，經放大電路放大，傳給A/D轉化器，轉換成數字信號。由于森林監測要求終端傳感器具有性能穩定、功耗低、反應快、抗干擾能力強等特性，所以筆者選擇瑞士公司的SHT10溫濕度數字集成傳感器，采用CMOS過程微加工專利技術，具有極高的穩定性和可靠性。其工作電壓2.4～5.5 V，測溫精度為±0.5℃。紅外攝像機采用大恒圖像的DH-IR08，它性能高，靈敏度好，空間分辨率為324×256像素，在-40℃～75℃的工作環境中都能保證極好的圖像動態范圍和均勻性，支持25幀/s(f/s)的PAL制式模擬視頻輸出。

2.2 數據處理模塊

信號處理模塊由PHILIPS公司的TM1300多媒體數字信號處理器結合SAA7113和SAA7121可編程數字視頻解/編碼芯片完成。TM1300[2]工作頻率為166 MHz，支持SIMD和IEEE浮點運算，片上獨立式DMA驅動的多媒體I/O協處理器，減少CPU的負擔。可與外接16 Mbyte和64 Mbyte兩種SDRAM。SAA7113具有4路模擬信號輸入和2路模擬信號處理通道，輸出信號分別兼容NISC制式和PAL。模擬視頻信號經過A/D采樣編碼得到的YUV數據寫入TM1300的視頻輸入模塊的緩存區。SAA7121是具有3路D/A轉換器，完成視頻信號的解碼，從視頻輸出模塊中接入YUV數據，進行D/A轉換，輸出模擬視頻信號。

2.3 太陽能供電模塊

對處在地理位置偏僻、自然環境惡劣、無人值守的復雜野外環境監測終端設備來說，供電問題是必須解決的。采用市電，布線復雜困難，工程量大，成本高，不宜采用;風光互補供電，風力資源不穩定因素太多，系統設計復雜，投資成本較大。因此，決定監測終端使用高性能單晶硅太陽能電池板配合高性能蓄電池進行供電[3-4]。太陽能供電模塊主要由太陽能電池板、充放電控制電路、蓄電池、電源控制電路、負載組成。其中電源控制電路主要為終端負載提供標準電壓。太陽能供電模塊框圖如圖3所示。

圖3 太陽能供電模塊框圖

2.4 無線傳輸模塊

無線收發模塊采用廈門藍斯通信股份有限公司的LZ953C CDMA DTU，支持RS-232和RS-422數據接口，符合CDMA IS-95A/B空中接口，支持虛擬數據專用網，內嵌TCP/IP協議和UIM手機卡，支持AT指令集，基于現有中國聯通的WCDMA網絡，實現遠程無線的數據傳輸。

3 森林火災監控系統軟件設計

3.1 總體設計流程圖

系統軟件采用模塊化編程方式，主要包括數據采集和處理程序、圖像火焰識別程序、視頻編解碼程序、無線收發程序、電源控制程序以及上位機通信程序[5-7]。系統軟件流程圖如圖4所示。

圖4 系統軟件流程圖

3.2 實驗結果

系統實驗是在實驗室進行，客戶端通過中國聯通的WCDMA網絡與連接到中國聯通ASDL的服務器進行通信。終端太陽能供電系統在齊齊哈爾大學與中山大學太陽能聯合實驗室進行試發電。太陽能電池板組件如圖5所示，逆變器轉換如圖6所示，實時功率曲線如圖7所示，某日發電量及環境參數數據截圖如圖8所示，實驗室生火監控的圖像如圖9所示，客戶端上位機軟件接收數據截圖如圖10所示，數據庫調用溫濕度曲線如圖11所示。

從實驗結果可以看到，文中提出的監控系統通過WCDMA網絡實現了實時視頻圖像傳輸，太陽能發電系統發電良好，可以實現為終端設備提供穩定的電能，為下一步綜合設計工作打下了堅實的基礎。

4 結論

本文的創新點在于成功地將3G技術、數據庫技術和太陽能技術應用森林火災遠程視頻監控之中。利用目前中國聯通大范圍覆蓋的WCDMA網絡，將火災情況實時傳輸到監控中心，達到了森林火災監測的目的，解決了地理位置偏僻、交通不便、氣候惡劣的森林監測終端設備的供電問題，具有很大的實用價值和應用前景。

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