基于GIS和WSNs的森林防火預警系統研究

孫公亮，劉紅日，王　敏，王希予，楊　平

（哈爾濱理工大學榮成學院，山東　威海　264300）

基于GIS和WSNs的森林防火預警系統研究

孫公亮，劉紅日，王敏，王希予，楊平

（哈爾濱理工大學榮成學院，山東威海264300）

摘要：針對田間燒雜草以及墓區燒紙而引發的山火導致的森林火災難以預警的特點，結合了GIS和WSN設計開發了森林防火預警系統.通過由各種傳感器組成的無線傳感器網絡部署在被監控區域，能夠檢測該區域的CO、煙霧的濃度、火焰情況、溫濕度等數據通過GRPS發送到監控端，并實時顯示在屏幕上.能夠幫助管理人員掌握監控地區的森林火災等級，從而做到火災的早期預警.

關鍵詞：GIS；WSNs；森林；防火；預警系統

在北方的農村地區，在春天播種和秋天收割的季節，有在田間燒雜草的習慣，在刮風的時候，經常會引起山火.特別是在清明小長假前后，有到墓區燒紙祭奠親人的習慣，每年都會引起山火.在山區，耕地和墓區和樹林是連在一起或者是相互交錯的，一旦出現山火，極有可能引發森林火災.2014 年5月29日國家4A級名勝風景區、國家級森林公園威海仙姑頂景區由于山火引發了森林火災，火借風勢迅速蔓延，斷續火線一度達7公里左右.為了防止出現這樣的森林火災，有的地區采取了干部駐村，在通向墓區的主要道路上24小時監守的辦法，給駐村干部帶來了很大的生活不便和壓力.對森林火災監測進行需求分析，任何分析都依賴于系統所釆集的實時數據的真實性和準確性.整個森林火險預警系統中非常關鍵的一步便是:如何實時的、可靠的、安全的收集所需要的監測環境的數據信息[1].獲取森林中實時的、可靠的數據信息是系統是否正常工作的基石.針對上述的問題，除了加強村民的文化教育以外，預防工作也是不可缺失的[2].結合當地的實際，設計了基于GIS和WSNs的森林防火預警系統.

建立森林火險預警系統是為了實時了解森林環境中的真實數據信息，通過系統分析數據信息得出森林中可燃物的生長狀態和載量、氣溫變化、風力變化等一系列影響火災的因素，實現對森林火災發生之前的預警及發生火災之后火災蔓延的預測[3].根據火險預警系統結構和火險預警的工作流程，對火險預警系統進行分析設計.

1　整體設計

本系統的功能是通過在森林的入口處（包括墓區）部署無線傳感器網絡的方法，通過Zigbee將數據發送到中轉設備（網關），網關將當前的環境信息發送到監控中心.監控中心通過解析數據，將多個監控區域的環境信息通過GIS顯示在屏幕上.10個傳感器節點分布在以半徑100米的圓形區域內，其中一個節點做為匯集節點專門用來收集各個節點Zigbee發送來的數據，再經過Zigbee發送到網關.該網關設備可以是車載、手持也可以固定在某一個位置上.網關帶有GPS/BDS導航模塊，能夠將監控區域的位置發送到監控中心.

圖1整體結構示意圖

2　傳感器節點的設計

圖2傳感器節點的硬件結構示意圖

傳感器節點的功能是采集當前環境中的溫度、濕度以及和火災相關的CO、CO2濃度、火焰傳感器等信息.這些信息通過Zigbee發送到匯集節點[4].同時也能夠從匯集節點接受命令.該節點部署在野外，且無法集中供電，所以傳感器節點的MCU采用的是TI公司的MSP430F149，低電壓、超低功耗.工作電壓3.6V～1.8V，正常工作模式280μA@1MHz，2.2V，待機模式1.6μA，RAM數據保存的掉電模式下0.1μA.本系統采用的是3.2V紐扣電池供電.本系統對溫度和濕度的要求不是很高，采用的DHT11，它是一款有已校準數字信號輸出的溫濕度傳感器.精度濕度+-5%RH，溫度+-2℃，量程濕度20-90%RH，溫度0～50℃.能夠滿足對環境溫濕度的測定.采用TI公司的CC2530為核心的Zigbee模塊，工作頻率為2.4GHz，使用的協議為Z-Stack?協議棧.傳感器節點的硬件結構示意圖如圖2所示.

在森林火災的初期，可燃物不充分燃燒，會產生大量的CO氣體.MQ-7氣體傳感器用來監測CO，當空氣中的CO濃度超過設定的閾值時，輸出低電平，產生中斷信號，MCU響應中斷信號.煙霧是火災的前兆和伴隨產物.火災作為無組織的燃燒過程，主要特點是不完全燃燒，其外在表現為大量的煙霧的產生.火災初期這一現象尤為明顯和突出，MQ-2煙霧傳感器來檢測空氣中煙霧.[森林火災的自動識別沈陽工業大學]傳感器節點的實物圖如圖3所示.

圖3傳感器節點實物圖

3　網關設計

監控中心除了關心森林中的信息以外，還關心當前所監測森林的位置信息、風向、風速等氣象因素.所以網關的作用除了接收監測節點發送的數據通過GPRS發送到服務器以外，還具有定位當前監控位置的經緯度、當前的風向和風速信息，并將這些信息通過GPRS發送到服務器；同時還可以保存監測節點所發的信息，森林的位置信息使用的GPS模塊為和芯星通公司的UM220-III北斗/GPS雙系統導航/授時模塊，除了能夠進行精確定位以外，還可以進行精確的授時.所采集的信息通過GPRS傳輸到公網固定IP的端口上，再經過端口映射發送到內網指定IP的端口上.中轉設備系統采用Cortex-A8（ARM開發板）平臺，移植Linux操作系統，并在系統開發應用程序.網關的實物圖如圖4所示.

圖4網關實物圖

4　監控端軟件設計

監控端軟件由兩部分組成.第一部分為數據接收（服務器），系統開機以后自啟動.考慮到森林防火節點比較多的情況，使用多線程編程技術實現.主線程通過Socket編程，偵聽并接收GPRS發送到固定端口的數據；子線程對主線程收到的數據進行處理以后插入到數據庫中.第二部分為數據顯示，包括構建溫度折線圖（使用ZedGraph第三方控件）和地圖構建，使用百度地圖的JavaScriptAPI進行GIS系統開發[ ].當傳感器節點檢測得數據超標后，監控終端要對相對人員進行防火預警.

該部分提供的功能有：

（1）數據顯示：顯示各節點溫度，經緯度，CO2與CO濃度，火焰大小.

（2）圖形顯示：溫度折線圖，地圖經緯度定位數據顯示.

（3）業務處理：對接收數據進行檢驗，對超出合理范圍數據進行報警（彈出提示框），數據按年月日查詢等.

軟件使用截圖如圖5所示.

圖5軟件使用截圖

5　測試與總結

本系統在使用三個無線傳感器節點的條件下進行了實地測試，CO2、火焰以及煙霧傳感器能夠及時檢測到數據，并將數據發送到GIS服務器端，能夠滿足基本的要求.未來將圍繞著采集的數據進行信息融合，同時對火災預警等級進行量化，方便使用.

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參考文獻：

〔1〕李祥林，包理群，李穎.森林火災遠程監測及移動預警系統[J].計算機應用與軟件，2012，29(4)：159-162.

〔2〕正綱，李寧，張明敏.山火對湖南電網運行影響及應對措施[J].湖南電力2012，32(1)：33-35.

〔3〕狄麗穎，孫仁義.中國森林火災研究綜述[J].災害學，2007，22（4）：118-122.

〔4〕狄飛，張莉君.基于ZigBee無線傳感器網絡的森林環境監測系統[J].福建農林大學學報(自然科學版)，2011(04).

〔5〕百度LBS開放平臺：http：//developer.baidu.com/map/library.htm.

中圖分類號：P208；S762.3

文獻標識碼：A

文章編號：1673-260X（2015）07-0203-02