智能探測系統在森林火災防范中的應用

孫翠　趙雪玲　孫佳興　馬紹華

摘要：為了實時監測森林的溫度，快速有效地對森林火災進行實時防范，該文設計了基于simpliciT1協議的溫度控制系統，建立了理論模型并對模型進行了仿真驗證，同時采用了實驗驗證的研究方法，利用無線網絡技術，GSM無線通信技術，無線傳感器技術解決了傳統的有線溫度采集對象的確立和數據傳輸距離的問題，通過數據分析及仿真實驗表明，控制系統結構簡單，精確度高，傳輸距離長可以實現森林火災的實施監控。

關鍵詞：溫度；GSM無線通信；無線傳感器；simpliciT1協議；智能探測系統

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）36-0159-04

Abstract： In order to monitor the forest temperature in real time and prevent the forest fire quickly and effectively， this paper designs a temperature control system based on the simpliciT1 protocol， establishes a theoretical model and simulates the model. At the same time， the experimental verification method ， The use of wireless network technology， GSM wireless communication technology， wireless sensor technology to solve the traditional establishment of wired temperature acquisition and data transmission distance problems， data analysis and simulation experiments show that the control system has the advantages of simple structure， high accuracy， transmission distance Long can achieve the implementation of monitoring of forest fires.

Key words： temperature；GSM wireless communication；wireless sensor；simpliciT1 protocol； intelligent detection system

1 概述

近幾年調查數據顯示，我國的森林覆蓋率已經達到了20%左右，森林火災會造成國家資源的嚴重損失，面對大面積的森林，由于傳統的人工防火方式顯得過于簡陋且會消耗大量的人力資源，而且并不能主動實時地監控森林的具體情況。同時，在影響森林火災的環境因子中，溫度的精確監測和穩定控制是防御森林火災的關鍵之處，傳統的溫度系統中采用熱敏電阻，通過設計信號調理電路并經過復雜的校準和標定過程，同時采用的控制器為一個整體模塊無法將某個單一模塊用具有相同功能的其他部件代替，不僅精度低，而且成本高。針對這一情況，采用了智能集成溫度傳感器，將溫度傳感器集成在一個很小的芯片上，可以對溫度進行實時監測。模擬信號的輸出功能采用CC2530芯片，同時，隨著無線傳感器網絡技術的發展，以無線網絡為基礎的溫度控制系統憑借其操作簡單、性能穩定、測量精度高，信息傳遞迅速等諸多優點滿足了森林溫度探測系統智能化，小型化，低功率的發展要求，為森林溫度監控系統的開發提供了新思路。除此之外，溫度系統應用的領域不同，需要監測和控制的對象也是不同的，所以系統的設計會隨著監測對象的不同有著很大的區別。本文選擇秦嶺北麓森林淺山區作為監測環境，利用無線網絡技術，無線網絡通信技術以及溫度傳感器實現對森林小氣候效應監測，設計了組網簡單，具有實時防范作用的無線智能溫度探測系統。

1 溫度探測系統

溫度采集系統由傳感器節點（SN）和測控中心節點（CN）構成，首先，控制系統通過各前端監測節點上的溫度傳感器對森林中各區域的溫度進行數據采集，通過監控模塊和傳感器模塊實現無線傳送溫度因子，然后經過單片機處理后傳感器節點把采集到的溫度數據通過網絡協議傳輸給測控中心節點（CN），CN 通過無線通信串口將接收到的數據傳輸給PC機，并在PC的實時監控平臺上進行數據顯示，分析處理以及保存，從而實現森林溫度的無線智能調控，最后終端用戶通過設計的接口和軟件讀取并查看采集節點的數據信息。系統的結構框架圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

該采集系統的節點采用了CC2530芯片為微處理器，該芯片是TI公司推出的無線射頻單片機，可以實現simpliciT1協議無線網絡的開發，從而設計一個基于simpliciT1的通信協議網絡系統，將組成該網絡系統的傳感器節點分布于秦嶺北麓的各個典型地區，對各地區的溫度進行采集。圖2所示為該系統的傳感器節點組成結構。傳感器節點（SN）主要通過監控模塊與溫度傳感器模塊將采集數據發送給測控中心節點（CN），此時CN通過分析處理判斷是否命令SN作出相應的操作，形成一個反饋系統。同理，CN的工作原理與其類似，在傳感器節點上增加了一個串口通信模塊，本系統采用GSM 通信模塊，其中具有sink 節點（匯聚節點）會對采集來的數據進行再次的加工處理，可以實現數據的長距離傳輸，解決了傳輸距離的問題。針對監控模塊，本系統分為移動式和終端式界面來實現信息的實時接收和精確監測，同時可以實現查看歷史數據信息、數據分析與處理以及數據存儲等，終端式監測因為數據信號在傳輸過程存在一定的衰減，因此在傳輸過程中應增加接力節點對數據進行透明傳輸，實現遠距離數據傳輸的可靠性。并且兩者都可以實現數據信息的監測并通過溫度波形圖顯示各個監測區域的監測信息。

本系統通過可靠的路由協議和智能的部署方法搭建星形網絡拓撲結構，采用模塊化系統結構對秦嶺北麓重要地區進行具有典型代表的數據采集工作，可以在同一時間對森林多點進行溫度的采集，從而使數據更加具有有效性和整體性。

3 系統軟件設計

目前國際上有多種智能溫度傳感器，主要特點即是能輸出溫度數據和相關的溫度的關系量又能為其配置各種微控制器，本系統在硬件的基礎上對軟件做出了進一步的開發。每個測控中心節點具有數據采集與路由功能，為了分辨出數據來自哪個節點，收到的數據是溫度值還是命令字，特設計數據協議.通過比較目的地址與本機地址進行判斷，同時，傳感器節點程序主要由初始化主程序和中斷子程序兩部分構成，在初始化主程序中傳感器通過初始化后建立網絡協議棧，加入網絡并連接成功后將采集的溫度信息發送給測控終端節點進行處理判斷，若超出了限定值測控終端將發送數據幀給PC機，同時給測控中心節點一個反饋信息，從而喚醒傳感器節點將采集到的數據并查詢當前網絡的可用信道發送給測控節點。系統采用網絡協議實現了可靠通信。具體架構圖如圖3所示：

4 溫度智能監控管理系統

溫度智能監控管理系統為實時監控平臺，主要針對實驗室技術人員和系統管理人員，根據智能溫度探測系統項目的規劃，結合渭南秦嶺北麓森林地區實際情況，需要在森林里部署N個智能化森林溫度監控點，采用無線網絡方式將視頻監控圖像及信號傳回監控中心，監控中心需要采用聯網監控管理平臺管理，采用大屏顯示前端監控視頻圖像等信息。智能化的森林溫度監控系統是由前端基站、智能溫度識別處理器、傳輸網絡、后端聯網監控管理平臺構成。為了確定區域環境溫度、壓差指標并執行相應的溫度控制，利用傳感網絡技術對實驗室環境參數等參數實時監測，并將監測信息通過網絡方式傳輸到監控后臺，根據監控系統要求實現實時監測分層分布式結構，系統結構上采用分層分布式設計，縱向分為三層：監控層、網絡通訊層和現場設備層。監控層包括監控計算機、監控管理軟件等；網絡通訊層包括傳感器、測控裝置、管理裝置等無線網絡通信設備；現場設備主要由溫度傳感器和其他控制設備。智能監控管理系統設計框架圖如圖4所示。

5 系統的仿真測試

仿真測試所需設備、儀器和材料如下： 前端溫度采集模塊，節點模塊， 通信模塊，串口連接線，裝有專門編寫設計的VB 溫度監測界面的PC 機一臺，手持式監測終端一個，各模塊的供電電源。

在PC機上， 將傳感器節點接收到的數據描繪成曲線，并顯示當前值。同時可以用SQLServer制作數據庫，可以對歷史數據進行查詢。并且對所采集到的數據系統測試，選擇了夏天溫度變化較大的一天的不同時間段作為測試對象，通過與實際數據進行對比，測試結果如下：

同時針對當前溫度檢測中面臨的檢測點分散、布線困難和實時性差等特點，設計了基于的simpliciT1協議溫濕度檢測系統，不僅可以顯示各測試點的實時溫度，同時通過通信串口將數據上傳到PC機存儲，以便進一步分析處理。系統具有如下優點： 1）無線電波信號傳播特性。對森林環境中無線電波信號傳播特性進行研究，為傳感器節點的布置提供了重要的理論支持。2）節點定位技術。使全網平均每跳距離接近于真實的平均每跳距離，采用了網絡協議的路由選擇提高了定位精度。3）節點能源有效性。在不影響功能的前提下，采用數據融合技術以及空閑節點休眠技術等減少節點的能耗，延長系統。4）傳感器節點研制。根據特殊的森林環境研究性能良好的傳感器節點 并對傳感器節點的類型進行選擇，選用瑞士的溫度集成數字傳感器SHT15，它具有體積小、使用方便靈活、響應迅速、抗干擾能力強、性價比高等優點。

6 溫度數據分析

本系統是以渭南市秦嶺北麓森林地區為采集對象，對秦嶺北麓地區進行了四季中不同時間段的實地采集工作，每個季節時長二周，測試的森林面積達到了1500平方千米，眾所周知，在氣象條件中，空氣濕度是火險天氣中的重要因素。當空氣濕度小于60%時，就有發生森林火災的可能。空氣溫度對森林火災的影響非常大。為了能夠使采集到的數據更具有代表性，本文選取了N個森林溫度測控點中最具有代表性的四個監控點的數據進行分析總結，每隔一個小時進行一次溫度采集，采集的數據經過串口通信模塊并且采用網絡協議傳輸到PC機上，在PC機上， 將從傳感器節點接收到的數據描繪成曲線，并顯示當前值。同時可以用SQLServer制作數據庫，可以對歷史數據進行查詢。

為了研究秦嶺北麓地區在春，夏，秋，冬四季的溫度的相關性以及四季中林內溫度與林外溫度的對比性測試，本文將系統中各個季節所采集到的溫度進行了對應時間點的溫度平均值的計算，從而得到了4個季度中4個代表性的測試點所對應的平均值數據，使其結論更加具有客觀性。

同時為了更加清楚地確定秦嶺北麓地區在4個季度中的變化情況，本文對其對應時間點的溫度平均值進行方差的計算，公式如下：

Yab^2=1/n[（x1-x）^2+（x2-x）^2+（x3-x）^2…（xn-x）^2]

其中a為春夏秋冬四個季節，b為每種季度下四個節點所代表的采集溫度的組號。n為0～23小時，x為每組所對應時間的溫度的平均值，從而計算出方差得到以下表格：

從圖中可以看出在春季溫度的變化趨勢較大，波動性較大，而在冬季溫度的變化程度較為緩慢，較為穩定，從而可以得出需要在春季對森林加強溫度的實時監測，重視火災的預防。

為了能更加形象的觀測出森林的溫度在四季中的變化情況以及與林外溫度的對比情況，以溫度的分析為例，畫出了各節點在特定時間的溫度情況以及林外溫度的折線圖，如圖5，圖6，圖7，圖8所示：

綜合各組別的方差值以及圖中的數據可以看出，

（1） 林中各個地區由于受植被的覆蓋面積，氣流等原因的影響導致溫度值存在一定的差異，當然，森林防護人員如果僅通過一個地區的溫度來判斷整個森林溫度，難免存在很大誤差同時也存在著極大地安全隱患，所以本文對不同地區的不同節點進行了溫度分析從而使數據更加具有準確性。

（2） 林中的溫度日變化成單峰特點，2：00～4：00左右溫度出現最大值，0：00～5：00溫度出現最小值并且變換趨勢緩慢，同時可以從圖中對比出冬季時林中的氣溫全天會比林外高，但是相差不大，而在春季時，白天與夜晚的溫度有較大的差異，同時很明顯可以從圖中看出溫度的最大值出現在夏天，這時對于森林溫度的監測就顯得十分重要。本系統在設計中采用了智能溫度監測且在無人看管的情況下自動運行了四個周期，測試結果表明，該系統的精確度與準確度達到了設計要求。

7 結論

本文中系統是基于無線傳感器網絡，并結合了無線收發和GSM 通信技術，監控技術，系統能解決環境參數的確定，無線傳感器節點的設計，無線路由的確立，優化定位算法，數據傳輸距離等問題，并能在一定程度上實現自動控制。系統能實現溫濕度的實時無線采集和監測，滿足樹形、環形和星行節點拓撲結構，本系統旨在利用無線網絡技術，無線網絡通信技術，以及溫度傳感器實現對森林的溫度進行監測，系統還具有較強的可移植性，只要更換采集節點中的傳感器就能對其他參量的采集監測，主要包括森林邊緣和林內溫度，濕度，以及風速，輻射等要素進行了系統的研究，從而實現從復雜模擬量檢測到現在的數字智能化檢測的系統，滿足溫濕度控制系統發展操作簡單、性能穩定、測量精度高，信息傳遞迅速的特點，實現對森林火災的實時防范。

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