森林火災(zāi)監(jiān)測無線通訊系統(tǒng)研究

周 勇

（南京森林警察學(xué)院，江蘇 南京 210000）

千百年來，人類一直以森林為主要的生活、生產(chǎn)資源。但是，人類在日常生產(chǎn)生活中的一些失誤和許多自然因素等，使得森林火災(zāi)時有發(fā)生，因此對生態(tài)環(huán)境及人類的生產(chǎn)生活帶來了不可磨滅的危害。我國地域類型多樣，各地氣候復(fù)雜，森林分布各異，各省各市的經(jīng)濟水平參差不齊，發(fā)生森林火災(zāi)地區(qū)的社會環(huán)境、經(jīng)濟環(huán)境等不同，使得我國總體的森林防火工作難度較大，尤其是各種珍稀動植物保護(hù)區(qū)內(nèi)的森林防火工作更是難上加難。因此，需要對森林生態(tài)狀況進(jìn)行實時、準(zhǔn)確的監(jiān)測預(yù)警，為森林火災(zāi)的預(yù)防、撲滅提供基礎(chǔ)依據(jù)［1］。

近年來，全球定位系統(tǒng)（GPS）、計算機技術(shù)、地理信息系統(tǒng)（GIS）、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)和遙感（RS）技術(shù)等發(fā)展迅速［2］，但是這些技術(shù)在森林防火中的應(yīng)用不夠廣泛。因此，本文提出了運用無線感應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)來加強森林火災(zāi)的監(jiān)測、預(yù)警等。

1 系統(tǒng)設(shè)計

森林火災(zāi)監(jiān)測無線通訊系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)既包含監(jiān)控中心的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，也包括林區(qū)監(jiān)測現(xiàn)場采集回來的數(shù)據(jù)。在林區(qū)監(jiān)測區(qū)內(nèi)所放置的傳感器可以將其所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳到一個中間介質(zhì)內(nèi)，中間介質(zhì)可以接收到監(jiān)測林區(qū)環(huán)境內(nèi)的溫度情況、濕度情況及煙霧情況。這個中間介質(zhì)就是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)點，監(jiān)測林區(qū)內(nèi)的傳感器節(jié)點通過無線系統(tǒng)將監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)所采集到的數(shù)據(jù)傳送到中轉(zhuǎn)基站，中轉(zhuǎn)基站再將所接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并逐步跳躍轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)過多次跳躍轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)中間介質(zhì)也就是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)點，進(jìn)而傳達(dá)到終端監(jiān)控主機，從網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)點融合數(shù)據(jù)傳到終端是使用Internet所傳送的［3］。由此可知，終端監(jiān)控主機、Internet網(wǎng)絡(luò)和無線監(jiān)測傳感系統(tǒng)構(gòu)成了森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)。

森林火災(zāi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測體系中間包括無數(shù)個監(jiān)測子系統(tǒng)，一層一層向上傳遞整合數(shù)據(jù)信息，像一張大網(wǎng)，將整個林區(qū)全部包括在內(nèi)，重復(fù)覆蓋監(jiān)測，大大提高了森林火災(zāi)監(jiān)測無線通訊系統(tǒng)的效率，讓火災(zāi)信息第一時間傳達(dá)到終端監(jiān)控主機，為撲救火災(zāi)盡可能多地爭取時間。其中在終端接收到的信息，就是在監(jiān)測林區(qū)內(nèi)發(fā)生火災(zāi)的位置、時間甚至是火災(zāi)此時的嚴(yán)重程度，以便于了解火災(zāi)發(fā)生情況。終端監(jiān)控主機通過軟件分析、處理數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，獲取各區(qū)域森林的環(huán)境信息，這樣就可以根據(jù)火災(zāi)情況判斷需要調(diào)派多少人員去滅火，需要何種撲火裝備以及預(yù)測火災(zāi)繼續(xù)下去有可能引發(fā)的不良后果和影響，這也是設(shè)計森林火災(zāi)監(jiān)測無線通訊系統(tǒng)的意義所在。而且該系統(tǒng)不僅可以保護(hù)森林資源，而且可以更加高效方便地減少財產(chǎn)經(jīng)濟。另外，系統(tǒng)設(shè)計需要考慮成本問題，如耗電量、網(wǎng)絡(luò)功耗、硬件成本、森林環(huán)境等，如何降低成本并保證所有地區(qū)均能監(jiān)測到是系統(tǒng)設(shè)計需考慮的問題之一［4］。

2 系統(tǒng)工作原理及優(yōu)點

2.1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)主要基于3S技術(shù)、傳感技術(shù)及無線通訊技術(shù)來完成所做的工作。首先要對部署監(jiān)測的林區(qū)進(jìn)行規(guī)劃，按照當(dāng)?shù)氐臍夂?、森林種類甚至郁密度、林地面積等情況，將林區(qū)化為幾個小的林地。然后，在被劃分后的林地中安放傳感裝置，通過無線傳感器收集溫度、濕度、亮度、大氣壓和煙霧等數(shù)據(jù)，之后將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，利用無線通訊系統(tǒng)按照監(jiān)測的時間和監(jiān)測的地點進(jìn)行上報，將數(shù)據(jù)傳輸給當(dāng)?shù)氐臄?shù)據(jù)匯總服務(wù)器中心，實現(xiàn)對森林存在的火災(zāi)隱患進(jìn)行動態(tài)分析，幫助當(dāng)?shù)氐姆阑疝k更有效地確定林火等級信息，進(jìn)而保證更快速地分配任務(wù)、調(diào)動資源、制訂滅火方案。

2.2 系統(tǒng)優(yōu)點

2.2.1 穩(wěn)定性。由于使用無線傳感器都是獨立的個體，大大減少了電路的互相干擾，進(jìn)而保證每個節(jié)點可以準(zhǔn)確穩(wěn)定地傳輸數(shù)據(jù)［5］。

2.2.2 安全性。這種傳感器設(shè)計較小，難以被發(fā)現(xiàn)，很難遭到破壞。并且由于體積較小，可以很方便地找到安裝位置，無論是多石頭的山地，還是灌木林較多的單純林，甚至于北方的大喬木林，均可以進(jìn)行設(shè)置監(jiān)測。

2.2.3 環(huán)保，低成本。在比較大的林區(qū)或者林場內(nèi)很難經(jīng)常更換設(shè)備配件或電源，并且現(xiàn)在都講究低廉環(huán)保。因此，盡可能降低傳感器的功耗，使用太陽能之類的循環(huán)電力系統(tǒng)，大大減少了一次性電池在林地中所帶來的電池污染。

2.2.4 創(chuàng)新性。目前，林火監(jiān)測常用的手段包括飛機林火監(jiān)測、視頻林火監(jiān)測、衛(wèi)星遙感林火監(jiān)測及人工地面巡護(hù)林火監(jiān)測。而這些林火監(jiān)測技術(shù)在國內(nèi)森林防火監(jiān)測中存在同時應(yīng)用現(xiàn)象，造成多種資源的浪費，并且還會使林火監(jiān)測信息無形中被擴大，從而導(dǎo)致了被監(jiān)測林區(qū)的數(shù)據(jù)處理效率降低。利用這種監(jiān)測系統(tǒng)，可以使多種監(jiān)測方法形成綜合網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而找到很難監(jiān)控的盲區(qū)及重點監(jiān)測區(qū)域，然后有針對性地對盲區(qū)及重點監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測布控，建立傳感器網(wǎng)絡(luò)，再綜合處理收到的數(shù)據(jù)得出監(jiān)測地的實時信息［6］。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到某一危險指標(biāo)或火災(zāi)臨界值時，將數(shù)據(jù)以手機短信的形式發(fā)送給防火工作人員及林場工作人員。并且可以以手機軟件的形式建立林內(nèi)地圖，每當(dāng)有森林火災(zāi)發(fā)生時發(fā)出火災(zāi)預(yù)警信號和林內(nèi)地理坐標(biāo)，就可以準(zhǔn)確得到火災(zāi)發(fā)生位置。

3 系統(tǒng)評述

這種新型的監(jiān)測系統(tǒng)在林火監(jiān)測的效率、成本及技術(shù)的創(chuàng)新等方面均已超過過去的林火監(jiān)測方式，并且可以更真實、更準(zhǔn)確地對森林火災(zāi)進(jìn)行實時監(jiān)測、火災(zāi)統(tǒng)計、救援分析、空間分析和預(yù)警預(yù)測等。雖然新型的監(jiān)測系統(tǒng)可以從多方面、多角度進(jìn)行監(jiān)測、預(yù)報、統(tǒng)計、分析［7］，但在森林發(fā)生火災(zāi)后的損失評估上并不能起到太大的作用。無論是森林火災(zāi)的直接損失、間接損失，還是生態(tài)損失、人員傷亡損失，甚至于被燒毀林木的損失及土壤等信息，都不能進(jìn)行有效的測試。

4 結(jié)語

近年來，環(huán)境問題是最熱門的話題，保護(hù)環(huán)境已是全球各國的首要任務(wù)。而森林作為生態(tài)環(huán)境的第一載體，森林資源的重要性、森林火災(zāi)的多發(fā)性和破壞性以及我國森林資源匱乏的現(xiàn)狀，決定了森林防火的重要性。而利用先進(jìn)的技術(shù)手段快速有效地獲取和描述森林環(huán)境變量信息，以實現(xiàn)森林火災(zāi)的自動監(jiān)測是森林防火的前提和保障。傳統(tǒng)森林火災(zāi)監(jiān)測方式普遍存在著局限性，目前我國在國外已有的研究成果上，將森林防火技術(shù)與無線通訊系統(tǒng)有效地結(jié)合起來，建立起一個低成本、實用性強的森林火險實時、遠(yuǎn)程監(jiān)測原型系統(tǒng)。下一步將把該系統(tǒng)用于實際林區(qū)進(jìn)行測試，以獲取相關(guān)的試驗結(jié)果，對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和完善。

參考文獻(xiàn)

［1］鄭英.基于無線網(wǎng)絡(luò)的森林火情監(jiān)測系統(tǒng)的研究［D］.南京：南京林業(yè)大學(xué)，2007.

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［3］耿長劍.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2009.

［4］黃光華.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與研究［D］.贛州：江西理工大學(xué)，2012.

［5］王軒.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的森林火災(zāi)監(jiān)測研究［D］.株洲：中南林業(yè)科技大學(xué)，2011.

［6］馬宏鋒，李祥林，胡玫.森林火災(zāi)無線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.自動化儀表，2011（12）：39-42，46.

［7］孫成健.森林火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究［J］.科技展望，2015（17）：71.