森林防火監測系統的設計與開發

武風波 張會可 呂茜彤

摘 要： 為了實現森林環境的實時監控，設計由數據采集節點、環境監測終端和環境數據服務器三部分組成的森林環境監測系統。數據采集節點外圍拓展溫濕度、煙霧濃度、光照強度、火焰等采集模塊，各采集節點通過ZigBee網絡將采集到的各項環境數據發送到環境監測終端；環境監測終端選用STM32作為主控制器，將數據采集節點上傳的數據進行匯總，然后通過GPRS模塊發送到服務器端；服務器端接收環境監測終端上傳的環境數據，通過數據融合算法將傳感器采集的數據進行融合后對林區三種火災等級進行輸出。測試結果表明，森林防火監測系統運行穩定，能夠實現對森林中各環境參數的采集，并實現數據的遠程發送、遠程報警等功能。

關鍵詞： ZigBee； 環境監測； 森林火災； 防火監測； 數據采集； GPRS

中圖分類號： TN931+.3?34； TP277 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）18?0032?05

Design and development of forest fire proof monitoring system

WU Fengbo， ZHANG Huike， L? Xitong

（School of Communication and Information Engineering， Xian University of Science and Technology， Xian 710054， China）

Abstract： A forest environment monitoring system composed of the data acquisition node， environment monitoring terminal and environment data server is designed to achieve real?time monitoring of the forest environment. The data acquisition node is expanded with such peripherals as the temperature?humidity acquisition module， smoke concentration acquisition module， light intensity acquisition module， and flame acquisition module. The environmental data collected by various acquisition modules is transmitted to the environment monitoring terminal by means of ZigBee network. The environmental monitoring terminal with STM32 as the main controller， summarizes the data uploaded by the data acquisition node， and then sends it to the server terminal by means of the GPRS module. The server terminal receives the environmental data uploaded by the environment monitoring terminal， and by means of the data fusion algorithm， fuses the data collected by sensors， so as to output the three fire levels of the forest area. The testing results show that the forest fire proof monitoring system runs stably， and can realize collection of various forest environment parameters， as well as functions of remote data sending and remote alarming.

Keywords： ZigBee； environmental monitoring； forest fire； fire?proof monitoring； data acquisition； GPRS

近年來，隨著人類活動范圍的不斷擴大，人類對資源的超負荷開采利用、對環境的嚴重污染與森林的極度破壞[1]，導致全球變暖，陸地面積不斷減小，各種自然災害呈上升的趨勢，災害的監測與防治成為當務之急。

森林環境相對復雜，在危害森林資源的多種因素中，火災是最具危害性和破壞性的，它不僅焚毀木材、傷害野生動物和其他生物，而且破壞森林的再生能力，破壞森林水土保持調節生態環境的作用，造成人類生存環境的進一步惡化。然而森林覆蓋面積大，環境相對分散，所以看管復雜，成本較高。為了解決森林資源防護問題，減少火災等自然災害對森林環境的影響，考察森林環境現狀，結合嵌入式、物聯網、無線通信技術、無線傳感器，設計一套節能環保、性能穩定、操作簡單，且能夠實現數據的遠程共享的森林環境監測系統具有實際的應用價值。

1 系統總體設計方案

本文設計的森林環境監測系統由數據采集節點、監測終端和環境監測數據服務器三部分組成。多個數據采集節點與監測終端通過ZigBee[2]實現數據采集節點到監測終端的數據傳輸[3]；監測終端通過GPRS無線傳輸模塊與遠程服務器進行數據交換[4]。系統組成如圖1所示。

2 硬件設計

本系統硬件結構分為數據采集節點和監測終端兩部分。

2.1 數據采集節點硬件設計

數據采集節點是森林環境的采集部分，負責采集煙霧、溫濕度、火焰、光照強度等數據，并將數據通過無線模塊傳輸給監測終端。數據采集節點以CC2530為核心，拓展存儲器、數據采集傳感器、電源、無線通信等部分。數據采集節點硬件框圖如圖2所示。

1） 數據采集節點處理器CC2530

主控單元選擇CC2530模塊，是因為該模塊不僅包含處理采集數據的芯片同時具有ZigBee傳輸的天線部分設計；另外一個主要的原因是該采集模塊功耗低，休眠狀態下，兩節5號電池可以供ZigBee節點工作半年到兩年時間[5]，特別適用于供電困難的森林環境。

2） 溫濕度采集模塊

溫濕度傳感器采用SHT10。SHT10為貼片型溫濕度傳感器，全量程標定，兩線數字輸出，低功耗80 μW（12位測量，1次/s）；濕度測量范圍：0～100%RH；溫度測量范圍：-40～123.8 ℃；濕度測量精度：±4.5%RH；溫度測量精度：±0.5 ℃。

3） 煙霧濃度采集模塊

MQ?2氣體傳感器的工作原理是如果傳感器監測到所處環境中存在可燃氣體，其電導率就會發生變化，可燃氣體濃度越高，傳感器電導率越大。根據這一原理，可以設計相應的電路，將電導率的變化規律轉化為相對應氣體濃度的信號。MQ?2傳感器中使用的材料為氧化錫（SnO2），氧化錫在空氣中的導電率較低。MQ?2對可燃氣體的監測較為理想，對煙霧的監測范圍為100～1 000 ppm，成本較低，適用于氣體泄漏監測裝置和煙霧濃度等易燃氣體的監測。

4） 光照強度采集模塊

系統設計中選用的光照強度測量模塊型號為BH1750FVITR。BH1750FVITR是16位數字型環境監測光照強度傳感器，分辨率較高，監測范圍從1～65 535 lx，能夠監測較大范圍內的光照強度變化情況。本傳感器具有如下特點：測量范圍寬；精度高；誤差小，誤差浮動在±20%；受紅外線的變化較小；不需要外接其他器件；支持1.8 V的邏輯輸入；與人眼對光譜的敏感度相似；輸出相對應的光照強度值；采用除光噪音實現穩定測量的功能。廣泛應用于汽車定位識別、液晶屏顯示、數碼產品、電腦、手機、游戲機等設備中。

5） 火焰采集模塊

系統設計中所選用的火焰傳感器是與數據采集節點中的核心控制芯片CC2530配套的傳感器類型，該傳感器可以監測80 cm左右的火焰和760～1 100 nm的光源。主要用于火焰和火源的探測，其靈敏度可以通過電位器調節改變，該傳感器對火焰的光譜特別敏感。采用LM393輸出監測信號，波形好，易于觀察。

6） 數據傳輸模塊

本文選用ZigBee通信方式[6]。森林一般地域遼闊且遠離居民生活區，而所設計的終端要想全方位覆蓋整個森林面積，必須注意所建立網絡的容量問題和遠程通信問題。同時由于森林環境復雜，所以一次性布設完設備后，需要使用較長年限，為了方便后期維護，必須采用功耗較小的傳感器類型。錯綜復雜的環境給后期維護也帶來了阻礙，所以選擇一種能夠自動修復的網絡傳輸方式更是系統設計所需要的[7]。

7） 電源模塊

CC2530的工作電壓為3.3 V，可以使用5 V電壓通過DC?DC轉換成3.3 V，考慮到系統的應用場景，即森林環境中供電困難，此處也可以選用3節5號電池供電。

2.2 監測終端硬件設計

森林環境監測終端硬件主控單元為STM32；數據采集節點中的協調器通過串口與STM32相連接；環境監測終端采用GPRS無線傳輸模塊將信息發送給遠程服務器端。

STM32專為低功耗、高性能、低成本的嵌入式應用設計[8]。本系統選用的STM32屬于STM32F103“增強型”系列，時鐘頻率高達72 MHz，是同類產品中性能最高的，從閃存執行代碼，功耗36 mA，是32位市場上功耗最低的產品。內核屬于ARM32位的Cortex?M3 CPU，3種低功耗模式：休眠、停止、待機模式。閃存程序存儲器的存儲范圍為32～128 kB，SRAM的范圍為6～20 kB， A/D端口有18個通道，可測量 16個外部和2個內部信號源。具有通道DMA控制器支持的外設有：定時器，ADC，SPI，I2C和USART。串行線調試和JTAG接口具有功耗低、接口多等優點。本設計中選擇的型號是STM32F103ZET6。

1） 串口連接設計

數據采集節點的CC2530模塊通過串口與環境監測終端的STM32相連，與STM32相連的CC2530上的ZigBee模塊[9]能實現所有數據采集節點發送數據的接收。然后將其通過串口傳輸到STM32，STM32將這些數據接收后進行相應的處理，為下一步進行遠程發送提供便利。

2） GPRS數據傳輸模塊

系統選用的通信模塊是SIM900A GPS/GPRS模塊，SIM900A支持GPRS multi?slot class 10/class 8（可選）和GPRS編碼格式CS?1，CS?2，CS?3 和CS?4。其工作頻段為EGSM 900 MHz和DCS 1 800 MHz，該模塊不僅可以進行電話和短信通信，還支持TCP/IP協議[10]，可以進行數據的無線網絡傳輸。WF?SIM900A通過串口傳輸標準的AT命令實現對模塊的控制。

2.3 監測數據服務器

數據處理服務器[11]作為森林環境數據分析處理的核心，主要完成數據接收、分析判斷、將結果反饋給環境監測終端、數據庫設計等工作，軟件各子功能模塊之間協調工作，實現森林環境數據處理服務器的功能。

3 軟件設計

系統軟件設計主要包括森林環境數據采集節點軟件、環境監測終端軟件、森林環境數據遠程服務器軟件三個部分，三者之間的相互關系如圖3所示。

3.1 數據采集節點軟件設計

森林環境中ZigBee的組網過程由以下幾個部分組成[12]：協調器建立新的傳感器網絡、協調器和節點的工作過程介紹及網絡間的相互通信等。協調器擔任森林環境采集的主節點具有建立網絡、對各路由和終端節點數據的集中管理等作用。本文采用的拓撲結構為網狀，所以網絡中的路由節點，既可以將自己的數據發送給協調器，也可以將其他節點發來的數據轉發給協調器。當終端節點初始化后，開始搜索網絡，如果搜索到就發出入網請求，搜索不到，則成為孤立的節點。節點的工作過程與協調器類似，不同的地方是對于協調器發出的控制命令，如果不是本節點任務，則采用相應的路由算法將其轉發到目的節點，如果是則進行設定的操作。

3.2 監測終端軟件設計

考慮到節約功耗，系統設計中環境監測終端采用周期性監測模式，即按照規定的采樣周期實現對數據采集節點的數據監測，利用環境監測終端STM32的定時器驅動采樣周期，當接收到中斷控制器的信號時STM32被喚醒，給數據采集節點發送采樣信號，數據采集節點收到反饋后將各自采集的信息發給協調器，協調器通過串口發送給STM32進行處理和分析，而后數據采集節點再次進入休眠狀態。

3.3 數據處理服務器軟件設計

數據處理服務器作為森林環境數據分析處理的核心，主要完成監測終端上傳數據的接收，數據的分析判斷與預警，數據庫設計等工作。軟件各子功能模塊之間協調工作，實現森林環境數據處理服務器的功能。服務器接收環境監測終端打包發送來的數據，與程序設定的數據進行對比，得出結論。如果有異常，服務器會產生報警，并且會將異常狀態發送給環境監測終端，環境監測終端將其狀態提醒信息顯示在液晶屏上，并通過GPRS發送報警短信給監護人員。

森林環境數據服務器軟件中設計一個QTcpServer類，創建QTcpServer類的實例，綁定服務器的地址，監聽IP和端口號[13]，利用Qt的信號和槽機制[14]實現連接請求和數據處理。數據通信軟件流程圖如圖4所示。

森林環境監測服務器主界面設計主要包括兩個分主頁：各節點采集數據信息、報警信息。其中，各采集節點數據信息反映出各節點相連接的4個傳感器的數值或當前狀態及該服務器的名字和服務器對應的IP地址。

4 性能測試

本文森林環境采集節點、環境監測終端及服務器三端聯合測試，圖5為森林防火監測系統實物連接圖，圖中分別用標注符號對數據采集節點、環境監測終端、GPRS傳輸模塊及服務器端進行了標注。

林區工作人員及監管人員，通過登錄自己的賬號密碼，進入到服務器系統，以便在遠程實時監控森林環境的各項參數。為了驗證系統的實用性，前往西安市興慶公園樹木遮擋障礙較多的樹林進行測試。通過上述的登錄界面進入服務器系統，這里可以查看到各個采集節點通過環境監測終端匯總的各項傳感器數值。將傳感器數據輸入神經網絡森林火災預警模型[15]，可以對森林火災的三種狀態：明火、陰燃與無火進行預測[16]。大家可以在PC端的服務器上觀察到圖6的監控界面。

5 結 語

在公園林區環境下測試發現，森林防火監測系統運行穩定，能夠實現森林環境各項參數的采集和無線傳輸、數據共享和遠程監控。數據采集節點能實現森林環境各項參數的采集和數據上傳；環境監測終端可以實現對多采集節點發送數據的處理分析；遠程監控服務器可以實現環境監測終端上傳數據的接收，同時進行分析判斷及危險報警提示，為森林正常環境的維持提供可靠保障。系統在實時性和人性化監測上表現良好，具有廣泛的社會使用價值。

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