基于LoRa技術(shù)的森林火災(zāi)預(yù)警與控制系統(tǒng)研究

謝 鋮

（泰山學(xué)院機械與建筑工程學(xué)院，山東 泰安 271000）

1.引言

我國山區(qū)眾多，森林資源豐富。根據(jù)國家統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)，我國森林面積為22044.62萬公頃，森林覆蓋面積為23.0%，森林儲蓄量為175.60億立方米。森林除了具備凈化空氣、調(diào)節(jié)生態(tài)環(huán)境功能外還是制造業(yè)的主要原材料，發(fā)揮著重要的生態(tài)和經(jīng)濟效益。但是森林資源常年飽受火災(zāi)的困擾，雖然全社會都在加強森林火災(zāi)的防范意識，但是每到冬春季，我國的森林火災(zāi)還是會頻頻發(fā)生。據(jù)國家統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)，2019年全國共發(fā)生森林火災(zāi)2345次，受害森林面積14000.00公頃；2018年全國共發(fā)生森林火災(zāi)2478次，受害森林面積16309.07公頃。森林火災(zāi)不僅會造成巨大的財產(chǎn)損失，比較大的森林火災(zāi)還會造成重大的人員傷亡。例如2019年03月30日，四川省涼山州木里縣雅礱江鎮(zhèn)立爾村發(fā)生森林火災(zāi)，30名撲火人員不幸犧牲，包括27名森林消防員和3名地方撲火人員。2018年全國森林火災(zāi)傷亡人數(shù)為39人，森林火災(zāi)其他損失折款20444.73萬元。因此，森林防火形勢將是常態(tài)化嚴峻，森林消防工作在未來很長時間內(nèi)是防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域一項非常重要的內(nèi)容。

目前國內(nèi)的森林防火的措施主要有人工巡邏、瞭望塔監(jiān)測、飛機監(jiān)測、無人機監(jiān)測等技術(shù)。但是人工巡邏費事費力，且巡邏受山區(qū)地形影響較大，存在監(jiān)測面積小的缺點，只能對重點區(qū)域進行重點巡邏；瞭望塔監(jiān)測的覆蓋面積相對較大，可以對瞭望范圍內(nèi)是否發(fā)生森林火災(zāi)進行準確判斷，但是瞭望塔的設(shè)置受地形影響，部分區(qū)域因地勢過于陡峭無法設(shè)置，因此存在監(jiān)測死角；飛機監(jiān)測不受地形影響，可以覆蓋整片森林，準確判斷整個林區(qū)是否發(fā)生火災(zāi)，但是飛機監(jiān)測成本太高，且受天氣的影響較大，惡劣天氣無法升空進行監(jiān)測；無人機技術(shù)的發(fā)展為森林火災(zāi)監(jiān)測提供了新的思路，相比于飛機監(jiān)測，成本較低，且無人員危險隱患，但是惡劣天氣條件下諸如大風(fēng)天氣等無法進行監(jiān)測。隨著計算機技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，國內(nèi)外逐步出現(xiàn)了諸多森林火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，例如德國的FIRE-WATCH自動預(yù)警森林火災(zāi)系統(tǒng)；國內(nèi)的學(xué)者提出的基于NBIoT窄帶通信和多傳感器組網(wǎng)技術(shù)的森林火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)[1]、基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)[2]、基于LoRa的分布式火災(zāi)監(jiān)測報警系統(tǒng)[3]、基于北斗的森林火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)[4]等。

圖1 基于LoRa的森林火災(zāi)預(yù)警與控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

目前火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)多基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用無線傳輸?shù)姆绞浇⒈O(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，具有覆蓋面大、通信距離遠、抗干擾性強的優(yōu)點，具有傳統(tǒng)防火技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢，因此逐漸得到了廣泛應(yīng)用。但是目前多數(shù)的研究是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的森林火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的建立，對于基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的森林火災(zāi)控制系統(tǒng)的研究相對較少。基于此，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研究森林火災(zāi)預(yù)警與控制系統(tǒng)的建立，形成消防閉環(huán)。在目前的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中心，LoRa技術(shù)解決了傳統(tǒng)無線通信技術(shù)無法兼顧的傳輸距離、功耗和抗干擾難題，廣泛應(yīng)用到各類監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中[5]。本文將LoRa技術(shù)應(yīng)用到森林火災(zāi)預(yù)警和控制系統(tǒng)的設(shè)計中，實現(xiàn)森林火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的大覆蓋面、遠距離通信和強抗干擾等功能，并迅速實現(xiàn)對森林火災(zāi)的控制。

2.森林火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)

2.1 森林火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的組成

基于LoRa技術(shù)的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)包括溫感傳感器、煙感傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌⒅骺啬K、LoRa通信模塊、LED顯示模塊、控制中心監(jiān)控平臺、電源系統(tǒng)等組成。當(dāng)森林發(fā)生火災(zāi)時，溫感傳感器、煙感傳感器、火焰?zhèn)鞲衅魍瑫r工作，將采集的數(shù)據(jù)通過Rs-485總線傳送至主控模塊；經(jīng)主控模塊處理后由LoRa通信模塊（發(fā)射）向外發(fā)送數(shù)據(jù)；LoRa通信模塊（接收）對數(shù)據(jù)進行接收并傳送至控制中心監(jiān)控平臺，實現(xiàn)對森林火災(zāi)的預(yù)警。森林火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)詳圖見圖1。

2.2 森林火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的功能

火災(zāi)數(shù)據(jù)的獲取。在森林火災(zāi)容易發(fā)生的區(qū)域安裝傳感器，包括溫感傳感器、煙感傳感器以及火焰?zhèn)鞲衅鞯龋梢栽诘谝粫r間發(fā)現(xiàn)火情，及時形成溫度、煙霧和火焰等數(shù)據(jù)。

火災(zāi)數(shù)據(jù)的處理。傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)主控模塊處理后，形成包含地址信息和火災(zāi)狀態(tài)的火災(zāi)數(shù)據(jù)。

火災(zāi)數(shù)據(jù)的傳輸。基于LoRa通信技術(shù)，可以將火災(zāi)數(shù)據(jù)及時快速地傳遞到森林火災(zāi)控制中心監(jiān)控平臺。

火災(zāi)預(yù)警。控制中心監(jiān)控平臺分析火災(zāi)數(shù)據(jù)，確定發(fā)生火災(zāi)并通過揚聲器報警。

2.3 森林火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.3.1 主控模塊

主控模塊采用MSP430F149型微控制器[6，7]。MSP430F149是TI公司設(shè)計生產(chǎn)的一款超低功耗的16位單片機，具有低電壓、超低功耗、快速蘇醒、具有片內(nèi)比較器等特點。該微控制器采用大小為60KB的Flash程序存儲器，數(shù)據(jù)RAM大小為2KB，接口類型為SPI or UART or USART，具有48個可編程輸入/輸出端。該微控制器的工作電壓為1.8V-3.6V，工作溫度為-40℃-+85℃，覆蓋森林火災(zāi)發(fā)生時的溫度區(qū)間。

2.3.2 LoRa通信模塊

LoRa無線通信模塊采用KT-F1278無線模塊，該模塊采用Semtech公司的SX1278擴頻芯片，其LoRa擴頻調(diào)制跳頻技術(shù)能夠保證其通信距離遠、信號收發(fā)靈敏度高、抗干擾能力強、誤碼率極低的特點[8]。此模塊能大幅延長數(shù)據(jù)傳輸距離，在山區(qū)森林地區(qū)可達到3公里以上，如果遇到山區(qū)稀疏環(huán)境，可達到15公里以上，因此可以大幅節(jié)約成本。該模塊頻率范圍為410MHz-510MHz，靈敏度高達-135dBm，最大輸出功率為20dBm，工作電壓為1.8V-3.6V，工作溫度為-40℃～85℃，覆蓋森林火災(zāi)發(fā)生時的溫度區(qū)間。值得注意的是，LoRa無線通信模塊在與MSP430F149單片機連接前，需要通過AT指令設(shè)置該模塊工作在透傳模式，其波特率也應(yīng)與單片機串行口通信設(shè)置的波特率一致，如此才能確保傳輸數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)正確進行[9，10]。

2.3.3 溫感傳感器

溫感傳感器采用SHT11溫濕度傳感器。此型號傳感器芯片采用SMD芯片封裝，使用了用能隙材料制成的溫度傳感元件和用電容性聚合體組成的濕度傳感元件，將溫度和濕度信號進行轉(zhuǎn)換，可直接輸出完全校準的數(shù)字信號，具有數(shù)據(jù)傳輸速度快、溫度測量精度高、能耗低、抗干擾能力強等優(yōu)點。此傳感器可感測的溫度范圍為-40℃～128℃，覆蓋了森林火災(zāi)發(fā)生時的溫度區(qū)間，且誤差極小，為±0.4℃，可有效監(jiān)測山區(qū)森林的溫度變化。

2.3.4 煙感傳感器

煙感傳感器LM393，ZYMQ-2型氣體傳感器。該傳感器尺寸為32×22×27mm，工作電壓為直流5V，具有模擬量輸出和TTL電平輸出的雙路信號輸出，其中模擬量輸出0-5V電壓，TTL輸出有效信號為低電平。當(dāng)煙霧濃度超過設(shè)定閾值時，模擬量輸出電壓增大，且煙霧濃度越高電壓越高；同時TTL輸出信號燈亮，為低電平，此時可以直接接單片機MSP430F149。

2.3.5 火焰?zhèn)鞲衅?/p>

火焰?zhèn)鞲衅鞑捎糜蒐M393、火焰檢測探頭組成的感光火焰?zhèn)鞲衅鳌Ｔ搨鞲衅鲗鹧婀獠ㄩL極為敏感，能將火焰的強弱變化轉(zhuǎn)化為電流變化，并采用LM393輸出監(jiān)測信號。當(dāng)傳感器感知到有火災(zāi)發(fā)生時，輸出波形會產(chǎn)生一個下降沿令MCU產(chǎn)生外部中斷，進入中斷后將執(zhí)行蜂鳴器響、指示燈亮、回送數(shù)據(jù)等操作。

2.3.6 控制中心監(jiān)控平臺

平臺的服務(wù)器采用Linux系統(tǒng)搭建，軟件由面向?qū)ο蟮腏ava程序設(shè)計語言實現(xiàn)。可以根據(jù)用戶的要求，設(shè)置不同管理權(quán)限的用戶。平臺對經(jīng)LoRa無線通信技術(shù)傳輸過來的火災(zāi)數(shù)據(jù)進行處理、分析、存儲，并進行可視化顯示，及時發(fā)出火災(zāi)預(yù)警。

3.森林火災(zāi)控制系統(tǒng)

3.1 森林火災(zāi)控制系統(tǒng)的組成

基于LoRa無線通信技術(shù)的火災(zāi)控制系統(tǒng)包括LoRa通信模塊、電源系統(tǒng)、噴水塔網(wǎng)絡(luò)、主控模塊、儲水池等組成。當(dāng)控制中心監(jiān)控平臺發(fā)出火災(zāi)預(yù)警后，形成包含火災(zāi)信息和地址信息的火災(zāi)控制信號，由LoRa通信模塊將控制信號傳輸?shù)絿娝W(wǎng)絡(luò)，經(jīng)噴水塔網(wǎng)絡(luò)的主控模塊分析后，控制距離火災(zāi)最近的噴水塔進行噴水作業(yè)，為人工滅火贏得時間。

3.2 森林火災(zāi)控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.2.1 噴水塔網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)歷年某地森林火災(zāi)發(fā)生地點的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，確定火災(zāi)易發(fā)生的區(qū)域，在此區(qū)域建設(shè)噴水塔網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)LoRa無線通信技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸距離、噴水塔的噴水半徑并結(jié)合地形確定噴水塔的位置。噴水塔以高強度鋼管為主要材料，抗震性能強，穩(wěn)定性高，建塔周期短，施工方便，并同時兼具輸電線塔的功能，以便于在噴水塔之間架設(shè)輸電線路為噴水塔網(wǎng)絡(luò)提供電力。在每個噴水塔上設(shè)置自動高壓水槍，在火災(zāi)發(fā)生時進行遠距離噴水，在最短的時間內(nèi)盡量控制火情，為大規(guī)模人工滅火贏得時間。

3.2.2 儲水池

根據(jù)噴水塔的位置設(shè)置若干儲水池為噴水塔供水。儲水池內(nèi)設(shè)置非接觸式液位感應(yīng)器，當(dāng)儲水池內(nèi)水位低于警戒水位時，通過管道將最近的水源補充到儲水池內(nèi)；當(dāng)儲水池內(nèi)水位到達正常水位時，自動取消管道供水。供水管道選用3PE防腐鋼管，是環(huán)境友好型管道，其使用壽命高達30～50年，PE吸水率低，環(huán)氧強度高，即使在低溫條件下，也具有良好的耐腐蝕和耐沖擊性能。

4.結(jié)語

在分析了國內(nèi)森林防火工作的嚴峻性以及國內(nèi)外森林防火工作的進展的基礎(chǔ)上，將LoRa無線通信技術(shù)應(yīng)用于森林防火工作中，利用其通信距離遠、信號收發(fā)靈敏度高、抗干擾能力強、誤碼率極低的優(yōu)點，不僅建立了森林火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，同時探索了建立森林火災(zāi)控制系統(tǒng)，使森林防火工作形成閉環(huán)，對森林火災(zāi)的預(yù)防與控制將起到較好的作用。基于LoRa 無線通信技術(shù)的森林火災(zāi)預(yù)警和控制系統(tǒng)將引領(lǐng)森林消防領(lǐng)域的發(fā)展方向，其將火災(zāi)監(jiān)測、火災(zāi)報警、火災(zāi)控制和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，能最大程度地減少生命財產(chǎn)損失。