基于IoT的森林防火監(jiān)測系統的開發(fā)

摘要：該文設計了一種森林火災自動監(jiān)測系統，通過物聯網節(jié)點的獨立運行，獲取節(jié)點周圍的環(huán)境信息，再通過網絡通信設備進行信息采集。系統采用大量低功耗附件，采用FPGA技術可使IoT節(jié)點整體功耗極低，并具有智能能源管理功能，可在不同能源狀態(tài)下實施不同的運行方案，并確保能在當前能量狀態(tài)下獲得盡可能多的及時的信息。

關鍵詞：物聯網;森林防火;監(jiān)測系統

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）14-0104-02

中國森林面積2.08億公頃，居世界第六位[1]。尤其是我們東北地區(qū)森林茂密，森林火災危害很大，很難撲滅。一場火災會造成大量的森林資源和財產損失，甚至造成重大人員傷亡。所以在萌芽階段采取預防措施尤為重要。目前我國采取的主要手段是人為干預措施，如建設瞭望塔、人工集中監(jiān)控視頻監(jiān)控系統、小部分智能預警系統等，但由于資源投入較大，無法普及。

首先，偏遠林區(qū)沒有網絡覆蓋，通信和上網成為主要問題。部分林區(qū)網絡覆蓋差，通信質量差。 缺乏林業(yè)專網，傳輸信號受外界干擾較大，高峰時段消防信息傳輸不暢。其次，目前國家森林火災視頻監(jiān)測中大量森林火災監(jiān)測工作仍主要依靠點數過少人工瞭望解決，時效性差、覆蓋率低、精度差、無法滿足森林火災監(jiān)測預警的需要。第三是消防隊信息化裝備水平低，消防隊移動端功能比較單一，缺乏定位、通信等功能，傳感器的感應范圍太小，無法滿足現場要求。

因此，面對如此大面積的森林生態(tài)系統，采用任何一種外部功能都將是一個巨大的消耗。本系統設計并建立了一個以收集自然能源為節(jié)點的物聯網，以管理多種能源，優(yōu)化能源供應，實現整個森林火災探測系統自給自足、低功耗為目標。使用和管理傳感器檢測森林中的指標數據，將數據傳輸到終端進行數據分析，并給出一些參考預警信息，從而形成低功耗、自動化、通用的森林火災探測系統。

1 系統設計

系統節(jié)點主要分為能量采集模塊、信息采集模塊、核心采集處理模塊、低功耗傳輸模塊和上位機模塊幾個模塊，下面分別介紹這些模塊的功能。

該系統主要采集兩種環(huán)境能量：一種是通過太陽能電池板采集太陽能，另一種是通過直流發(fā)電機采集風能。太陽能組件可在不同光照條件下提供10ma-40ma電流。因為功率太低，不能直接給整個系統供電，但可以不斷地給充電電池充電，再由充電電池供電。風能采集模塊主要采集風能，其最大電流可達200??mA，可直接為系統供電，也可為充電電池充電。整個能量采集系統實現了太陽能、風能向電能的轉換，最終實現電能的穩(wěn)定輸出，從而保證系統運行的穩(wěn)定性。

環(huán)境信息采集模塊采用DHT11溫濕度數字傳??感器[2]。采用數字接口統一互聯，采用I2C或SPI進行高效數據傳輸。I2C 類似于主從模式下的 SPI 總線。I2C 和 SPI 總線上可以有多個從設備，但只有一個主設備。DHT11數字溫濕度傳感器為單總線結構，采用數據線控制模塊工作，收發(fā)溫濕度數據。根據傳感器數據傳輸時序圖，構建數據傳輸狀態(tài)機，實現數據接收和發(fā)送功能。

核心采集處理模塊。數據采集單元通過數據接口連接傳感器獲取待采集數據。數據處理單元根據需求進行壓縮、整合等預處理，然后通過數據傳輸接口連接Wi-Fi等模塊發(fā)送數據。當沒有風力供電時，系統將進入低功耗模式。在低功耗模式下，數據傳輸的頻率會變慢。當傳感器采集到一組數據時，不會發(fā)送，而是存儲在緩沖區(qū)中。當數據達到四組時，統一發(fā)送。當有風電供電時，系統將進入正常模式，以更快的頻率采集和發(fā)送數據。自包含數據收集后，將立即發(fā)送。這種能源管理模式將大大延長節(jié)點的工作時間和使用壽命。低功耗模塊將一直運行，高性能模塊在滿足觸發(fā)條件時被激活。此外，為了輔助能量控制模塊實現各種能量切換，我們的核心處理單元可以實現多電源管理（動態(tài)切換）。低功耗模塊LP檢測各種電源的情況，控制不同電源之間的切換。它可以根據當前能源供應的類型動態(tài)調整數據傳輸和接收的頻率。同時支持用戶設置觸發(fā)條件，低功耗模塊LP讓晶格中的數據采集和數據傳輸功能單元完成數據采集和傳輸，然后低功耗模塊LP讓晶格進入睡眠狀態(tài)。實現能源的合理利用，實現真正的常開模式。

數據傳輸分為四個單元。FPGA將數據傳輸給Wi-Fi模塊，Wi-Fi模塊通過路由器將數據轉發(fā)給上位機。 FPGA上的數據處理單元通過串口喚醒Wi-Fi模塊，并將數據傳輸給Wi-Fi模塊。Wi-Fi模塊在一定時間內接收到數據，并通過路由器將數據轉發(fā)給上位機。上位機設置socket進行監(jiān)聽、接受二進制數據、解壓、分析、存儲，并將數據顯示在屏幕上。這里使用的Wi-Fi模塊是usr-cs322。 Wi-Fi 的功耗相對較低。待機模式下功耗僅為25ua，非連續(xù)傳輸模式下功耗僅為18ma，可以在現有的功能環(huán)境中正常工作。Wi-Fi模塊有多種工作模式，使用sta模式。在sta模式下，設置要連接的AP的名稱和密碼。Wi-Fi啟動后，會自動與路由器建立連接。

上位機分為三個界面：主界面、溫度詳情界面和濕度詳情界面。主界面會顯示當前接收到的最新溫濕度，在溫度詳情界面可以看到詳細的溫度變化曲線。同樣，也可以在濕度詳細信息界面中查看詳細的濕度曲線。當溫度和濕度超過警告范圍時，將發(fā)出警告。上位機與Wi-Fi模塊的連接采用自動連接方式。上位機每次啟動都會向全局發(fā)送一個廣播。 Wi-Fi模塊收到廣播后，會返回自己的IP地址，并根據返回的IP地址建立連接，開始接收數據。主機接收到數據包后，對其進行分析，以確定接收到的數據是以低功耗模式傳輸還是以正常模式傳輸。根據不同的情況采用不同的方案，溫濕度數據以圖像的形式顯示在各自的界面上。

2 系統實現

本設計的各種智能物聯網節(jié)點的設計主要包括能量采集單元、信息采集單元、核心控制與處理單元、低功耗傳輸單元等，系統結構如圖1所示。

能量采集單元主要包括太陽能采集單元、電磁能量采集單元和熱能采集單元。如圖2所示，能量采集單元子單元主要由能量采集模塊、能量傳輸模塊和能量控制模塊組成。能量采集模塊實現太陽能、電磁能或熱能向電能的轉換;能量傳輸模塊實現從采集電源到穩(wěn)定電源的轉換;能量控制模塊實現各采集模塊的供電和輸出切換。

本系統CO傳感器模塊采用的傳感器為MQ-9氣體傳感器[3]，所用的氣敏材料為二氧化錫（SnO2），在清潔空氣中具有低電導率。采用高低溫循環(huán)檢測法，在低溫（1.5V加熱）下檢測一氧化碳。傳感器的電導率隨著空氣中一氧化碳濃度的增加而增加，并且在高溫（5.0V加熱）下檢測到甲烷和丙烷并對低溫吸附的雜散氣體加以凈化。利用簡單的電路可以將電導率的變化轉換為對應于氣體濃度的輸出信號。MQ-9氣體傳感器對一氧化碳、甲烷和液化氣具有較高的靈敏度。可檢測多種一氧化碳氣體和易燃性氣體，是一種適用于許多應用的低成本傳感器。

對于森林防火監(jiān)測系統來說，溫度監(jiān)測非常重要。 溫度傳感器用于采集周圍環(huán)境的環(huán)境因素，讀出溫度數據，然后通過信號處理功能，讓外設做出相應的響應，將溫度數據無線傳輸至顯示器。當溫度高于預設溫度時，MCU驅動繼電器控制風扇轉動以降低溫度。當溫度低于預設溫度時，MCU驅動繼電器控制集熱器的加熱。

空氣溫濕度模塊主要利用DHT11濕度檢測傳感器，DHT11數字溫/濕度傳感器是一種含有已校正的數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。該傳感器分別內置了一個電阻式濕度測量元件和負溫度系數熱敏電阻器溫度測量元件，它可以與高性能的8位單片機相連接。由于該傳感器采用的串行接口遵循單線制規(guī)范，從而使得系統的集成過程變得簡單快捷。此外，該傳感器還具備超小的體積、極低的功耗， 超快的響應、較強的抗干擾能力等優(yōu)點，其信號傳輸距離可以超過20米，所以是各類應用場合的合理選擇。

信息采集電路包括各種數字傳感器和低功耗相機。通常采用數字接口連接的傳感器，主要涉及溫濕度、壓力、光照等。數字接口用于統一互連，I2C或SPI用于高效數據傳輸。低功耗相機拍攝的幾張照片的功耗低于紐扣電池。因此，節(jié)點的圖像采集功能通過間歇打開來增加。

數據傳輸電路主要包括低功耗Wi-Fi單元、低功耗藍牙單元和ZigBee單元[4]。Wi-Fi模塊廣泛用于室內環(huán)境，低功耗Wi- Fi模塊用于智能家居類節(jié)點。藍牙4.1等新標準出臺后，功耗和互聯特性有了很大的提升。此外，ZigBee 模塊采用低功耗 LAN協議，適用于大型自組網系統的建設。

核心采集處理單元包括高頻時鐘驅動的數據采集單元、數據傳輸單元和數據處理單元以及低頻時鐘驅動的常開監(jiān)測單元和多能量管理單元。數據采集??單元通過I2C、SPI和UART接口連接傳感器和攝像頭，獲取需要采集的數據[5]。數據處理單元根據需求進行壓縮、整合等預處理，然后通過數據傳輸接口連接Wi-Fi等模塊發(fā)送數據。低功耗模塊一直在運行，可以激活高性能模塊，另外，輔助能量控制模塊實現各種能量切換。

該系統的基本運行過程如下： 第一步：最初使用紐扣充電電池（位于太陽能電磁板中）供電;第二步：啟動低功耗模塊;第三步：用小功率模塊開啟大功率模塊;第四步：大功率模塊采集傳感器節(jié)點信息;第五步：大功率模塊進行數據傳輸;第六步：低功率模塊關閉高功率模塊;第七步：小功率模塊將電源切換到電磁電源，太陽能給紐扣充電電池充電;第八步：低功耗模塊檢測外部觸發(fā)或內部觸發(fā)。一旦觸發(fā)，進入第三步。

在能源的合理利用方面，本設計實現了系統的低功耗運行。在系統運行過程中，會實時監(jiān)控外部能量狀態(tài)。當采集到的能量比較稀缺時，會使用低功耗模塊動態(tài)調整采集數據的收發(fā)頻率;當能量充足時，進入正常工作模式，數據收發(fā)頻率進入正常模式。這種能源管理模式可以使系統工作更持久。

上位機連接單元向局域網發(fā)送UDP命令，監(jiān)控Wi-Fi模塊反饋的節(jié)點信息。離線判斷：如果節(jié)點超過20秒沒有發(fā)送任何信息，則判斷節(jié)點已經休眠，重新連接步驟。上位機接收節(jié)點發(fā)送的信息根據節(jié)點之間的協議對數據進行分析，將數據傳輸至可視化顯示模塊，并將數據顯示在界面上。

上位機的設計主要分為主界面、溫濕度細節(jié)三個界面，主要是為了有利于用戶的視角，同時將數據制作成圖像曲線變化，并進行數據分析，在溫濕度超出預警范圍，會有提示，促進用戶更方便、清晰地掌握各節(jié)點反饋信息，使信息智能化得到顯著提升。

3 結語

本系統設計的森林火災探測系統是一個將能源采集和安全數據檢測集成在各個單節(jié)點的物聯網系統。該系統協調了多種自給自足的智能系統，具有自然能源功能穩(wěn)定、功耗低、自主性強的特點，優(yōu)化了當前森林消防系統智能化水平低、人力物力消耗大等一系列問題，為森林監(jiān)測系統提供了一個更加節(jié)能、智能、安全的信息系統。 這種設計還充分結合了以往的研究成果和創(chuàng)新成果，將科技應用于特定場合，具有較高的經濟價值和社會效益。

參考文獻：

[1] 李敏. 基于物聯網的監(jiān)控系統研究與應用[D].宜昌：長江大學，2016.

[2] 包子建.基于IoT的污染監(jiān)測系統的設計與實現[J].電腦知識與技術，2019，15（6）：255-256.

[3] 包子建.基于IoT的道路照明系統的設計與實現[J].電腦知識與技術，2019，15（10）：213-214.

[4] 包子建.基于IoT的智能車系統的設計與實現[J].電腦知識與技術，2020，16（8）：179-180.

收稿日期：2021-09-20

.作者簡介：包子建（1975—），男，江蘇南通人，高級工程師，碩士，主要從事物聯網和信息服務方面的教學和研究。