基于無線傳感網絡的智能森林火災防控系統的設計＊

西藏大學 楊晨 祁晉東 謝鑫焱 珠扎次仁

本文是基于嵌入式開發技術提出的一種基于無線傳感網絡的智能森林火災實時防控系統，以實現對森林各處的環境進行實時監測，預警火災發生的危險區域。該系統以STM32F103ZET6 芯片為主控板并搭載火焰傳感器、溫濕度傳感器、煙霧傳感器等多種傳感器綜合判斷是否發生火情，通過風速風向檢測儀判斷風速風向，并通過NRF24L01 無線通信模塊使語音播報模塊、蜂鳴器發出報警信號以及SIM800C 通信模塊通知救援隊伍，使損失盡可能地達到最小。該系統具有靈敏度高、成本低廉、傳輸距離遠、使用壽命長等優點。

森林作為地球上的可再生自然資源及陸地生態系統的主體，在人類生存和發展中起著不可替代的作用，而隨著全球氣候變暖等一系列問題，森林火災發生率也隨之上升，森林火災一旦發生，最直觀的危害是燒壞樹木，減少森林面積，還會影響林下野生植物資源，由于火災的干擾，野生植物的生存環境發生改變，使其無法存活。森林火災還會危害野生動物，破壞它們的棲息地，直接燒傷甚至燒死動物，使生物多樣性下降。可見森林火災給人民的生命財產和自然生態系統帶來巨大的危害，因此森林防火至關重要。本文提出的基于無線傳感網絡技術的森林火災實時防控系統能夠有效預防森林火險，實時監測林火險情，減小火災損失，保護森林資源安全和保障人民群眾的生命財產安全。

1 預警模型的建立

本系統設計了一種基于粗糙集、BP 神經網絡和DS證據理論的多傳感器信息融合算法: 首先把從現場所獲取的溫度、濕度以及煙霧濃度等信息發送至粗糙集進行簡化處理，并生成規則和BP 神經網絡的模型結構；然后利用BP 神經網絡對數據進行反復訓練，對簡化后的子集進行分類識別，計算出基本概率初值；最后把結果作為證據輸入至DS 證據理論算法。通過DS 證據理論對子集的分類識別結果進行融合決策，從而完成整體的決策。

2 系統模型

2.1 智能森林火災防控系統組成

該系統主要由STM32F103ZET6 主控板、NRF24L01無線通信模塊、SIM800C 通信模塊、火焰傳感器、溫濕度傳感器、煙霧傳感器、GPS+北斗雙模定位模塊、風速風向監測儀、蜂鳴器報警模塊、語音播報模塊、LCD液晶顯示模塊組成。本系統通過在森林里布置一系列的節點（每個節點上配有溫度、濕度、煙霧、火焰等多種傳感器）。通過這些節點實時的收集外界數據，綜合分析判斷是否有火災發生。當森林中發生火情時，節點感知到火情信息后，立刻聯動周圍的幾個節點來進行進一步的監測。然后通過無線通信模塊把火情的具體位置以及火災信息發送到監控中心，監控中心進行報警并通知救援隊伍，使得救援隊伍能夠及時趕到進行救援。在無線傳感系統監控范圍內科學合理地放置了一些風速風向監測儀并接入到無線通信網絡中，實時監測風速及風向等信息。救援隊伍可通過無線通信網絡實時接收這些信息，進而掌握火場的具體情況并保證自己的人身安全。其整體流程框圖如圖1 所示。

圖1 整體流程框圖Fig.1 Overall flow diagram

2.1.1 溫濕度傳感器

DHT11 數字溫濕度傳感器，是一款應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術的溫濕度復合傳感器，為確保產品的可靠性和準確性，它含有已校準數字信號輸出。此傳感器含有電阻式測濕元件和NTC 測溫元件，還和高性能8 位單片機相連接，通過單片機實時的采集本地濕度和溫度。它具有反應速度快、抗干擾能力強的優點。該傳感器與火焰傳感器、煙霧傳感器共同使用，三者綜合分析來判斷火災是否發生，在一定程度上提高了該系統的準確性。該模塊實物圖如圖2 所示。

圖2 DHT11Fig.2 DHT11

2.1.2 GPS+北斗雙模定位模塊

GPS 北斗模塊是一種性能極高的GPS 定位模塊，它具有-162dBm 的超高跟蹤靈敏度，這使得即使在復雜的環境中也能準確定位。該模塊具有低功耗、準確度高、易于攜帶、抗干擾能力強等優點。在本系統中，該模塊通過無線傳輸模塊把火災發生的地理位置傳輸至監控中心，使得救援隊伍在較短時間內確定火災發生的具體位置。該模塊實物圖如圖3 所示。

圖3 GPS+北斗雙模定位模塊Fig.3 GPS+Beidou dual-mode positioning module

2.1.3 風速風向監測儀

超聲波風速風向儀其工作原理為發射連續變頻超聲波信號通過測量相對相位來檢測風速風向。與傳統的風速風向儀相比，超聲波風速風向儀避免了因傳感器啟動延時、解調電路延時、溫度變化而造成的測量不準問題。該模塊通過無線傳輸網絡把火情場地的風速風向信息傳送給救援隊伍，使救援隊伍實時了解森林的具體風速風向，減小滅火難度并降低救援隊伍的傷亡率。該模塊實物圖如圖4 所示。

圖4 風速風向監測儀Fig.4 Wind speed and direction monitor

2.2 系統主程序流程圖

本系統主程序設計由兩部分組成，分別為前端監測程序和后端預警程序。該系統基于Keil uVision5 開發環境，實現了監測森林各處的火情情況，通過NRF24L01 傳送火災信息并使語音播報模塊、蜂鳴器進行報警，SIM800C通信模塊發生短信給救援隊伍以提醒某處發生火災等功能。其主程序流程圖如圖5 所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Main program flow chart

3 整體測試效果

在后臺監控中心中可以根據各處節點通過無線通信網絡傳來的信息來觀察森林中是否發生險情，如果發生險情，則會進行報警，同時可以在LCD 顯示屏上面查看發生火災的位置。如圖6 所示為發生險情時，LCD 顯示屏上面所顯示的內容，如圖7 所示為未發生險情時，LCD 顯示屏上面所顯示的內容。

圖6 發生火災Fig.6 Fire occurred

圖7 未發生火災Fig.7 No fire

4 結語

本系統能夠實時監測森林各處的溫濕度、光強度、煙霧濃度等信息，將采集到的數據進行融合處理來分析林火險情，并將具體信息發送到監控中心，使損失盡可能的達到最小。該系統具有靈敏度高、成本低、壽命長等優點。該系統能夠有效預防森林火險，實時監測森林火險情，減小火災損失，保護森林資源安全和保障人民群眾的生命財產安全，因此具有較高的社會價值。

引用

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