智能防火衛(wèi)士系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

宋夢(mèng)茹，李世杰，蔣偉康，徐珂健，吳亞聯(lián)

（湘潭大學(xué) 自動(dòng)化與電子信息學(xué)院，湖南 湘潭 411105）

0 引 言

我國(guó)近十年來森林火災(zāi)的發(fā)生數(shù)均超過3 500 次，全球年均20 萬(wàn)余次，過火面積占全球森林總面積超0.1%。為了加強(qiáng)對(duì)森林火災(zāi)的監(jiān)控與防范，社會(huì)上也涌現(xiàn)出了諸多產(chǎn)品，但都存在缺點(diǎn)，如：衛(wèi)星監(jiān)測(cè)受云層的影響較大；眺望臺(tái)檢測(cè)效率低下；無人機(jī)監(jiān)測(cè)無法精準(zhǔn)全覆蓋采集數(shù)據(jù)；飛機(jī)監(jiān)測(cè)成本較高且受天氣影響較大等。所以，如何加強(qiáng)對(duì)森林火災(zāi)的監(jiān)控與防范是急需解決的問題。

在當(dāng)前5G 環(huán)境的大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，發(fā)揮數(shù)字化技術(shù)的作用，依托5G 通信開展高效率傳輸工作，可以有效對(duì)森林現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)收集和傳輸。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，系統(tǒng)將及時(shí)預(yù)警，使火災(zāi)監(jiān)測(cè)與響應(yīng)迎來“大數(shù)據(jù)”時(shí)代，以此達(dá)到節(jié)能、省時(shí)、高效的目的。本文主要闡述了智能防火衛(wèi)士的設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)過程，為加強(qiáng)森林防火提供了思路[1]。

1 系統(tǒng)功能分析與總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能分析

我們初步設(shè)計(jì)了一款用于森林火災(zāi)監(jiān)控的智能設(shè)備，具體實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）供電及電量采集：太陽(yáng)能電池板收集并將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，儲(chǔ)存在蓄電池中，再通過多電壓輸出模塊給各模塊和主控板供電。采用A/D 采集模塊進(jìn)行設(shè)備電池監(jiān)測(cè)[2]。（2）位置信息采集：采集設(shè)備所在位置的經(jīng)緯度信息。（3）模塊數(shù)據(jù)收集：利用無線傳感技術(shù)（WSN）[3]實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備周圍環(huán)境，收集相關(guān)數(shù)據(jù)。

（4）數(shù)據(jù)傳輸：基于無線傳感器技術(shù)將多個(gè)裝置的數(shù)據(jù)通過WiFi 傳至一個(gè)裝置，再由該模塊利用5G 通信將數(shù)據(jù)傳輸至云端。

（5）火源識(shí)別：采用隨機(jī)森林算法識(shí)別和圖像識(shí)別對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷是否發(fā)生火災(zāi)。

（6）范圍滅火：根據(jù)火災(zāi)的圖像進(jìn)行小范圍滅火。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)框圖

結(jié)合森林防火的需求，智能防火衛(wèi)士由主控制器、電源模塊、定位模塊、傳感器模塊、通信模塊、識(shí)別模塊和滅火模塊組成。其中，樹莓派微處理器對(duì)各傳感器收集的數(shù)據(jù)[4]進(jìn)行處理，控制各模塊正常運(yùn)行。其余模塊主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備的供電及電量采集、位置信息采集、模塊數(shù)據(jù)收集及傳輸、火源識(shí)別及小范圍滅火功能。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 硬件模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 電源模塊

為確保安全，我們選用包括CN3791 太陽(yáng)能電池板和Pisugar 鋰電池板的太陽(yáng)能電池板。將蓄電池與太陽(yáng)能板結(jié)合，延長(zhǎng)設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。電池采樣模塊用于采集設(shè)備電池各電芯的電壓信息，該模塊采用大電阻分壓電路，電路簡(jiǎn)單可靠、功耗低、成本低。操作步驟：按鍵初始化，ADC 初始化，ADC 輸入端連接電芯采樣電路，采集電芯電壓變化信息。CN3791 電路原理如圖2 所示。

圖2 CN3791 電路原理

2.2 定位模塊

定位模塊借助ATGM336H 模塊結(jié)合GIS 進(jìn)行定位，采集設(shè)備所在位置的經(jīng)緯度坐標(biāo)信息。樹莓派串口接收模塊定位信息，將數(shù)據(jù)解析后即可得到原始經(jīng)緯度信息，并使用百度地圖進(jìn)行位置標(biāo)記，將經(jīng)緯度轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)。ATGM336H 電路原理如圖3 所示。

圖3 ATGM336H 電路原理

2.3 傳感器模塊

傳感器模塊通過連接在樹莓派外部的各類傳感器收集外部環(huán)境的數(shù)據(jù)信息，如ZE0302 氧氣濃度傳感器收集氧氣濃度信息，MQ135 有害氣體傳感器收集有害氣體濃度信息，DHT11 溫濕度傳感器收集環(huán)境溫濕度信息，DS18B20 雨水傳感器收集環(huán)境雨水信息等。利用無線傳感技術(shù)（WSN）將該模塊連接至樹莓派，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備周圍的環(huán)境。ZE0302電路原理如圖4 所示，DHT11 電路原理如圖5 所示。

圖4 ZE0302 電路原理

圖5 DHT11 電路原理

2.4 通信模塊

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)將多個(gè)裝置的數(shù)據(jù)通過WiFi 傳至某一個(gè)裝置，再由該裝置利用5G 通信將數(shù)據(jù)傳輸至云端。

2.5 識(shí)別模塊

采用隨機(jī)森林算法識(shí)別[5]和圖像識(shí)別[6]對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷是否發(fā)生火災(zāi)。

圖像識(shí)別外部硬件設(shè)備包括：AMG8833 紅外熱像儀傳感器、1080P 雙目攝像頭。通過多圖像處理技術(shù)識(shí)別火源。我們采用基于圖像多特征的火焰識(shí)別算法，基于火源多特征測(cè)算其溫度、質(zhì)心位置移動(dòng)、形體變化等，以有效識(shí)別火源。

AMG8833 電路原理如圖6 所示。

圖6 AMG8833 電路原理

2.6 滅火模塊

由攝像頭和紅外熱像儀追蹤起火點(diǎn)，并由樹莓派控制噴頭，根據(jù)火災(zāi)的圖像進(jìn)行小范圍滅火。同時(shí)，攝像頭傳回樹莓派的圖像，經(jīng)圖像檢測(cè)后判斷周圍是否有人活動(dòng)，若發(fā)現(xiàn)有人活動(dòng)，攝像頭和紅外熱像儀傳感器立即對(duì)人的周圍進(jìn)行掃描，直到其離開攝像頭的拍攝范圍并確定無危險(xiǎn)后回到正常掃描[7-8]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 主控制器功能設(shè)計(jì)

本軟件的主要功能是對(duì)各模塊采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，控制設(shè)備正常運(yùn)行。整體設(shè)計(jì)架構(gòu)流程如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)架構(gòu)流程

3.2 電池模塊功能設(shè)計(jì)

電源模塊是包括設(shè)備電源儲(chǔ)存、能源轉(zhuǎn)換、收集設(shè)備電量信息的綜合模塊，可通過太陽(yáng)能板將光能轉(zhuǎn)換為電能，并儲(chǔ)存在蓄電池中，最后通過ADC 采集電池電量，再通過DMA 通道傳輸信息。電池模塊功能流程如圖8所示。

圖8 電池模塊功能流程

3.3 定位模塊功能設(shè)計(jì)

樹莓派串口接收模塊定位信息，將數(shù)據(jù)解析，解析后即可得到原始的經(jīng)緯度信息，并使用百度地圖進(jìn)行位置標(biāo)記，將經(jīng)緯度轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)。定位流程如圖9 所示。

圖9 定位流程

3.4 傳感器模塊功能設(shè)計(jì)

傳感器模塊采用無線傳感技術(shù)（WSN）連接至樹莓派，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備周圍的環(huán)境，收集相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并傳輸至樹莓派。整體設(shè)計(jì)流程如圖10 所示。

圖10 傳感器模塊功能流程

3.5 通信模塊功能設(shè)計(jì)

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)實(shí)現(xiàn)將多個(gè)裝置的數(shù)據(jù)通過WiFi 傳至某一個(gè)裝置，再由這一裝置利用5G 將數(shù)據(jù)傳輸至云端。整體設(shè)計(jì)的通信流程如圖11 所示。

圖11 通信模塊功能流程

3.6 識(shí)別模塊功能設(shè)計(jì)

該部分主要包括隨機(jī)森林算法識(shí)別和圖像識(shí)別火源。識(shí)別出火源后將數(shù)據(jù)傳輸至前端。

整體設(shè)計(jì)的識(shí)別架構(gòu)流程如圖12 所示。

圖12 識(shí)別模塊功能流程

3.7 滅火模塊功能設(shè)計(jì)

攝像頭和紅外熱像儀追蹤起火點(diǎn)，樹莓派控制噴頭，根據(jù)火災(zāi)的圖像進(jìn)行范圍滅火。若發(fā)現(xiàn)有人活動(dòng)，攝像頭和紅外熱像儀傳感器進(jìn)行掃描，確定無危險(xiǎn)后正常掃描。滅火流程如圖13 所示。

圖13 滅火流程

4 創(chuàng)新點(diǎn)分析

4.1 智能化

設(shè)備通過外接各類傳感器即可收集相應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)并顯示在前端界面，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，代替人力監(jiān)控，大大提高了監(jiān)測(cè)效率。同時(shí)，系統(tǒng)有多種傳感器協(xié)同工作，可及時(shí)收集相關(guān)信息提交給微處理器進(jìn)行處理、分析[9]。

4.2 交互性

硬件設(shè)備和前端網(wǎng)頁(yè)及小程序?qū)崟r(shí)交互，反饋環(huán)境信息，前端系統(tǒng)可通過攝像頭和紅外熱成像儀監(jiān)控環(huán)境[10]。

4.3 高效傳輸

集成式數(shù)據(jù)傳輸將多個(gè)裝置的數(shù)據(jù)通過WiFi 傳至配備5G 的裝置，實(shí)現(xiàn)“一帶多”工作模式。此舉不僅解決了5G基站分布的問題，同時(shí)提高了傳輸效率，降低了能耗。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文完成了智能防火衛(wèi)士的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以樹莓派微處理器為核心，將硬件傳感器模塊和系統(tǒng)軟件相結(jié)合，有效解決了森林火災(zāi)監(jiān)控成本高、精度差等問題，大幅提高了火災(zāi)監(jiān)測(cè)效率，便于環(huán)境保護(hù)，作品實(shí)物如圖14 所示。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，相信智能防火衛(wèi)士在火災(zāi)預(yù)防領(lǐng)域會(huì)有更好地推廣。

圖14 作品實(shí)物