基于邊緣計(jì)算的森林安全系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

摘 要：為解決當(dāng)前森林中存在的一系列安全問題，在森林中網(wǎng)絡(luò)傳輸不穩(wěn)定的背景下，研究設(shè)計(jì)了一套以2.4 GHz無線網(wǎng)作為邊緣計(jì)算終端傳輸媒介的低成本、高可靠的森林安全物聯(lián)網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)以集成了攝像頭的低功耗最小獨(dú)立系統(tǒng)ESP32-CAM作為森林圖像采集終端，并依靠其自身算力實(shí)現(xiàn)邊緣設(shè)備對(duì)圖像的預(yù)識(shí)別和分析，然后將有價(jià)值的圖像信息上傳至邊緣服務(wù)器，最后由邊緣服務(wù)器將圖像信息匯總打包上傳至云端服務(wù)器，以此實(shí)現(xiàn)用戶遠(yuǎn)程查看森林圖像信息。通過在森林中部署該系統(tǒng)可以在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境下，依靠邊緣攝像頭對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)分析與處理，從而實(shí)現(xiàn)可靠的森林安全檢測(cè)與危險(xiǎn)防治。

關(guān)鍵詞：邊緣計(jì)算；森林安全；物聯(lián)網(wǎng)；云計(jì)算；圖像分析；ESP32-CAM

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）11-0-04

0 引 言

近年來，在全球范圍內(nèi)，森林火災(zāi)、非法砍伐、盜伐和物種入侵等問題給森林生態(tài)系統(tǒng)和人類社會(huì)帶來了極大的危害。森林火災(zāi)已經(jīng)成為威脅生態(tài)安全和人類社會(huì)發(fā)展的嚴(yán)重問題，不僅會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境，還會(huì)造成大量的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，給社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來阻礙[1]。非法砍伐和盜伐大量森林植被，會(huì)破壞森林生態(tài)系統(tǒng)的平衡。在過去20年間全球森林面積約為41億公頃，但目前其占土地總面積的比例已經(jīng)從2000年的31.9%降至2020年的31.2%[2]，這將導(dǎo)致森林生態(tài)系統(tǒng)中物種的平衡和相互依存關(guān)系被破壞，植物和動(dòng)物可能失去棲息地和食物來源，導(dǎo)致物種數(shù)量減少、滅絕，甚至生態(tài)系統(tǒng)的崩潰。物種入侵會(huì)對(duì)原有生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能產(chǎn)生負(fù)面影響。入侵物種通常具有強(qiáng)大的適應(yīng)性和競(jìng)爭(zhēng)能力，它們能夠快速繁殖、占據(jù)生存環(huán)境，并與本地物種競(jìng)爭(zhēng)資源，導(dǎo)致本地物種數(shù)量減少甚至滅絕，從而降低森林生態(tài)系統(tǒng)的物種多樣性。

2012年12月21日，第67屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)通過決議，宣布每年的3月21日為“國(guó)際森林日”[3]，目的是喚起全球各國(guó)的森林保護(hù)意識(shí)，以保護(hù)和促進(jìn)森林資源發(fā)展為重點(diǎn)，推動(dòng)全球范圍內(nèi)的植樹行動(dòng)，積極維護(hù)生態(tài)安全，共同應(yīng)對(duì)氣候和環(huán)境變化。隨著萬物互聯(lián)趨勢(shì)的飛速發(fā)展及相關(guān)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，邊緣設(shè)備正從以數(shù)據(jù)消費(fèi)者為主的單一角色轉(zhuǎn)變?yōu)榧骖檾?shù)據(jù)生產(chǎn)者和數(shù)據(jù)消費(fèi)者的雙重角色[4]。在邊緣計(jì)算系統(tǒng)模型中，網(wǎng)絡(luò)邊緣的每個(gè)設(shè)備都具有一定的算力，用于分析所需的關(guān)鍵信息。邊緣設(shè)備完成信息分析后將篩選出有實(shí)際價(jià)值的關(guān)鍵幀信息，并將其傳輸至距離最近的邊緣云計(jì)算設(shè)備，再由邊緣云計(jì)算設(shè)備對(duì)信息進(jìn)行二次分析，最后由邊緣云計(jì)算設(shè)備將分析完成的關(guān)鍵幀信息傳輸至云計(jì)算中心，以供用戶查看經(jīng)過AI分析后的有價(jià)值信息。

傳統(tǒng)有線視頻監(jiān)控設(shè)備的安裝位置受制于需要連接視頻信號(hào)線，容易因擺放位置不合理造成視頻監(jiān)控死角，特別是森林中地形錯(cuò)綜復(fù)雜，更不適宜安裝傳統(tǒng)有線視頻監(jiān)控設(shè)備；而選擇依托2.4 GHz無線網(wǎng)的無線視頻監(jiān)控設(shè)備又會(huì)受到森林中不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境制約，極易出現(xiàn)視頻畫面丟包和卡頓，倘若視頻丟失的時(shí)間段內(nèi)恰好發(fā)生了威脅森林安全的事件，將無法被記錄并向管理人員發(fā)出警告提醒，最終造成森林安全事件無法被溯源。為了更好地保護(hù)現(xiàn)有森林免遭自然或人為因素的破壞，提高現(xiàn)有森林安全的監(jiān)測(cè)水平，同時(shí)也為了更好地實(shí)現(xiàn)森林生態(tài)保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展，本文研究和設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用邊緣計(jì)算技術(shù)的森林安全檢測(cè)系統(tǒng)。通過在視頻監(jiān)控采集設(shè)備處應(yīng)用邊緣計(jì)算技術(shù)對(duì)視頻信息進(jìn)行預(yù)處理，并依靠自身算力提取出一組可能有價(jià)值的關(guān)鍵幀。這種方式可以有效利用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的計(jì)算與存儲(chǔ)資源[5]，降低通信延遲和帶寬消耗，減輕云端的計(jì)算存儲(chǔ)負(fù)荷[6-7]，使信息僅需利用較低的通信帶寬即可順利完成傳輸。之后邊緣視頻監(jiān)控設(shè)備會(huì)將提取出的一組圖像關(guān)鍵幀傳至邊緣服務(wù)器，再由算力更強(qiáng)的邊緣服務(wù)器對(duì)預(yù)處理后的一組圖像關(guān)鍵幀進(jìn)行二次分析與篩選。最終將威脅森林安全的事件圖像保存、打包并及時(shí)上傳至云服務(wù)器進(jìn)行記錄，同時(shí)推送警告信息給相關(guān)人員。

1 有關(guān)森林安全的關(guān)鍵信息

威脅森林安全的風(fēng)險(xiǎn)包括森林火災(zāi)、非法砍伐和盜砍、洪澇和山體滑坡、生物入侵等諸多方面，由溫濕度傳感器、視頻監(jiān)控設(shè)備、音頻采集設(shè)備等終端設(shè)備實(shí)時(shí)采集森林環(huán)境中的溫濕度信息、畫面信息和音頻信息，保證森林信息采集的可靠性和完整性。在所采集的信息中并非所有數(shù)據(jù)都是必要的，未涉及到危害森林安全的數(shù)據(jù)信息無需進(jìn)行上傳處理。本文選擇將采集到的森林中的各種信息劃分為有效信息和無效信息，見表1。由于威脅到森林安全的事件主要體現(xiàn)為森林火災(zāi)、森林中的非法盜伐、受不可抗力事件影響造成的山體滑坡等，故本文主要對(duì)采集到的森林?jǐn)?shù)據(jù)中的異常高溫、視頻畫面中樹木數(shù)量的異常減少、惡劣的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象等關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，隨后上傳數(shù)據(jù)，而對(duì)于正常的溫濕度數(shù)據(jù)和視頻采集數(shù)據(jù)在采集分析后不作上傳處理。

2 基于邊緣計(jì)算的森林安全檢測(cè)系統(tǒng)模型

2.1 森林安全防治系統(tǒng)邊緣計(jì)算模型

在深入分析森林安全信息的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了基于邊緣計(jì)算的森林安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型，主要由邊緣視頻采集設(shè)備、邊緣服務(wù)器、云服務(wù)器構(gòu)成，如圖1所示。使用加裝了太陽能充電板、集成了攝像頭且低功耗的最小獨(dú)立系統(tǒng)ESP32-CAM作為邊緣視頻采集物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，并在ESP32-CAM上掛載溫濕度傳感器和麥克風(fēng)；使用小型x86服務(wù)器作為邊緣服務(wù)器；對(duì)傳感器和攝像頭采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，通過2.4 GHz無線網(wǎng)打包上傳給邊緣服務(wù)器；經(jīng)由邊緣服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次篩選后，將最終數(shù)據(jù)上傳至云端，用戶可通過訪問云端服務(wù)器網(wǎng)頁查看森林安全監(jiān)控的相關(guān)數(shù)據(jù)；一旦發(fā)生緊急的森林安全事件，可由服務(wù)器直接向管理員手機(jī)號(hào)發(fā)送短信進(jìn)行預(yù)警。

2.2 邊緣視頻采集設(shè)備的架構(gòu)設(shè)計(jì)

在森林中部署視頻監(jiān)控系統(tǒng)面臨著地質(zhì)形勢(shì)、存儲(chǔ)資源、能源供給方面的挑戰(zhàn)。直接將視頻探頭采集的視頻通過無線形式完整傳輸給服務(wù)端會(huì)占用大量網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，加重網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)擔(dān)。邊緣計(jì)算場(chǎng)景下，數(shù)據(jù)具有地域性、時(shí)效性等特點(diǎn)[8]。一旦無線網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)過重，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)延遲過高，會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象，極易讓采集到的視頻數(shù)據(jù)失去時(shí)效性，甚至影響視頻數(shù)據(jù)的完整性，使得安全監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性降低。為了提高有效數(shù)據(jù)的傳輸成功率，本文設(shè)計(jì)了基于邊緣計(jì)算模型的森林安全檢測(cè)系統(tǒng)。由于邊緣視頻采集設(shè)備的安裝受到擺放位置以及能源供給的制約，本文提出將圖像分析中需要復(fù)雜計(jì)算的部分從邊緣視頻采集設(shè)備中分離出來。

職責(zé)劃分：綜合考慮邊緣視頻設(shè)備的芯片處理性能和功耗等多方面因素，設(shè)計(jì)邊緣視頻采集設(shè)備只負(fù)責(zé)識(shí)別畫面是否存在物體位移情況，確定存在畫面變化后每隔5 s捕獲一次視頻畫面，將捕獲到的圖片經(jīng)由2.4 GHz無線網(wǎng)傳輸至邊緣服務(wù)器，由邊緣服務(wù)器負(fù)責(zé)處理在圖像識(shí)別中性能開銷較大的物體識(shí)別任務(wù)。

預(yù)警信息確定：邊緣服務(wù)器接收到邊緣視頻采集設(shè)備傳輸?shù)膱D片信息后，基于自身較強(qiáng)的算力應(yīng)用圖像識(shí)別技術(shù)，分析畫面中的信息，如疑似出現(xiàn)火苗，或存在盜伐者等情況。

2.3 邊緣視頻設(shè)備的圖像處理流程設(shè)計(jì)

借助視頻采集設(shè)備中嵌入式設(shè)備有限的邊緣計(jì)算能力[9]，實(shí)現(xiàn)以下操作：

（1）對(duì)拍攝到的視頻畫面進(jìn)行分析，一旦分析出畫面中發(fā)生較明顯變化，就將記錄時(shí)間點(diǎn)t按照指數(shù)遞增算法不斷遞增，持續(xù)捕獲時(shí)間段T內(nèi)所記錄視頻中的圖像信息以及溫濕度信息、音頻信息。指數(shù)遞增算法是基于指數(shù)函數(shù)的增長(zhǎng)規(guī)律的，所以間隔時(shí)間會(huì)以指數(shù)倍數(shù)遞增，遞增速度會(huì)隨著時(shí)間的推移越來越快，適用于需要在較短的間隔時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)較大遞增幅度的場(chǎng)景[10]。使用該算法可以在節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的同時(shí)，盡可能完整地采集到畫面信息。本文所采用的指數(shù)遞增算法為：t=0.5×2n，t為當(dāng)前的間隔時(shí)間（單位為s），n為當(dāng)前的遞增次數(shù)（從0時(shí)刻開始計(jì)數(shù)）。

（2）將捕獲到的信息打包發(fā)送至邊緣服務(wù)器進(jìn)行圖像二次分析處理。邊緣視頻設(shè)備對(duì)圖像處理的流程如圖2所示。

本文針對(duì)實(shí)際應(yīng)用情況設(shè)計(jì)邊緣視頻設(shè)備端的算法如下：

輸入視頻video、當(dāng)前溫度temperature、當(dāng)前聲音voice、指數(shù)遞增的時(shí)間t。輸出圖片pic、溫度tmp、音頻信息voc。

If video 發(fā)生畫面變化 then

While（！120）//記錄從畫面發(fā)生變化之后2 min內(nèi)的圖片信息

pic←t（video）//記錄時(shí)間點(diǎn)為t的圖片信息直到t達(dá)到120 s

voc←voice//記錄2 min內(nèi)的音頻信息

tmp←t（temperature）//記錄時(shí)間點(diǎn)為t的溫度直到達(dá)到120 ℃

pack（pic，voc，tmp）.send//將相關(guān)信息打包發(fā)送至邊緣服務(wù)器

2.4 邊緣服務(wù)器的圖像處理流程設(shè)計(jì)

借助邊緣服務(wù)器較強(qiáng)的算力實(shí)現(xiàn)以下過程：

（1）對(duì)邊緣采集設(shè)備傳來的一組圖像通過OpenCV算法進(jìn)行第二次圖像識(shí)別，并分析提取畫面中的每一個(gè)物品，比較每一個(gè)被提取到的物品信息，判斷是否存在緊急情況。緊急情況的對(duì)照數(shù)據(jù)見表2。火焰特征提取實(shí)例如圖3所示。

（2）如果識(shí)別到的情況與緊急情況數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)一致，則將這一組圖像上傳至云端服務(wù)器。

邊緣服務(wù)器對(duì)圖像處理的流程如圖4所示。

3 森林預(yù)警信息在云端服務(wù)器的展示

為了讓森林安全檢測(cè)系統(tǒng)的使用更加便捷，系統(tǒng)會(huì)在云端服務(wù)器接收到邊緣服務(wù)器傳輸?shù)念A(yù)警信息后，自動(dòng)優(yōu)先向管理員發(fā)送帶有位置的預(yù)警短信信息，之后在服務(wù)器提供的前端頁面中展示發(fā)生森林危險(xiǎn)的具體情況。前端頁面如圖5所示，工作人員可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的圖片信息制定處理方案。

4 結(jié) 語

本文提出了基于邊緣計(jì)算的森林安全檢測(cè)系統(tǒng)模型，以森林中的視頻采集設(shè)備作為邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，將森林中潛在的危險(xiǎn)畫面信息上傳至邊緣服務(wù)器；憑借邊緣服務(wù)器強(qiáng)大的算力分析畫面中的信息，一旦發(fā)現(xiàn)畫面中存在威脅森林安全的信息則把這組圖像上傳至云服務(wù)器供管理員及時(shí)查看。該研究解決了傳統(tǒng)有線監(jiān)控系統(tǒng)無法在森林中部署，且傳統(tǒng)無線流媒體視頻監(jiān)控受網(wǎng)絡(luò)帶寬限制易造成畫面丟幀、視頻監(jiān)控喪失完整性等問題。在森林安全檢測(cè)系統(tǒng)中，通過邊緣計(jì)算技術(shù)的部署和落實(shí)，可以降低安全檢測(cè)系統(tǒng)因受到外界環(huán)境干擾所產(chǎn)生的不確定性。該系統(tǒng)性能良好，能夠滿足森林安全監(jiān)測(cè)的需要，為邊緣計(jì)算技術(shù)融入視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)提供一定的借鑒與參考。

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作者簡(jiǎn)介：安梓熠（2001—），男，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算。

劉雅舉（1981—），女，碩士，副教授，研究方向?yàn)槿斯ぶ悄堋?/p>

收稿日期：2023-11-10 修回日期：2023-12-13