基于GIS和WSNs的森林防火預(yù)警系統(tǒng)研究

孫公亮，劉紅日，王　敏，王希予，楊　平

（哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院，山東　威?！?64300）

基于GIS和WSNs的森林防火預(yù)警系統(tǒng)研究

孫公亮，劉紅日，王敏，王希予，楊平

（哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院，山東威海264300）

摘要：針對田間燒雜草以及墓區(qū)燒紙而引發(fā)的山火導(dǎo)致的森林火災(zāi)難以預(yù)警的特點(diǎn)，結(jié)合了GIS和WSN設(shè)計(jì)開發(fā)了森林防火預(yù)警系統(tǒng).通過由各種傳感器組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署在被監(jiān)控區(qū)域，能夠檢測該區(qū)域的CO、煙霧的濃度、火焰情況、溫濕度等數(shù)據(jù)通過GRPS發(fā)送到監(jiān)控端，并實(shí)時(shí)顯示在屏幕上.能夠幫助管理人員掌握監(jiān)控地區(qū)的森林火災(zāi)等級(jí)，從而做到火災(zāi)的早期預(yù)警.

關(guān)鍵詞：GIS；WSNs；森林；防火；預(yù)警系統(tǒng)

在北方的農(nóng)村地區(qū)，在春天播種和秋天收割的季節(jié)，有在田間燒雜草的習(xí)慣，在刮風(fēng)的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)引起山火.特別是在清明小長假前后，有到墓區(qū)燒紙祭奠親人的習(xí)慣，每年都會(huì)引起山火.在山區(qū)，耕地和墓區(qū)和樹林是連在一起或者是相互交錯(cuò)的，一旦出現(xiàn)山火，極有可能引發(fā)森林火災(zāi).2014 年5月29日國家4A級(jí)名勝風(fēng)景區(qū)、國家級(jí)森林公園威海仙姑頂景區(qū)由于山火引發(fā)了森林火災(zāi)，火借風(fēng)勢迅速蔓延，斷續(xù)火線一度達(dá)7公里左右.為了防止出現(xiàn)這樣的森林火災(zāi)，有的地區(qū)采取了干部駐村，在通向墓區(qū)的主要道路上24小時(shí)監(jiān)守的辦法，給駐村干部帶來了很大的生活不便和壓力.對森林火災(zāi)監(jiān)測進(jìn)行需求分析，任何分析都依賴于系統(tǒng)所釆集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和準(zhǔn)確性.整個(gè)森林火險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的一步便是:如何實(shí)時(shí)的、可靠的、安全的收集所需要的監(jiān)測環(huán)境的數(shù)據(jù)信息[1].獲取森林中實(shí)時(shí)的、可靠的數(shù)據(jù)信息是系統(tǒng)是否正常工作的基石.針對上述的問題，除了加強(qiáng)村民的文化教育以外，預(yù)防工作也是不可缺失的[2].結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際，設(shè)計(jì)了基于GIS和WSNs的森林防火預(yù)警系統(tǒng).

建立森林火險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)是為了實(shí)時(shí)了解森林環(huán)境中的真實(shí)數(shù)據(jù)信息，通過系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)信息得出森林中可燃物的生長狀態(tài)和載量、氣溫變化、風(fēng)力變化等一系列影響火災(zāi)的因素，實(shí)現(xiàn)對森林火災(zāi)發(fā)生之前的預(yù)警及發(fā)生火災(zāi)之后火災(zāi)蔓延的預(yù)測[3].根據(jù)火險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和火險(xiǎn)預(yù)警的工作流程，對火險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行分析設(shè)計(jì).

1　整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的功能是通過在森林的入口處（包括墓區(qū)）部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的方法，通過Zigbee將數(shù)據(jù)發(fā)送到中轉(zhuǎn)設(shè)備（網(wǎng)關(guān)），網(wǎng)關(guān)將當(dāng)前的環(huán)境信息發(fā)送到監(jiān)控中心.監(jiān)控中心通過解析數(shù)據(jù)，將多個(gè)監(jiān)控區(qū)域的環(huán)境信息通過GIS顯示在屏幕上.10個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分布在以半徑100米的圓形區(qū)域內(nèi)，其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)做為匯集節(jié)點(diǎn)專門用來收集各個(gè)節(jié)點(diǎn)Zigbee發(fā)送來的數(shù)據(jù)，再經(jīng)過Zigbee發(fā)送到網(wǎng)關(guān).該網(wǎng)關(guān)設(shè)備可以是車載、手持也可以固定在某一個(gè)位置上.網(wǎng)關(guān)帶有GPS/BDS導(dǎo)航模塊，能夠?qū)⒈O(jiān)控區(qū)域的位置發(fā)送到監(jiān)控中心.

圖1整體結(jié)構(gòu)示意圖

2　傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

圖2傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖

傳感器節(jié)點(diǎn)的功能是采集當(dāng)前環(huán)境中的溫度、濕度以及和火災(zāi)相關(guān)的CO、CO2濃度、火焰?zhèn)鞲衅鞯刃畔?這些信息通過Zigbee發(fā)送到匯集節(jié)點(diǎn)[4].同時(shí)也能夠從匯集節(jié)點(diǎn)接受命令.該節(jié)點(diǎn)部署在野外，且無法集中供電，所以傳感器節(jié)點(diǎn)的MCU采用的是TI公司的MSP430F149，低電壓、超低功耗.工作電壓3.6V～1.8V，正常工作模式280μA@1MHz，2.2V，待機(jī)模式1.6μA，RAM數(shù)據(jù)保存的掉電模式下0.1μA.本系統(tǒng)采用的是3.2V紐扣電池供電.本系統(tǒng)對溫度和濕度的要求不是很高，采用的DHT11，它是一款有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度傳感器.精度濕度+-5%RH，溫度+-2℃，量程濕度20-90%RH，溫度0～50℃.能夠滿足對環(huán)境溫濕度的測定.采用TI公司的CC2530為核心的Zigbee模塊，工作頻率為2.4GHz，使用的協(xié)議為Z-Stack?協(xié)議棧.傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示.

在森林火災(zāi)的初期，可燃物不充分燃燒，會(huì)產(chǎn)生大量的CO氣體.MQ-7氣體傳感器用來監(jiān)測CO，當(dāng)空氣中的CO濃度超過設(shè)定的閾值時(shí)，輸出低電平，產(chǎn)生中斷信號(hào)，MCU響應(yīng)中斷信號(hào).煙霧是火災(zāi)的前兆和伴隨產(chǎn)物.火災(zāi)作為無組織的燃燒過程，主要特點(diǎn)是不完全燃燒，其外在表現(xiàn)為大量的煙霧的產(chǎn)生.火災(zāi)初期這一現(xiàn)象尤為明顯和突出，MQ-2煙霧傳感器來檢測空氣中煙霧.[森林火災(zāi)的自動(dòng)識(shí)別沈陽工業(yè)大學(xué)]傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)物圖如圖3所示.

圖3傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖

3　網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心除了關(guān)心森林中的信息以外，還關(guān)心當(dāng)前所監(jiān)測森林的位置信息、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象因素.所以網(wǎng)關(guān)的作用除了接收監(jiān)測節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)通過GPRS發(fā)送到服務(wù)器以外，還具有定位當(dāng)前監(jiān)控位置的經(jīng)緯度、當(dāng)前的風(fēng)向和風(fēng)速信息，并將這些信息通過GPRS發(fā)送到服務(wù)器；同時(shí)還可以保存監(jiān)測節(jié)點(diǎn)所發(fā)的信息，森林的位置信息使用的GPS模塊為和芯星通公司的UM220-III北斗/GPS雙系統(tǒng)導(dǎo)航/授時(shí)模塊，除了能夠進(jìn)行精確定位以外，還可以進(jìn)行精確的授時(shí).所采集的信息通過GPRS傳輸?shù)焦W(wǎng)固定IP的端口上，再經(jīng)過端口映射發(fā)送到內(nèi)網(wǎng)指定IP的端口上.中轉(zhuǎn)設(shè)備系統(tǒng)采用Cortex-A8（ARM開發(fā)板）平臺(tái)，移植Linux操作系統(tǒng)，并在系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用程序.網(wǎng)關(guān)的實(shí)物圖如圖4所示.

圖4網(wǎng)關(guān)實(shí)物圖

4　監(jiān)控端軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控端軟件由兩部分組成.第一部分為數(shù)據(jù)接收（服務(wù)器），系統(tǒng)開機(jī)以后自啟動(dòng).考慮到森林防火節(jié)點(diǎn)比較多的情況，使用多線程編程技術(shù)實(shí)現(xiàn).主線程通過Socket編程，偵聽并接收GPRS發(fā)送到固定端口的數(shù)據(jù)；子線程對主線程收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以后插入到數(shù)據(jù)庫中.第二部分為數(shù)據(jù)顯示，包括構(gòu)建溫度折線圖（使用ZedGraph第三方控件）和地圖構(gòu)建，使用百度地圖的JavaScriptAPI進(jìn)行GIS系統(tǒng)開發(fā)[ ].當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)檢測得數(shù)據(jù)超標(biāo)后，監(jiān)控終端要對相對人員進(jìn)行防火預(yù)警.

該部分提供的功能有：

（1）數(shù)據(jù)顯示：顯示各節(jié)點(diǎn)溫度，經(jīng)緯度，CO2與CO濃度，火焰大小.

（2）圖形顯示：溫度折線圖，地圖經(jīng)緯度定位數(shù)據(jù)顯示.

（3）業(yè)務(wù)處理：對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，對超出合理范圍數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警（彈出提示框），數(shù)據(jù)按年月日查詢等.

軟件使用截圖如圖5所示.

圖5軟件使用截圖

5　測試與總結(jié)

本系統(tǒng)在使用三個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的條件下進(jìn)行了實(shí)地測試，CO2、火焰以及煙霧傳感器能夠及時(shí)檢測到數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到GIS服務(wù)器端，能夠滿足基本的要求.未來將圍繞著采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息融合，同時(shí)對火災(zāi)預(yù)警等級(jí)進(jìn)行量化，方便使用.

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參考文獻(xiàn)：

〔1〕李祥林，包理群，李穎.森林火災(zāi)遠(yuǎn)程監(jiān)測及移動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2012，29(4)：159-162.

〔2〕正綱，李寧，張明敏.山火對湖南電網(wǎng)運(yùn)行影響及應(yīng)對措施[J].湖南電力2012，32(1)：33-35.

〔3〕狄麗穎，孫仁義.中國森林火災(zāi)研究綜述[J].災(zāi)害學(xué)，2007，22（4）：118-122.

〔4〕狄飛，張莉君.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J].福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011(04).

〔5〕百度LBS開放平臺(tái)：http：//developer.baidu.com/map/library.htm.

中圖分類號(hào)：P208；S762.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-260X（2015）07-0203-02