基于改進(jìn)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的森林資源防火監(jiān)測(cè)

侯慧

摘要：為了對(duì)森林火災(zāi)進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，提高應(yīng)對(duì)速度，減少火災(zāi)損失，該文提出了一種高速精確的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：基于改進(jìn)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的森林防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究。該系統(tǒng)采用無(wú)線傳感的方式，依賴無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，全天候?qū)ι诌M(jìn)行火災(zāi)監(jiān)測(cè)。該研究對(duì)森林防火信號(hào)接收與紅外線信號(hào)傳遞進(jìn)行了分析，并對(duì)改進(jìn)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的傳感節(jié)點(diǎn)，短距離和森林煙霧防火系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，結(jié)果表明，該系統(tǒng)比傳統(tǒng)的傳感網(wǎng)絡(luò)的森林防火監(jiān)測(cè)更快，更精準(zhǔn)，更經(jīng)濟(jì)，其實(shí)用價(jià)值更高。

關(guān)鍵詞：改進(jìn)；無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)；森林資源；監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）11-0037-03

Fire Prevention Monitoring of Forest Resources Based on Improved Wireless Sensor Networks

HOU Hui

（Guiyang Forest Department ，Chengzhou 424400，China）

Abstract： In order to accurately monitor forest fires， improve response speed and reduce fire losses， this article proposes a high-speed and precise forest fire monitoring system： forest fire preventing monitoring system based on improved wireless sensor network. This system uses wireless sensor manner and relies on wireless networks， which could monitor forest fires around the clock. In this study， the receiving of forest fire signals and the transmission of infrared signals are analyzed， and also sensor nodes in wireless sensor network are improved. What's more， the fire prevention system of short-distance and forest smoke is system atacially designed. The results show that this system is faster， more accurate and more economical compared to traditional forest fire prevention monitoring based on sense networks， and its practical value is higher.

Key words： improvement； wireless sensor networks； forest resources； monitoring

通常意義上，森林火災(zāi)是指自然的非人為的火災(zāi)，通過(guò)自然界的某種因素導(dǎo)致起火，在森林里自由蔓延與擴(kuò)張而形成的火災(zāi)。并且其具有危害森林資源的特殊性，具有很大的破環(huán)作用，給生態(tài)和環(huán)境帶來(lái)很大的影響，甚至威脅到人類的生存，破壞環(huán)境的和諧可持續(xù)發(fā)展。

正是因?yàn)樯只馂?zāi)的危害性，為盡量減少森林火災(zāi)帶來(lái)的損失，世界上大部分國(guó)家都有對(duì)森林火災(zāi)進(jìn)行檢測(cè)與防范。在監(jiān)測(cè)與防范的的手段與方法上，主要需要考慮的關(guān)鍵因素是發(fā)現(xiàn)火災(zāi)與及時(shí)報(bào)警，其中最關(guān)鍵的是監(jiān)測(cè)的手段與技術(shù)。監(jiān)測(cè)措施通?？煞譃榭臻g監(jiān)測(cè)及地面巡護(hù)、瞭望臺(tái)定點(diǎn)觀測(cè)、空中飛機(jī)巡護(hù)和空間衛(wèi)星監(jiān)測(cè)這四個(gè)空間與層次。在最短的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，精確定位火災(zāi)點(diǎn)，判斷火災(zāi)大小、方向、趨勢(shì)，以及火災(zāi)發(fā)展的整個(gè)過(guò)程，甚至包括或者的一些職能分心等，這些都是森林火災(zāi)檢測(cè)系統(tǒng)的主要功能[1-3]。在很長(zhǎng)的歷史階段，火災(zāi)監(jiān)測(cè)主要依靠的是護(hù)林員，護(hù)林員在茫茫林海里進(jìn)行巡查、瞭望和守護(hù)。這些工作自然受到諸多條件的限制，比如天氣、煙霧、以及護(hù)林員主觀因素的影響等，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)的效果不是很理想，處理火災(zāi)效率很低。如果依靠別的高成本的手段如飛機(jī)等，也很不現(xiàn)實(shí)。這些都會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)的損失擴(kuò)大和不可控制。

目前對(duì)整個(gè)世界來(lái)說(shuō)，森林火災(zāi)是一個(gè)全球性的問(wèn)題?；馂?zāi)監(jiān)測(cè)也是一個(gè)世界性的研究課題。林火檢測(cè)是森林管理不可缺少的環(huán)節(jié)，在森林管理上采用什么樣的林火監(jiān)測(cè)技術(shù)，關(guān)系到林火管理，關(guān)系到森林資源的保護(hù)，意義非常重大。正是因?yàn)檫@些，全世界的森林專家一直不懈努力，林火監(jiān)測(cè)技術(shù)也不斷發(fā)展和提高。

在國(guó)際上，很多國(guó)家曾經(jīng)采用的方式是建立林火觀測(cè)塔，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，普遍建立了林火自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[4]。這種系統(tǒng)一般由兩部分組成：林火傳感器與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中心。通常的做法是將傳感器安裝在森林里，傳感器連接到監(jiān)測(cè)中心，在具體技術(shù)上一般采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與若干無(wú)線傳感器進(jìn)行連接。這些傳感器上通常都裝有可全方位旋轉(zhuǎn)的彩色相機(jī)，一般設(shè)置高度為25-50m，數(shù)據(jù)傳給計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理與分析，能自動(dòng)識(shí)別煙火，將有關(guān)數(shù)據(jù)傳給監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并作出判斷，采取相應(yīng)措施。另外，有的國(guó)家如意大利采用的是紅外線監(jiān)測(cè)器來(lái)防范森林火災(zāi)[5-6]。這種監(jiān)測(cè)器能夠感知較大范圍的森林火災(zāi)溫度，最遠(yuǎn)可達(dá)1200公里，能在火焰燃燒前發(fā)出預(yù)警。具體做法是在森林中樹(shù)立火災(zāi)監(jiān)測(cè)塔，在塔上安裝傳感設(shè)備。設(shè)備對(duì)林地360度掃描，如果連續(xù)多次掃描的結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)地面溫度升高，則發(fā)出火災(zāi)預(yù)警。這種系統(tǒng)還會(huì)與氣象臺(tái)的數(shù)據(jù)相連。

目前，隨著科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展，在森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)方面應(yīng)用的科技技術(shù)也越來(lái)越多，森林防火工作正一天天走向系統(tǒng)化、智能化，高科技化與綜合化。使用改進(jìn)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)便要克服上述的缺點(diǎn)?？梢栽谳^高的瞭望臺(tái)或者監(jiān)測(cè)塔上放置紅外線探測(cè)設(shè)備，探測(cè)整個(gè)環(huán)境的火情并將具體林火進(jìn)行定位，也可以通過(guò)林火的煙霧來(lái)進(jìn)行定位，既是在夜晚，也能進(jìn)行正常的監(jiān)測(cè)工作，不論林火的大小與位置，都能監(jiān)測(cè)。本文以森林防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對(duì)森林的煙霧，短距離通信節(jié)點(diǎn)與無(wú)線通信傳感節(jié)點(diǎn)在森林防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)，從而得出，該新型系統(tǒng)比傳統(tǒng)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有成本相對(duì)低廉、系統(tǒng)靈敏度更高、數(shù)據(jù)采集與傳輸更快、系統(tǒng)管理更加人性化的優(yōu)點(diǎn)，更加有利于對(duì)森林火災(zāi)的監(jiān)測(cè)與管理。

1 森林防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

森林防火自動(dòng)紅外線檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以抽象為一個(gè)中心與多個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的連結(jié)。每個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)由監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝在瞭望臺(tái)構(gòu)成，對(duì)一定范圍的森林面積進(jìn)行360度全方位搜索掃描。這些站點(diǎn)連接到監(jiān)測(cè)中心，如果某個(gè)站點(diǎn)搜索到森林火災(zāi)，數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線的方式傳達(dá)中心，系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，確定火災(zāi)基本情況并精確定位。同時(shí)這個(gè)監(jiān)測(cè)站能將數(shù)據(jù)發(fā)送給整個(gè)系統(tǒng)中的其它監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，其它站點(diǎn)收到信息后馬上對(duì)各自周邊的森林進(jìn)行檢測(cè)，將有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比與判斷，將數(shù)據(jù)傳達(dá)給監(jiān)測(cè)中心。監(jiān)測(cè)中心對(duì)各方來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)加工和處理，將火災(zāi)情況形成數(shù)據(jù)報(bào)告，包括火災(zāi)發(fā)生的精確位置與火情介紹。森本防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如1所示：

圖1 森林防火系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)

1.1 森林防火信號(hào)接收

圖2 火災(zāi)信息傳送示意圖

從圖2中，我們不難看出，森林火災(zāi)的具體信息傳遞采用無(wú)線傳輸?shù)姆绞?，將?shù)據(jù)傳達(dá)給監(jiān)測(cè)中心，管理人員也可以通過(guò)物理鏈路接受到單一的警報(bào)信息，也可以通過(guò)數(shù)據(jù)屏實(shí)現(xiàn)獲得。但對(duì)火災(zāi)的具體位置與大小以及其它森林環(huán)境特征等信息的獲得必須通過(guò)監(jiān)測(cè)中心的系統(tǒng)分析獲得。而這些信息是掌控火災(zāi)的第一手資料，為保護(hù)森林資源提供了最重要的信息。另外，如果對(duì)森林火災(zāi)情況想要有一個(gè)更為直觀的了解，需要圖像資料，只需要調(diào)用傳輸過(guò)來(lái)的紅外線圖像資料就可以了，而這也更加有利于對(duì)火災(zāi)的了解和分析。

1.2森林防火紅外線

在森林火災(zāi)火勢(shì)燃燒擴(kuò)大的同時(shí)，也會(huì)有一部分能量通過(guò)輻射蔓延的形式進(jìn)行傳遞，其形式是通過(guò)能量電磁波傳遞。熱輻射傳遞的過(guò)程是因物體發(fā)熱而發(fā)生能量。其中輻射與熱輻射傳播的范圍都是在真空當(dāng)中，二者之間并沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別，都能將能量形式進(jìn)行轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移，即熱能與輻能的循環(huán)轉(zhuǎn)換傳遞。當(dāng)然，熱輻射其波長(zhǎng)本身具有從零到無(wú)窮大的特點(diǎn)，長(zhǎng)的時(shí)候可囊括整個(gè)電磁波范圍。但同時(shí)也會(huì)受物體溫度范圍大小影響，其具有實(shí)際價(jià)格意義的波長(zhǎng)范圍僅在0.39～100 μ m之間，當(dāng)紅外波長(zhǎng)是在0.75～20 μm之間時(shí)，紅外能感應(yīng)的波長(zhǎng)區(qū)域就會(huì)很小，從而我們得知，當(dāng)它的波長(zhǎng)值小于0.75 μ m時(shí)，人們可用眼睛可直觀到他們，反之當(dāng)波長(zhǎng)大于0.75 μm時(shí)，人的眼睛是搜索看不見(jiàn)波長(zhǎng)的。

2 改進(jìn)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)

改進(jìn)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)節(jié)點(diǎn)的要求會(huì)更高，同時(shí)要求的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要具有監(jiān)測(cè)、控制性，在設(shè)計(jì)的時(shí)候要特別注意，因?yàn)椴煌木硾r會(huì)造就不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，自然會(huì)形成不同的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一般而言，傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是不輕易變化的，但也要考慮到傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)本身所賦予的各種通信能量及處理的能力也會(huì)具有局域性，限制性，基于此勢(shì)必使得傳統(tǒng)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)僅僅只局限于寬帶的有效利用與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的促進(jìn)，其次才是對(duì)能源資本的節(jié)約，但改進(jìn)的新型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)則不同，它的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)就是能源的高效充分使用。它具有大規(guī)模、動(dòng)態(tài)性，自組織，可靠，應(yīng)用與數(shù)據(jù)處理為中心的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)。因而要求路由器也要同時(shí)具有能量高效、可擴(kuò)展性、快速收斂性與魯棒性等特點(diǎn)。森林資源工作人員可利用這些無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收集、發(fā)送、監(jiān)控與定位。系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1森林防火傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

要使整個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)保持它的可靠穩(wěn)定性，就得通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)與控制，因而森林林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)就顯得尤為重要。然而，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)也會(huì)受成本、電源電量以及體積等諸多條件的約束，因而通信在距離較短，通信的儲(chǔ)存處理能力相對(duì)薄弱時(shí)，一般情況下系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的選擇一條與自己附近最近距離的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行交換，從而形成自身的嵌入系統(tǒng)，完成它的使命，但這也不是絕對(duì)唯一的，有時(shí)也會(huì)跳過(guò)，經(jīng)多方路由來(lái)感應(yīng)在此范圍之外的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集處理。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林防火節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林防火節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

如圖4所示，從圖中我們可看出組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林防火節(jié)點(diǎn)模塊是處理器模塊、能量供應(yīng)模塊、傳感器模塊和無(wú)線通信模塊。其中處理器模塊其主要功能就是一個(gè)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存與處理；傳感器模塊主要的功能是用來(lái)對(duì)森林林火數(shù)據(jù)的一個(gè)采集；各大傳感節(jié)點(diǎn)匯聚在一起組成的網(wǎng)絡(luò)就構(gòu)成了無(wú)線通信模塊，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；為傳感器節(jié)點(diǎn)提供電能的是能量供應(yīng)模塊。

2.2 短距離無(wú)線通信的設(shè)計(jì)

森林林區(qū)火災(zāi)監(jiān)測(cè)的整個(gè)過(guò)程，對(duì)電池電量的要求并不高，因?yàn)樗鼈鬏數(shù)南到y(tǒng)數(shù)據(jù)流量較小且傳輸速率要求也低。反之，系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)距離越長(zhǎng)，對(duì)其通信的設(shè)備消耗的功率以及系統(tǒng)成本也會(huì)要求越高。本文將無(wú)線通信技術(shù)與ZigBee、Bluetooth、IRDA技術(shù)四者在覆蓋范圍、傳輸速率、聯(lián)網(wǎng)時(shí)間、最大功耗以及電池壽命等方面進(jìn)行了比較。從表1中可看出利用ZigBee改進(jìn)的傳感網(wǎng)絡(luò)在其覆蓋范圍、最大功耗，使用成本壽命等方面都要優(yōu)于后三者，是目前為止，森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最佳通信方式。

表1 不同的無(wú)線通信監(jiān)測(cè)技術(shù)比較

[技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)＼&ZigBee＼&Bluetooth＼&IRDA＼&803.21＼&覆蓋范圍＼&40m-302m＼&4m＼&11m＼&<31m＼&傳輸速率＼&256Kb/s＼&1.53Mb/s＼&1Mb/s＼&1Mbps-10Mbps＼&聯(lián)網(wǎng)時(shí)間＼&33ms＼&高達(dá)11s＼&ms＼&3s＼&連接設(shè)備數(shù)＼&65313＼&3＼&6＼&254＼&最大功耗＼&1mW-4mW＼&12mW＼&1mW-10mW＼&102mW＼&網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性＼&自動(dòng)擴(kuò)展＼&無(wú)＼&無(wú)＼&無(wú)＼&使用成本＼&低＼&低＼&低＼&一般＼&電池壽命＼&6個(gè)月-3年＼&1-7天＼&1天＼&1-7天＼&應(yīng)用途徑＼&傳感、控制、與家庭網(wǎng)絡(luò)＼&無(wú)線與家庭局域網(wǎng)＼&近距離無(wú)障礙數(shù)據(jù)

傳輸＼&無(wú)線局域網(wǎng)＼&]

2.3 森林煙霧傳感器設(shè)計(jì)

判斷森林火災(zāi)的發(fā)生嚴(yán)重程度，往往煙霧數(shù)據(jù)就是最直觀最重要的。當(dāng)森火燃燒的火勢(shì)非常明顯時(shí)，自然會(huì)產(chǎn)生很高的溫度與濃煙霧，傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)會(huì)在此時(shí)迅速的采集這些信息，進(jìn)行分析與處理，從而判斷火災(zāi)的嚴(yán)重與否，發(fā)生與否。排除人為的吸煙產(chǎn)生的非火災(zāi)因素的干擾，貽誤實(shí)際災(zāi)情，為此該系統(tǒng)也會(huì)在第一時(shí)間內(nèi)對(duì)傳感的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度與煙霧濃度，深度的綜合分析判斷。如圖5所示，就是對(duì)整個(gè)森林煙霧傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

圖5 森林煙霧傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著互聯(lián)網(wǎng)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，各國(guó)對(duì)于森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的途徑與手段也越來(lái)越多樣，越來(lái)越先進(jìn)，傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感林火資源監(jiān)測(cè)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)在的需求發(fā)展。本文通過(guò)一種新的改進(jìn)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)森林防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)過(guò)行了短距離通信節(jié)點(diǎn)、傳感節(jié)點(diǎn)與森森煙霧系統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)，最后再通過(guò)比較得出，該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的不足，能夠節(jié)省成本，電池電量要求更低，能第一時(shí)間內(nèi)快速精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)出森林火災(zāi)的發(fā)生及嚴(yán)重程度，比傳統(tǒng)的森林防火系統(tǒng)更具有實(shí)用價(jià)值，在森林環(huán)境監(jiān)測(cè)方面能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

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