基于物聯網的森林防護、預警及監(jiān)控系統(tǒng)

王浩+王芹

[摘要]森林火災是森林最危險的敵人，會給森林帶來毀滅性的后果。森林火災不但燒毀成片的森林，傷害林內的動物，而且降低了森林的繁殖能力，引起土壤的貧瘠，破壞森林涵養(yǎng)水源的作用，甚至會導致生態(tài)環(huán)境失去平衡。森林防護預警及監(jiān)控系統(tǒng)將無人機和物聯網技術應用在森林防護中，通過對林區(qū)的巡航檢測，實時反饋信息，一旦發(fā)現火情，無人機將火情信息傳送給無人機站，由無人機站將信息發(fā)送給管理中心。整個系統(tǒng)的運用，增強了反應能力，避免了較大的火災損失。

[關鍵詞]無人機；物聯網；監(jiān)控系統(tǒng)

[DOI]1013939/jcnkizgsc201721124

1背景

森林火災是森林最危險的敵人，也是林業(yè)最可怕的災害，它會給森林帶來危害，最具有毀滅性的后果。森林火災不但燒毀成片的森林，傷害林內的動物，而且還降低森林的繁殖能力，引起土壤的貧瘠和破壞森林涵養(yǎng)水源的作用，甚至會導致生態(tài)環(huán)境失去平衡。盡管當今世界的科技在日新月異地向前發(fā)展，但是，人類在預防森林火災上卻依然尚未取得長久的進展。

森林火災危害大，撲滅困難，于是在火災還在萌芽狀態(tài)立即撲滅它就顯得尤為重要。森林火災因為常常處在深山老林中，不易發(fā)現，故而發(fā)現火災對于早撲滅火災具有重要意義。

2傳統(tǒng)滅火方式

21興建瞭望塔

瞭望臺監(jiān)測，是通過瞭望臺來觀測林火的發(fā)生，確定火災發(fā)生的地點，報告火情，它的優(yōu)點是覆蓋面較大、效果較好。存在的不足：是無生活條件的偏遠林區(qū)不能設瞭望臺；它的觀察效果受地形地勢的限制，覆蓋面小，有死角和空白，觀察不到，對煙霧濃重的較大面積的火場、余火及地下火無法觀察；雷電天氣無法上塔觀察；瞭望是一種依靠瞭望員的經驗來觀測的方法，準確率低，誤差大。另外，瞭望員人身安全受雷電、野生動物等的威脅。

22建立視頻監(jiān)控系統(tǒng)

這是目前國內主流的監(jiān)控方式。這是傳統(tǒng)城市監(jiān)控的簡單延伸，將采集視頻圖像通過微波匯總，由人工完成集中監(jiān)視。

人工監(jiān)視易造成肉眼疲勞，視頻中的火情不易被察覺，造成漏報；監(jiān)控中心的視頻線路較多，人工監(jiān)視也無法一一監(jiān)看，易造成漏報。所以，傳統(tǒng)視頻監(jiān)控的最大缺點是漏報率非常高。傳統(tǒng)視頻監(jiān)控是非數字化系統(tǒng)，許多智能應用無法實現。

23建立智能預警系統(tǒng)

這是森林防火的發(fā)展方向，實現森林防火的智能化，信息化。利用無縫融合智能圖像識別技術、面向對象的3D GIS技術、大型網絡監(jiān)控技術等高新技術，利用多項專利技術，結合林業(yè)管理的專業(yè)知識和林業(yè)防火的經驗，建立林業(yè)防火智能監(jiān)測預警及應急指揮系統(tǒng)，從而實現林區(qū)視頻的自動監(jiān)控、煙火準確識別、火點精確定位、火情蔓延趨勢推演、撲救指揮的輔助決策、災后評估等多方面功能，建立森林防火的完整業(yè)務鏈，并針對性地解決用戶的各種個性化需求。

如“森林衛(wèi)士365”系列產品，主要由前端智能監(jiān)控產品和后端應用系統(tǒng)構成。前端智能監(jiān)控產品包括重型數字云臺、基站智能控制箱、嵌入式的煙火識別智能處理器等；后端應用系統(tǒng)包括海普聯網監(jiān)控管理平臺、基于ArcGIS平臺的森林防火輔助決策及應急指揮系統(tǒng)。

3系統(tǒng)主要任務

31無人機自動巡航技術

本項目采用無人巡防飛行器攜帶火焰?zhèn)鞲衅鳌⒓t外傳感器、地磁傳感器對所覆蓋林區(qū)進行定時巡航。經過反復設計與不斷實驗，本項目的無人巡防飛行器已經可以自主起飛、避障、自主返航、上報巡查結果、自主充電，真正實現了全智能化。

32物聯網技術

本項目采用GPRS鏈路為無人機站與服務器之間建立網絡連接，傳輸速率為48kbps。當無人機巡航發(fā)現火情后，通過GPRS發(fā)給無人機站，由機站把火情信息發(fā)給服務器及管理員手機上面，管理人員即可知道該無人機站附近發(fā)現著火點。后臺管理人員通過物聯網技術可以方便地掌握整個系統(tǒng)的運行狀況，并可以遠程對該系統(tǒng)發(fā)送控制指令。

33火焰信號的檢測

火焰信號包含了紫外光譜信號與紅外熱信號，經過反復的實驗與比較，本項目對火焰的檢測主要采用了判斷其紫外光譜信號的方案，該方案具有靈敏度高、抗干擾能力強等特點。目前本項目的甄別火源能力已經達到預期要求，通過判別火焰中紫外光，來識別火源。

34煙霧信號的探測

除了對火焰進行檢測外，還需要對煙霧進行探測，森林中一旦有火情，起初會有煙霧，能夠對煙霧進行檢測，也是監(jiān)控重要的一個方面。本項目經過反復驗證與實驗最終采用了氣敏傳感器與CCD圖像處理系統(tǒng)協(xié)同處理的方式，可準確判斷煙霧。在無人機站安裝上述傳感器后，通過云臺進行觀察。

35綠色新能源系統(tǒng)

本系統(tǒng)供電采用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，設計了多電壓逆變系統(tǒng)。通過休眠節(jié)能化設計，在未發(fā)生火情的情況下，極大地減小處理器和外圍電路的電能損耗，節(jié)省能源80%以上。

4系統(tǒng)原理框圖

本項目采用無人巡防飛行器攜帶火焰?zhèn)鞲衅?、紅外傳感器、地磁傳感器對所覆蓋林區(qū)進行定時巡航。經過反復設計與不斷實驗，本項目的無人巡防飛行器已經可以自主起飛、避障、自主返航、上報巡查結果、自主充電，真正實現了全智能化。本項目采用GPRS鏈路為無人機站與服務器之間建立網絡連接，傳輸速率為48kbps。當無人機巡航發(fā)現火情后，通過GPRS發(fā)給無人機站，由機站把火情信息發(fā)給服務器及管理員手機上面，管理人員即可知道該無人機站附近發(fā)現著火點。后臺管理人員通過物聯網技術可以方便地掌握整個系統(tǒng)的運行狀況，并可以遠程對該系統(tǒng)發(fā)送控制指令。

5結論

通過本項目，我們驗證了通過無人機對森林自主巡防的可行性，本項目把無人機技術、物聯網技術、傳感器技術進行有機結合，形成一套功能完善、實用性強的森林防護產品。目前項目組正在與北海林場進行洽談協(xié)商，準備在春天風大干燥的時候在北海林場進行試驗，產品成熟后，市場前景非?？捎^。

參考文獻：

[1]都基焱 段連飛無人機電視偵察目標定位原理[M].合肥：中國科學技術大學出版社，2013

[2]Rogelio Lozano無人機嵌入式控制[M].北京：國防工業(yè)出版社，2014

[3]曾慶華無人飛行控制技術與工程[M].北京：國防工業(yè)出版社，2011