智能探測系統(tǒng)在森林火災(zāi)防范中的應(yīng)用

孫翠　趙雪玲　孫佳興　馬紹華

摘要：為了實(shí)時監(jiān)測森林的溫度，快速有效地對森林火災(zāi)進(jìn)行實(shí)時防范，該文設(shè)計了基于simpliciT1協(xié)議的溫度控制系統(tǒng)，建立了理論模型并對模型進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，同時采用了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的研究方法，利用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，GSM無線通信技術(shù)，無線傳感器技術(shù)解決了傳統(tǒng)的有線溫度采集對象的確立和數(shù)據(jù)傳輸距離的問題，通過數(shù)據(jù)分析及仿真實(shí)驗(yàn)表明，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，精確度高，傳輸距離長可以實(shí)現(xiàn)森林火災(zāi)的實(shí)施監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：溫度；GSM無線通信；無線傳感器；simpliciT1協(xié)議；智能探測系統(tǒng)

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）36-0159-04

Abstract： In order to monitor the forest temperature in real time and prevent the forest fire quickly and effectively， this paper designs a temperature control system based on the simpliciT1 protocol， establishes a theoretical model and simulates the model. At the same time， the experimental verification method ， The use of wireless network technology， GSM wireless communication technology， wireless sensor technology to solve the traditional establishment of wired temperature acquisition and data transmission distance problems， data analysis and simulation experiments show that the control system has the advantages of simple structure， high accuracy， transmission distance Long can achieve the implementation of monitoring of forest fires.

Key words： temperature；GSM wireless communication；wireless sensor；simpliciT1 protocol； intelligent detection system

1 概述

近幾年調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，我國的森林覆蓋率已經(jīng)達(dá)到了20%左右，森林火災(zāi)會造成國家資源的嚴(yán)重?fù)p失，面對大面積的森林，由于傳統(tǒng)的人工防火方式顯得過于簡陋且會消耗大量的人力資源，而且并不能主動實(shí)時地監(jiān)控森林的具體情況。同時，在影響森林火災(zāi)的環(huán)境因子中，溫度的精確監(jiān)測和穩(wěn)定控制是防御森林火災(zāi)的關(guān)鍵之處，傳統(tǒng)的溫度系統(tǒng)中采用熱敏電阻，通過設(shè)計信號調(diào)理電路并經(jīng)過復(fù)雜的校準(zhǔn)和標(biāo)定過程，同時采用的控制器為一個整體模塊無法將某個單一模塊用具有相同功能的其他部件代替，不僅精度低，而且成本高。針對這一情況，采用了智能集成溫度傳感器，將溫度傳感器集成在一個很小的芯片上，可以對溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。模擬信號的輸出功能采用CC2530芯片，同時，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以無線網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的溫度控制系統(tǒng)憑借其操作簡單、性能穩(wěn)定、測量精度高，信息傳遞迅速等諸多優(yōu)點(diǎn)滿足了森林溫度探測系統(tǒng)智能化，小型化，低功率的發(fā)展要求，為森林溫度監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)提供了新思路。除此之外，溫度系統(tǒng)應(yīng)用的領(lǐng)域不同，需要監(jiān)測和控制的對象也是不同的，所以系統(tǒng)的設(shè)計會隨著監(jiān)測對象的不同有著很大的區(qū)別。本文選擇秦嶺北麓森林淺山區(qū)作為監(jiān)測環(huán)境，利用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對森林小氣候效應(yīng)監(jiān)測，設(shè)計了組網(wǎng)簡單，具有實(shí)時防范作用的無線智能溫度探測系統(tǒng)。

1 溫度探測系統(tǒng)

溫度采集系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)（SN）和測控中心節(jié)點(diǎn)（CN）構(gòu)成，首先，控制系統(tǒng)通過各前端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)上的溫度傳感器對森林中各區(qū)域的溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過監(jiān)控模塊和傳感器模塊實(shí)現(xiàn)無線傳送溫度因子，然后經(jīng)過單片機(jī)處理后傳感器節(jié)點(diǎn)把采集到的溫度數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸給測控中心節(jié)點(diǎn)（CN），CN 通過無線通信串口將接收到的數(shù)據(jù)傳輸給PC機(jī)，并在PC的實(shí)時監(jiān)控平臺上進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，分析處理以及保存，從而實(shí)現(xiàn)森林溫度的無線智能調(diào)控，最后終端用戶通過設(shè)計的接口和軟件讀取并查看采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該采集系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)采用了CC2530芯片為微處理器，該芯片是TI公司推出的無線射頻單片機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)simpliciT1協(xié)議無線網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)，從而設(shè)計一個基于simpliciT1的通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將組成該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)分布于秦嶺北麓的各個典型地區(qū)，對各地區(qū)的溫度進(jìn)行采集。圖2所示為該系統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)組成結(jié)構(gòu)。傳感器節(jié)點(diǎn)（SN）主要通過監(jiān)控模塊與溫度傳感器模塊將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給測控中心節(jié)點(diǎn)（CN），此時CN通過分析處理判斷是否命令SN作出相應(yīng)的操作，形成一個反饋系統(tǒng)。同理，CN的工作原理與其類似，在傳感器節(jié)點(diǎn)上增加了一個串口通信模塊，本系統(tǒng)采用GSM 通信模塊，其中具有sink 節(jié)點(diǎn)（匯聚節(jié)點(diǎn)）會對采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行再次的加工處理，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的長距離傳輸，解決了傳輸距離的問題。針對監(jiān)控模塊，本系統(tǒng)分為移動式和終端式界面來實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時接收和精確監(jiān)測，同時可以實(shí)現(xiàn)查看歷史數(shù)據(jù)信息、數(shù)據(jù)分析與處理以及數(shù)據(jù)存儲等，終端式監(jiān)測因?yàn)閿?shù)據(jù)信號在傳輸過程存在一定的衰減，因此在傳輸過程中應(yīng)增加接力節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行透明傳輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。并且兩者都可以?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的監(jiān)測并通過溫度波形圖顯示各個監(jiān)測區(qū)域的監(jiān)測信息。

本系統(tǒng)通過可靠的路由協(xié)議和智能的部署方法搭建星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用模塊化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對秦嶺北麓重要地區(qū)進(jìn)行具有典型代表的數(shù)據(jù)采集工作，可以在同一時間對森林多點(diǎn)進(jìn)行溫度的采集，從而使數(shù)據(jù)更加具有有效性和整體性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

目前國際上有多種智能溫度傳感器，主要特點(diǎn)即是能輸出溫度數(shù)據(jù)和相關(guān)的溫度的關(guān)系量又能為其配置各種微控制器，本系統(tǒng)在硬件的基礎(chǔ)上對軟件做出了進(jìn)一步的開發(fā)。每個測控中心節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)采集與路由功能，為了分辨出數(shù)據(jù)來自哪個節(jié)點(diǎn)，收到的數(shù)據(jù)是溫度值還是命令字，特設(shè)計數(shù)據(jù)協(xié)議.通過比較目的地址與本機(jī)地址進(jìn)行判斷，同時，傳感器節(jié)點(diǎn)程序主要由初始化主程序和中斷子程序兩部分構(gòu)成，在初始化主程序中傳感器通過初始化后建立網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，加入網(wǎng)絡(luò)并連接成功后將采集的溫度信息發(fā)送給測控終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理判斷，若超出了限定值測控終端將發(fā)送數(shù)據(jù)幀給PC機(jī)，同時給測控中心節(jié)點(diǎn)一個反饋信息，從而喚醒傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)并查詢當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的可用信道發(fā)送給測控節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)了可靠通信。具體架構(gòu)圖如圖3所示：

4 溫度智能監(jiān)控管理系統(tǒng)

溫度智能監(jiān)控管理系統(tǒng)為實(shí)時監(jiān)控平臺，主要針對實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員和系統(tǒng)管理人員，根據(jù)智能溫度探測系統(tǒng)項(xiàng)目的規(guī)劃，結(jié)合渭南秦嶺北麓森林地區(qū)實(shí)際情況，需要在森林里部署N個智能化森林溫度監(jiān)控點(diǎn)，采用無線網(wǎng)絡(luò)方式將視頻監(jiān)控圖像及信號傳回監(jiān)控中心，監(jiān)控中心需要采用聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控管理平臺管理，采用大屏顯示前端監(jiān)控視頻圖像等信息。智能化的森林溫度監(jiān)控系統(tǒng)是由前端基站、智能溫度識別處理器、傳輸網(wǎng)絡(luò)、后端聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控管理平臺構(gòu)成。為了確定區(qū)域環(huán)境溫度、壓差指標(biāo)并執(zhí)行相應(yīng)的溫度控制，利用傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)等參數(shù)實(shí)時監(jiān)測，并將監(jiān)測信息通過網(wǎng)絡(luò)方式傳輸?shù)奖O(jiān)控后臺，根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測分層分布式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采用分層分布式設(shè)計，縱向分為三層：監(jiān)控層、網(wǎng)絡(luò)通訊層和現(xiàn)場設(shè)備層。監(jiān)控層包括監(jiān)控計算機(jī)、監(jiān)控管理軟件等；網(wǎng)絡(luò)通訊層包括傳感器、測控裝置、管理裝置等無線網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備；現(xiàn)場設(shè)備主要由溫度傳感器和其他控制設(shè)備。智能監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計框架圖如圖4所示。

5 系統(tǒng)的仿真測試

仿真測試所需設(shè)備、儀器和材料如下： 前端溫度采集模塊，節(jié)點(diǎn)模塊， 通信模塊，串口連接線，裝有專門編寫設(shè)計的VB 溫度監(jiān)測界面的PC 機(jī)一臺，手持式監(jiān)測終端一個，各模塊的供電電源。

在PC機(jī)上， 將傳感器節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)描繪成曲線，并顯示當(dāng)前值。同時可以用SQLServer制作數(shù)據(jù)庫，可以對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。并且對所采集到的數(shù)據(jù)系統(tǒng)測試，選擇了夏天溫度變化較大的一天的不同時間段作為測試對象，通過與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，測試結(jié)果如下：

同時針對當(dāng)前溫度檢測中面臨的檢測點(diǎn)分散、布線困難和實(shí)時性差等特點(diǎn)，設(shè)計了基于的simpliciT1協(xié)議溫濕度檢測系統(tǒng)，不僅可以顯示各測試點(diǎn)的實(shí)時溫度，同時通過通信串口將數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī)存儲，以便進(jìn)一步分析處理。系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)： 1）無線電波信號傳播特性。對森林環(huán)境中無線電波信號傳播特性進(jìn)行研究，為傳感器節(jié)點(diǎn)的布置提供了重要的理論支持。2）節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)。使全網(wǎng)平均每跳距離接近于真實(shí)的平均每跳距離，采用了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的路由選擇提高了定位精度。3）節(jié)點(diǎn)能源有效性。在不影響功能的前提下，采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)以及空閑節(jié)點(diǎn)休眠技術(shù)等減少節(jié)點(diǎn)的能耗，延長系統(tǒng)。4）傳感器節(jié)點(diǎn)研制。根據(jù)特殊的森林環(huán)境研究性能良好的傳感器節(jié)點(diǎn) 并對傳感器節(jié)點(diǎn)的類型進(jìn)行選擇，選用瑞士的溫度集成數(shù)字傳感器SHT15，它具有體積小、使用方便靈活、響應(yīng)迅速、抗干擾能力強(qiáng)、性價比高等優(yōu)點(diǎn)。

6 溫度數(shù)據(jù)分析

本系統(tǒng)是以渭南市秦嶺北麓森林地區(qū)為采集對象，對秦嶺北麓地區(qū)進(jìn)行了四季中不同時間段的實(shí)地采集工作，每個季節(jié)時長二周，測試的森林面積達(dá)到了1500平方千米，眾所周知，在氣象條件中，空氣濕度是火險天氣中的重要因素。當(dāng)空氣濕度小于60%時，就有發(fā)生森林火災(zāi)的可能?？諝鉁囟葘ι只馂?zāi)的影響非常大。為了能夠使采集到的數(shù)據(jù)更具有代表性，本文選取了N個森林溫度測控點(diǎn)中最具有代表性的四個監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)，每隔一個小時進(jìn)行一次溫度采集，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過串口通信模塊并且采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸?shù)絇C機(jī)上，在PC機(jī)上， 將從傳感器節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)描繪成曲線，并顯示當(dāng)前值。同時可以用SQLServer制作數(shù)據(jù)庫，可以對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。

為了研究秦嶺北麓地區(qū)在春，夏，秋，冬四季的溫度的相關(guān)性以及四季中林內(nèi)溫度與林外溫度的對比性測試，本文將系統(tǒng)中各個季節(jié)所采集到的溫度進(jìn)行了對應(yīng)時間點(diǎn)的溫度平均值的計算，從而得到了4個季度中4個代表性的測試點(diǎn)所對應(yīng)的平均值數(shù)據(jù)，使其結(jié)論更加具有客觀性。

同時為了更加清楚地確定秦嶺北麓地區(qū)在4個季度中的變化情況，本文對其對應(yīng)時間點(diǎn)的溫度平均值進(jìn)行方差的計算，公式如下：

Yab^2=1/n[（x1-x）^2+（x2-x）^2+（x3-x）^2…（xn-x）^2]

其中a為春夏秋冬四個季節(jié)，b為每種季度下四個節(jié)點(diǎn)所代表的采集溫度的組號。n為0～23小時，x為每組所對應(yīng)時間的溫度的平均值，從而計算出方差得到以下表格：

從圖中可以看出在春季溫度的變化趨勢較大，波動性較大，而在冬季溫度的變化程度較為緩慢，較為穩(wěn)定，從而可以得出需要在春季對森林加強(qiáng)溫度的實(shí)時監(jiān)測，重視火災(zāi)的預(yù)防。

為了能更加形象的觀測出森林的溫度在四季中的變化情況以及與林外溫度的對比情況，以溫度的分析為例，畫出了各節(jié)點(diǎn)在特定時間的溫度情況以及林外溫度的折線圖，如圖5，圖6，圖7，圖8所示：

綜合各組別的方差值以及圖中的數(shù)據(jù)可以看出，

（1） 林中各個地區(qū)由于受植被的覆蓋面積，氣流等原因的影響導(dǎo)致溫度值存在一定的差異，當(dāng)然，森林防護(hù)人員如果僅通過一個地區(qū)的溫度來判斷整個森林溫度，難免存在很大誤差同時也存在著極大地安全隱患，所以本文對不同地區(qū)的不同節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了溫度分析從而使數(shù)據(jù)更加具有準(zhǔn)確性。

（2） 林中的溫度日變化成單峰特點(diǎn)，2：00～4：00左右溫度出現(xiàn)最大值，0：00～5：00溫度出現(xiàn)最小值并且變換趨勢緩慢，同時可以從圖中對比出冬季時林中的氣溫全天會比林外高，但是相差不大，而在春季時，白天與夜晚的溫度有較大的差異，同時很明顯可以從圖中看出溫度的最大值出現(xiàn)在夏天，這時對于森林溫度的監(jiān)測就顯得十分重要。本系統(tǒng)在設(shè)計中采用了智能溫度監(jiān)測且在無人看管的情況下自動運(yùn)行了四個周期，測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)的精確度與準(zhǔn)確度達(dá)到了設(shè)計要求。

7 結(jié)論

本文中系統(tǒng)是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并結(jié)合了無線收發(fā)和GSM 通信技術(shù)，監(jiān)控技術(shù)，系統(tǒng)能解決環(huán)境參數(shù)的確定，無線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計，無線路由的確立，優(yōu)化定位算法，數(shù)據(jù)傳輸距離等問題，并能在一定程度上實(shí)現(xiàn)自動控制。系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)溫濕度的實(shí)時無線采集和監(jiān)測，滿足樹形、環(huán)形和星行節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)旨在利用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，以及溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對森林的溫度進(jìn)行監(jiān)測，系統(tǒng)還具有較強(qiáng)的可移植性，只要更換采集節(jié)點(diǎn)中的傳感器就能對其他參量的采集監(jiān)測，主要包括森林邊緣和林內(nèi)溫度，濕度，以及風(fēng)速，輻射等要素進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，從而實(shí)現(xiàn)從復(fù)雜模擬量檢測到現(xiàn)在的數(shù)字智能化檢測的系統(tǒng)，滿足溫濕度控制系統(tǒng)發(fā)展操作簡單、性能穩(wěn)定、測量精度高，信息傳遞迅速的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對森林火災(zāi)的實(shí)時防范。

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