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基于ZigBee的森林火灾监测设计
[导读]摘要：为了监测森林火险因于和着火点，并及时预防和消灭火灾，提出了基于ZigBee的森林火灾监测系统设计，系统由信息采集、无线收发、火灾监控功能模块组成。系统采用烟雾传感器、温湿度传感器、风力传感器采集各林区
摘要：为了监测森林火险因于和着火点，并及时预防和消灭火灾，提出了基于ZigBee的森林火灾监测系统设计，系统由信息采集、无线收发、火灾监控功能模块组成。系统采用烟雾传感器、温湿度传感器、风力传感器采集各林区的环境参数信息，基于JN5139无线微控制器实现无线通信功能，并对传感器采集的环境参数数据进行处理和分析，监控中心根据分析结果实现火险预报、火情监测、应急预案功能。基于ZigBee的森林火灾监测系统可以实时监测林区环境参数信息，从而及时地预防森林火灾的发生或高效地实施火灾救援工作。
关键词：Zigbee；森林火灾；传感器；JN513
&&& 森林是林木、伴生植物、动物及其与环境的综合体。它是地球上的净化库、基因库、碳贮库、蓄水库和能源库，对维系整个地球的生态平衡起着至关重要的作用，是人类赖以生存和发展的资源和环境，具有经济、生态和社会三大效益。但是由于异常自然或非法人为因素，森林会发生一些火灾，森林火灾是一种突发性强，破坏性大，处置救助较为困难的自然灾害，如果森林发生火灾，将会对林木、生命财产、生态系统、社会造成严重的危害。森林火灾监测是森林防火的重要基础。目前，我国森林防火主要采用人工巡逻的方式，由于森林面积大，及时、准确地发现火源存在一定的难度。
&&& 针对森林火灾监测的重要性和不足之处，本文提出基于ZigBee无线传感网技术设计森林火灾监测系统。该系统可以实时采集林区的相关环境参数，为相关部门预警和灭火提供重要的决策依据。
1 森林火灾监测系统总体设计
&&&&在森林火灾监测中，林中空气的温度和湿度会影响可燃物物理性质，它们是森林火险变化的重要指标，是火灾监测的重要参数。当有林火发生时，林中的烟雾浓度和风向是火灾蔓延的重要因素。因此，温度、湿度、风向与风速、烟雾浓度是森林火灾监测的关键参数，森林火灾监测系统需要实时采集森林中各个位置的这些环境参数，并将这些参数值传输到监控中心进行处理，就可以发现火灾易发或已发区域，从而及时地消灭火灾。森林是一个高密度树木区域，树木的分布具有距离短、面积广、随机的特性，本文提出采用基于ZigBee技术的无线传感器网络对森林火灾进行监控。ZigBee是一种低成本，低功耗、近距离、低复杂度、自组织的无线组网通讯技术。ZigBee无线传感器网络，与现有的有线系统相比，ZigBee无线解决方案的优势在于灵活的安装布置、低廉的安装费用、耗能低、可靠性高，因此基于ZigBee无线传感器网络适用于森林火灾实时监测。
1．1 森林火灾监测系统结构
&&&&在森林火灾监测系统中，需要进行信息采集、处理、传输，控制结果输出执行等操作。传感器节点是构成无线传感器网的基本要素，具有信息采集、信息处理和无线通信功能，它们既是数据包传输的发起者，也是数据包的转发者。传感器节点被随机、密集地布设在森林中，各林区的传感器节点自组织成簇，传感器节点为簇成员，负责林区环境信息的采集。传感器节点将采集的数据传送到簇首节点，簇首节点负责对采集簇内信息采集节点的数据融合，然后传送给汇聚点，汇聚节点以多跳的方式与各簇首节点通信，收集各林区环境信息，将数据送到控制中心，控制中心进行综合处理，监测各林区火险情况。森林火灾监测系统结构如图1所示。
1．2 森林火灾监测系统功能模块
&&&&根据森林火灾监测系统的需求，无线传感器节点实时采集林区的环境参数，监控中心根据采集到的林区环境信息进行实时的数据分析处理，当发现有火灾情况时，马上报警通知消防部门，消防部门接到报警信息后，根据路由表记录信息确定火灾发生的区域，再根据该区域的温度、风向、烟雾浓度等参数确定火灾程度，并迅速制定合理的应急方案，进行消防调度处理实施消防救援工作。整个森林火灾监测系统分为3个功能模块：信息采集模块、火灾监控模块和无线收发模块，森林火灾监测系统功能模块如图2所示。
&&& 1)信息采集模块负责对网络中的传感器节点进行定位；并对传感器节点采集的环境参数进行信号调理、AD转换等处理。
&&& 2)火灾监控模块负责对信息采集模块采集的环境参数进行数据处理和分析，根据处理结果对火险进行预报。如果监测到火点，就向林业管理部门和消防部门发出警报，并实时监测火情，对资源进行合理的调度，制定合趣有效的应急方案，实施应急响应和救援。
&&& 3)无线收发模块负责无线传感器节点与协调器进行无线通信。
2 森林火灾监测系统设计
2．1 系统硬件总体设计
&&&&通过森林火灾监测系统的结构分析和功能模块划分，系统由信息采集处理模块、微控制器模块、无线收发模块、供电模块等组成。系统的硬件总体设计如图3所示。
2．2 信息采集处理模块
&&&&信息采集模块由烟雾传感器、温湿度传感器、风力传感器、传感器信号调理电路、AD7998单元电路组成。烟雾传感器是将空气中的烟雾浓度变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置，本文选用SS-668离子型烟雾传感器探测林区的烟雾浓度，SS-668适用于安装在少烟、禁烟场所，用来探测烟雾有无，当一定量烟雾进入SS-668烟雾传感器的反应腔，传感器发出声光警报，并向采集器输出告警信号，通过SS-668能够准确地检测到烟雾，为火灾预防和早期发现提供帮助。温湿度传感器采用温湿度一体化的SHT10传感器，SHT10具有数字式输出、免调试、免标定、精度高、体积小、能耗低、自动休眠及可完全浸没水中的特点，其将温度感测、湿度感测、信号变换、A／D转换和加热器等功能集成到一个芯片上；提供二线数字串行接口SCK和DATA，接口简单，只需要2个普通的JN5139芯片的I／O口就可以对其进行采集。风力传感器采用EC9-1型高动态性能测风传感器，EC9-1由风向传感器、风速传感器和传感器支架组成，风速传感器的轴上吊有磁性圆盘，用霍尔开关器件将轴的转速转换成电信号，其输出信号频率与风速的大小成正比，风向传感器的轴带动一个七位格雷码盘，应用红外发光二极管和光电三极管组成变换电路将风向变换成7位格雷码，EC9-1具有动态性能好，线性精度高，灵敏度高，测量范围宽，抗风强度大等特点。传感器信号调理电路将传感器采集的模拟信号进行放大、滤波、缓冲或定标等处理，使其适合于模／数转换器(ADC)的输入。AD7998是8通道，12bit，低功耗的模数转换器，具有兼容I2C的接口，它将传感器采集的模拟信号进行数字化，然后通过I2C总线传送给微控制器JIN5139。
2．3 无线微控制器JFN5139
&&&&系统采用Jennic公司生产的符合ZigBee技术的芯片JN5139，JN5139是低成本低功耗无线微控制器，它是能使使用者在最短的时间内、以最低的成本实现IEEE802．15．4或ZigBee等应用的无线通信模块。JN5139集成了16 MHz 32 bit的RISC处理器，配置有2．4 GHz频段的IEEE80 2．15．4标准的无线收发器，192 kB的ROM，96 kB的RAM，模块提供了开发无线传感器网络所需要的丰富的外围器件和接口(GPIO、SPI、UAR T、I2C等)，为外接各种传感器和控制电路提供了便利。内置的ROM存储集成了多种丰富的软件协议栈，可以根据应用需求，灵活选择802．1 5.4、ZigBee、jenNet、ATZJenie、6LoWPAN等多种网络协议栈，方便快速地组建星形、树状、网状网络等。芯片集成了MAC和AES硬件编码加速器，节省功耗的休眠模式，安全键的机制和程序加密。所有以上的强大特征都集成于单一芯片，可以降低功耗，提高稳定性，减小体积。& JN5139芯片没有集成程序存储器，故本系统采用芯片自带SPI接口外扩程序存储器，程序存储器采用2 Mbit串行闪存M25P20，该芯片集成标准的4线SPI总线和最大50 MHz数据传输时钟，通过SPI接口将M25P20连接至JN5139上来读写片上数据。UART单元主要由Max232及其辅助电路构成，用于微控制器的编程与程序升级。声光报警电路主要负责林区环境参数超标火险因子较高或发现着火点时发出报警信息。
2．4 供电模块
&&&&JN5139的工作电压是2．7～3．6 V，温湿度传感器SHT10的工作电压是2．4～5．5 V，风力传感器EC9-1的供电电压为5～12 V，烟雾传感器SS-668的供电电压为12 V，A／D转换芯片AD7998正常工作电平为3．3 V，为移动方便和减少换电池的次数系统采用12 V的蓄电池供电，通过开关稳压器件ASM将12 V转变成5 V给风力传感器供电，5 V电压经过ASM转换成3．3 V电压，给主芯片JN5139和温湿度传感器供电。
&&& 由于森林面积大，环境恶劣，所以电池不方便经常更换，而普通电池不能长时间为系统供电，因此，系统采用太阳能供电单元，该单元由太阳能电池板、充电控制器和蓄电池组组成。充电控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命；同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。
&&&&提出了一种基于ZigBee的森林火灾监测系统设计，采用烟雾传感器、温湿度传感器、风力传感器采集各林区的环境参数，基于JN5139无线微控制器实现无线通信，并对采集数据进行处理与分析，当火险因子超标时，监控中心进行火灾预报；当发现着火点时，监控中心进行火灾报警和火情监测，并制定应急预案。基于ZigBee的森林火灾监测系统可以根据实时采集到林区环境参数信息监澍森林火灾情况，从而及时地预防森林火灾的发生或高效地实施火灾救援工作，保护生态环境，保障人民的财产和生命安全。
一家提供大楼自动化控制解决方案的美国新创公司 Enlighted 技术长Tanuj Mohan表示，物联网(IoT)通讯协定的战争似乎没有明显的终结迹象;该公司自己开发了以802.15.4标准为基础的通讯协定，认为Zigbee 前景黯淡。......关键字：
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森林防火或者森林火灾检测目前的技术有哪些?如上,森林火灾检测的技术有哪些?
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一、国际森林防火技术
1,德国：FIRE-WATCH森林火灾自动预警系统
德国投入使用的FIRE-WATCH森林火灾自动预警系统,正常监测半径10公里,安装该系统每套需7.5万欧元,而在勃兰登堡州安装需要120-130套,约1000万欧元.
2,美国：护林飞机和红外遥感火灾预警飞机巡逻
美国利用“大地”卫星在离地面大约705公里的轨道上绕地球运转,探测地面上的高温地区、浓烟地带以及火灾遗址.美国使用无人驾驶林火预警飞机进行24小时监测,虽获得了成功,但耗费了巨额资金.
3,加拿大：加拿大采用卫星巡回监测系统
加拿大采用从卫星上发射电磁射线检测林区温度,当检测出某一林区局部温度上升到150℃～200℃,红外线波长达3.7微米时,便是火灾前兆,立即测定具体温度,采取措施及时防火.同时,加拿大林区采用多架配备先进的直升飞机轮流监测森林火灾,飞行费每小时需加元.
国外的技术有的虽然可靠,但需要借助高空卫星,且施工太复杂；有的技术方案基础实施投资太大,多达几十万美元,投入成本过高,这些难以满足我国森林资源监测的实际需要.二.国内采用的监测方法
1,地面巡护
地面巡护,主要任务是宣传群众,控制人为火源,深入了望台观测的死角进行巡逻.对来往人员及车辆,野外生产和生活用火进行检查和监督.存在的不足是巡护面积小、视野狭窄、确定着火位置时,常因地形地势崎岖、森林茂密而出现较大误差；在交通不便、人烟稀少的偏远山区,无法进行地面巡护,需用各种交通工具费用及人员工资费用,只能用视频监测方法来弥补.
2,了望台监测
了望台监测,是通过了望台来观测林火的发生,确定火灾发生的地点,报告火情,它的优点是覆盖面较大、效果较好.存在的不足：是无生活条件的偏远林区不能设了望台；它的观察效果受地形地势的限制,覆盖面小,有死角和空白,观察不到,对烟雾浓重的较大面积的火场、余火及地下火无法观察；雷电天气无法上塔观察；了望是一种依靠了望员的经验来观测的方法,准确率低,误差大.另外了望员人身安全受雷电、野生动物、森林脑炎等的威胁.
3,航空巡护
航空巡护,是利用巡护飞机进行林火的探测.它的优点是巡护视野宽、机动性大、速度快同时对火场周围及火势发展能做到全面观察,可及时采取有效措施.但也存在着不足：夜间、大风天气、阴天能见度较低时难以起飞,同时巡视受航线、时间的限制,而且观察范围小,只能一天一次对某一林区进行观察,如错过观察时机,当日的森林火灾也观察不到,容易酿成大灾,固定飞行费用2000元/小时,成本高,租用飞机费用昂贵,飞行费用严重不足,这就需要用定点视频监测来弥补其不足.
4,卫星遥感
卫星遥感,利用极轨气象卫星、陆地资源卫星、地球静止卫星、低轨卫星探测林火.能够发现热点,监测火场蔓延的情况、及时提供火场信息,用遥感手段制作森林火险预报,用卫星数字资料估算过火面积.它探测范围广、搜集数据快、能得到连续性资料,反映火的动态变化,而且收集资料不受地形条件的影响,影像真切.
存在的不足：NOAA-AVHRR准确率低,需要地面花费大量的人力、物力、财力进行核实,尤其是交通不便的地方,火情核实十分重要.当热点达到3个像素时,火已基本成灾.三.国内主流的防火监控技术不足及趋势
森林火灾危害大,扑灭困难,于是在火灾还在萌芽状态立即扑灭它就显得尤为重要.
森林火灾因为常常处在深山老林中,不易发现,故而发现火灾对于早扑灭火灾具有重要意义.
1,兴建了望塔
国内目前存在较多的技术落后方式.
了望台监测,是通过了望台来观测林火的发生,确定火灾发生的地点,报告火情,它的优点是覆盖面较大、效果较好.存在的不足：是无生活条件的偏远林区不能设了望台；它的观察效果受地形地势的限制,覆盖面小,有死角和空白,观察不到,对烟雾浓重的较大面积的火场、余火及地下火无法观察；雷电天气无法上塔观察；了望是一种依靠了望员的经验来观测的方法,准确率低,误差大.另外了望员人身安全受雷电、野生动物、森林脑炎等的威胁.
2.,建立视频监控系统
目前国内主流的监控方式.
这是传统城市监控的简单延伸,将采集视频图像通过微波汇总,由人工完成集中监视；
人工监视易造成肉眼疲劳,视频中的火情不易被查觉,造成漏报；
监控中心的视频线路较多,人工监视也无法一一监看,易造成漏报.
所以,传统视频监控的最大缺点是漏报率非常高.
传统视频监控是非数字化系统,许多智能应用无法实现.
3,建立智能预警系统
这是森林防火的发展方向,实现森林防火的智能化,信息化.
利用无缝融合智能图像识别技术、面向对象的3D GIS技术、大型网络监控技术等高新技术,利用多项专利技术,结合林业管理的专业知识和林业防火的经验,建立林业防火智能监测预警及应急指挥系统,从而实现林区视频的自动监控、烟火准确识别、火点精确定位、火情蔓延趋势推演、扑救指挥的辅助决策、灾后评估等多方面功能,建立森林防火的完整业务链,并针对性地解决用户的各种个性化需求.
如“森林卫士365”系列产品,主要由前端智能监控产品和后端应用系统构成.
前端智能监控产品包括重型数字云台、基站智能控制箱、嵌入式的烟火识别智能处理器等；
后端应用系统包括海普联网监控管理平台、基于ArcGIS平台的森林防火辅助决策及应急指挥系统.
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