无线传输森林防火报警系统

段延喜

(惠州学院 电子科学系，广东 惠州 516007)

无线传输森林防火报警系统

段延喜

(惠州学院 电子科学系，广东 惠州 516007)

“无线传输森林防火报警系统”以分散安装在森林里的火源探测器为基本构成单元，探测器以太阳能电池为电源，由红外火源探测装置和ZigBee构成的无线收发装置等部分组成，以无线方式进行通讯，并通过互联网将火警传送到森林防火指挥中心。为防止信号淹没,保证实现系统功能，给出了通信协议，并实现了通信仿真。

森林防火；火警；无线传输；探测器；信号淹没

1 森林防火技术现状

森林是国家的重要资源和财富，不仅具有可观的经济价值，更重要的还有调治生态、保持水土、改善环境的作用。尽管人为的破坏很严重，但最大的破坏莫过于火灾。如何利用现代化的科技手段和装备，建立快速反应的报警系统，协调组织指挥，准确定位火源，迅速采取有效措施灭火，是林业防火工作急需解决的问题。

纵观国内外森林防火现状，除人工进山巡查外，大致可分为以下几种方式：

(1) 增加灭火设备：例如我国的胶东和鲁中南山区是山东省两大重点林区，其重点火险区综合治理项目，共完成投资2662万元，配备大量的风力灭火机、对讲机、油锯、割灌机、防火服、水枪、照明工具、GPS定位仪、3号工具、望远镜、了望台和短波电台等，共新建森林消防专业队伍53支、建扑火队营房2016平方米、建国家级森林防火物资储备库3处(974平方米)。这种大投入明显改善了扑灭山火的能力，但对火灾的报警能力改善不大。

(2) 雷电监测和预测预警：由于雷电是可能引起火灾的原因之一，例如在我国大兴安岭北部林区及其周边地区建设 15个闪电定位探测子站，1个数据处理中心，1个数据处理分中心以及8个自动气象站。这种方式加强对雷电的监测和预测预警，一旦监测到雷电信号则会自动报警，并将雷电各种信息实时传输到大兴安岭各个森林防火指挥部。但该方式只是对雷电监测和预测预警，并非对火灾的报警。

(3) 电视电脑监控系统：以我国朝阳凤凰山国家森林公园为例，工作人员在办公室通过森林防火电视电脑监控系统监控整座山的情况。该系统由4个可旋转的摄像头组成，它们分别安装在4个山头，24小时对全山拍摄。该方式靠人工观察，自动化程度低。

(4) 高倍摄像+GPS定位：例如我国大兴安岭森林防火信息指挥中心与沈阳北大青鸟商用信息系统有限公司合作研制开发的森林防火数字辅助决策系统。该系统由计算机网络系统、大屏幕显示系统、地理信息系统、视频指挥系统、定位跟踪系统、火场图像传输系统、林火了望监测系统等7大系统组成。该系统结合我国开发的两星定位技术，将制高点安装的了望塔上配备的高倍摄像装置，通过微波将图像传送到附近林业局防火办。该方式投入大，完全依靠图像判断火情等级，自动化程度低，且对是否发生火情的逻辑判断并报警方面未有大的改善。

图1 系统结构图

2 无线传输森林防火报警系统简介

“无线传输森林防火报警系统”结构如图1所示。该系统以分散安装在森林里的探测器为基本构成单元，以无线方式进行通讯。各探测器既作火警探测器和报警发射器，又作其它探测器所发出信号的转发器。因此，火警可以通过各探测器迅速地将报警信号传送到系统监控中心计算机(以下简称中心计算机)。该中心计算机将火源位置标示在电子地图上，并通过互联网通知有关部门快速处理[1]。

图2 探测器原理结构图

3 探测器

3.1探测器结构[2]

探测器以单片机为核心，以太阳能电池为电源，由红外火源探测装置和ZigBee构成的无线收发装置等部分组成，如图2所示。

3.2探测器分布

探测器按图1所示的正六边形分布。每一个探测器都有唯一的一个硬件地址码，该地址码的前部对应正六边形

的一个顶点，后部是地址编号，从A001h至FFFFh。中心计算机的地址码为0000h。

3.3探测器通信

每个探测器发出的信号仅能够被相邻的3个探测器有效接收到。中心计算机也处在一个正六边形的顶点，仅能与相邻探测器通信，且只要安置在森林边缘，方便管理和监控，并能接入互联网。

4 电子地图与火警标示

电子地图是中心计算机屏幕上与图1中探测器分布相似的图，它完整地绘制了所有的探测器及其彼此间的相对分布情况。每个探测器均作360°探测，其火源有效探测范围的半径与正六边形的边长相同。仅以图1中标示的①-⑥共6个菱形区域为例，当出现火警时，探测到火警的探测器(以下简称火源探测器)发出火警信号，其它探测器相继转发。当中心计算机收到火警信号后，即可按表1确定火源所在区域并在电子地图上标示。

表1 探测器报警组合及火源所在区域

5 系统功能

系统具有丰富的功能，包括：一、校对电子地图，既中心计算机检查各探测器能否正常工作并校对各探测器及其相互位置与电子地图的标注是否一致；二、发送火警，既火源探测器探测到火警后发出火警信号；三、火源标示，既中心计算机收到火警后，将火源标示在电子地图上，通知有关部门对火警进行处理，并命令火源探测器停止发送火警，减小电源消耗；四、火警开启，既当某火源探测器发出火警的现场火情被扑灭后，可由扑火现场工作人员遥控探测器自动报告中心计算机火已扑灭并自动开启火警，或有关部门处理完毕后，可由中心计算机向该火源探测器发出火警开启命令，使该探测器此后再探测到火警后继续报警；五、探测器更换，既更换出现故障的探测器，该探测器启动复位时自动发出信号，中心计算机收到该信号后修正电子地图中的标示。

6 信号类型

系统信号分为主动信号与应答信号两种类型，主动信号有：火源报警信号、报警开启信号、地图核对信号和火源扑灭信号，应答信号有停止报警信号、开启应答信号，核对应答信号。

6.1火源报警信号

由火源探测器原始发出，中心计算机接收后予以处理。

6.2停止报警信号

作为“火源报警信号”的应答，由中心计算机原始发出，以制止火源探测器继续报警。

6.3报警开启信号

当火警被处理完毕后，由中心计算机原始发出，以通知被停止报警的火源探测器再探测到火警后可继续发送“火源报警信号”报警，防止以后的火源报警被阻断。

6.4开启应答信号

作为“报警开启信号”的应答，由所要开启的目标探测器原始发出，报告中心计算机火源报警功能已经开启。

6.5地图核对信号

由中心计算机原始发出，其作用是核对探测器所在位置与电子地图标注是否一致，并检查探测器能否正常工作。

6.6核对应答信号

作为“地图核对信号”的应答，由各探测器原始发出，报告其相邻探测器的地址，其中还携带了自身是否有故障的信息。中心计算机接收后与电子地图进行核对，若周边探测器的地址与电子地图标示不同，则更改电子地图；若有故障，则需处理。

6.7火源扑灭信号

火源扑灭后，在现场由人工遥控探测到火源的探测器原始发出“火源扑灭信号”，报告中心计算机火源已扑灭。中心计算机接收后将火源从电子地图中相应的位置清除，并通知森林防火指挥中心。

7 通信协议

7.1防止信号淹没

即使在一个正六边形内，信号也可能无限循环转发。因此，通信协议的核心问题是：防止信号在相互转发时出现无限的转发循环而将探测器淹没在疲于转发的信号中。为此，协议约定：探测器不转发反馈回来的自身发出的信号，任何一个完全相同的信号不重复转发。原始信号源对信号的发送、停止及相应的处理如表2所示。

表2 信号的发送、停止及相应的处理

7.2信号报文

为实现通信协议，所有信号均有严格的报文格式及其相应的通信流程。所有信号报文的格式如表3所示(最后一个字节为校验码，未在表中列出)。

表3 信号报文格式

第1字节为信号类型标识码；第2、3字节为该信号的原始发出者地址码或信号最终的目标探测器地址码 (如前述，探测器地址码从A001h至FFFFh，中心计算机的地址码为0000h)；第4字节为流水号，由信号的原始发出者(见6信号类型)更新；第5、6字节一般为转发探测器的地址码，只有“核对应答信号”在原始信号源发出时为全零(0000h)，与原始信号源相邻的探测器转发时填入自己的地址码，其它探测器此后转发时不再更新，其第7个字节为故障代码，最后一个字节仍为校验码。

7.3通信流程

探测器的总体通信流程如图3所示。

为避免“火源报警信号”因某种原因阻塞而无法到达中心计算机，火源探测器间歇式地发出“火源报警信号”，其时间间隔设定为 “火源报警信号” 足以到达中心计算机的时间与收到“停止报警信号”的时间之和。间歇后下次发出“火源报警信号”时流水号加1。探测器探测到火源后即发出“火源报警信号”，该“发出火源报警信号流程”较简单，故图略。

图3 探测器总体通信流程

“转发火源报警信号流程”需核对地址码、“停止报警信号”及流水号，流程如图4所示。

“停止报警信号流程”要将第2、3字节的地址码存储在停止报警地址码列表中，此后再收到该地址码的“火源报警信号”时不予转发，可防止信号淹没，流程如图5所示。

“报警开启信号流程”要将第2、3字节的地址码从停止报警地址码列表中清除，流程如图6所示。

“开启应答信号流程”要将信号传达到中心计算机，流程如图7所示。

“地图核对信号流程”只需保证不重复转发，流程如图8所示。

“核对应答信号流程”需加入相邻探测器地址，流程如图9所示。

“火源扑灭信号流程” 与“转发火源报警信号流程”相似。

图4 转发火源报警信号流程 图5 停止报警信号流程 图6 报警开启信号流程

图7 开启应答信号流程 图8 地图核对信号流程 图9 核对应答信号流程

8 通信仿真

仿真系统采用Microsoft Visual Studio 2008开发工具。运行环境为两台计算机，内存1G，ASP.NET 2.0，添加IIS服务。

其中一台计算机仿真在森林中分布的探测器之间的通信，如图10所示。该计算机可完全仿真各信号在探测器间的传输。图10就是添加着两个火点时的界面。

另一台计算机仿真在森林边缘的中心计算机，该计算机通过互联网与森林防火指挥中心联接，使得森林防火指挥中心能够得到完全相同的电子地图画面，如图11所示。图11是接收到图10的两个着火点时，在电子地图上用圆形交叉最深颜色标示了着火点。

9 结束语

“无线传输森林防火报警系统”具有反应迅速、扩充容易、检测方便、维护简单和自动化程度高等特点。系统监控中心计算机与互联网相连，可供各级主管部门及时了解火情并做出快速部署。本文所述之通信协议能够有效防止信号淹没，确保防火报警系统各项功能的实现。

图10森林防火现场仿真界面图11森林防火监控中心界面

[1]肖锦辉.森林防火报警系统中的Web服务[J].惠州学院学报，2005,25(3):46-50.

[2]张军国，李文彬，韩宁，等.基于ZigBee无线传感器网络的森林火灾监测系统的研究[J].北京林业大学学报，2007，29(4):41-45.

(责任编校：光明)

ForestFirePreventionAlarmSystemofWirelessTransmission

DUANYan-xi

(Department of Electronic Science, Huizhou Institute, Huizhou， 516015， China)

Forest fire prevention alarm system of wireless transmission is a system using fire-alarm detectors which are fixed by dispersing as its basic composition units. A detector was composed of a solar energy battery as its power source, an infrared fire detection device and a Zigbee wireless transceiver. These detectors are communicated with each other by wireless ways, and transmitted the fire alarms to the forest fire prevention command center by the internet. The communication protocol which is for signal-submergence prevention and system function realization is presented, and communication simulation is also carried out.

forest fire prevention；fire alarm；wireless transmission；detector; signal submergence

2010-05-28.

段延喜(1967—— )，男，山东阳谷人，惠州学院电子科学系讲师，硕士，研究方向：电气技术与电路理论。

TP393

A

1673-0712(2010)04-0080-05