基于WCDMA和太阳能的森林火灾监测系统设计

齐怀琴，田坤峰，李春林

(齐齐哈尔大学 通信与电子工程学院，黑龙江 齐齐哈尔161006)

责任编辑:任健男

火灾对森林的破坏性极大，危害极深，造成的经济损失相当严重。它不仅烧毁大量的森林资源，破坏自然环境和生态平衡，而且直接影响工农业生产，严重威胁着人民生命财产的安全[1]。森林火灾是森林资源的主要灾害之一，因此，林火监测在森林保护工作中占有相当重要的地位。但是由于森林面积大、地理位置比较分散、地广人稀、交通不便、气候恶劣、布线困难，再加上监测技术不高、监测人员少以及资金不足等原因，通常对林火监测难于及时发现，从而错过最佳扑救时间。针对上述问题和我国森林的分布情况，提出了一种微功率的无线数据网络和WCDMA无线网络相结合，组成并应用于森林火灾无线远程视频监控系统。为有效解决森林火灾监测中存在的火灾监测不准确、图像传输不实时、终端传感器设备供电等问题提供了新思路。

1 森林火灾监控系统结构

系统主要由温湿度传感器，红外摄像机，TM1300多媒体数字信号处理芯片，SAA7111和SAA7113视频编解码芯片，无线传输网络和远程监控中心等部分组成。森林火灾监控系统的体系结构如图1所示。

图1 森林火灾监控系统结构图

温湿度传感器和红外摄像机主要负责终端监测环境的数据采集，模拟视频信号经由A/D转换和编码后，通过无线网络发送出去。汇聚节点具有一定的数据融合处理能力，同时也是用来连接传输网络和无线传感器网络设备。通信网络包括传感器网络、Internet网络和WCDMA网络。数据采集处理后的信息经由WCDMA无线传输网络发送到远程监控中心，终端处理程序对接收到数据进行汇总、分析、判断、存储。如果数据超出预设值，发出报警，通知监控中心工作人员采取相应的解决方案。

2 森林火灾监控系统硬件设计

林火灾监控系统的主要功能就是负责采集森林的温湿度、烟雾、图像等环境参数，将采集到数据经过数据处理后，经由无线网络传输到监控中心，监控中心通过数据汇总、分析后做出相应的灭火方案。该森林火灾监控系统主要由终端数据采集模块、数据处理模块、无线传输模块、数据分析模块、能量供应模块以及远程监控模块组成。该森林火灾监控系统的硬件总体设计方框图如图2所示。

图2 硬件总体设计方框图

2.1 终端数据采集模块

该模块的主要功能就是对森林环境的测量，其中主要包括温湿度传感器、烟雾传感器和红外摄像机。温湿度传感器将采集的物理信号转换成微弱电信号(电流或电压)后，经放大电路放大，传给A/D转化器，转换成数字信号。由于森林监测要求终端传感器具有性能稳定、功耗低、反应快、抗干扰能力强等特性，所以笔者选择瑞士公司的SHT10温湿度数字集成传感器，采用CMOS过程微加工专利技术，具有极高的稳定性和可靠性。其工作电压2.4～5.5 V，测温精度为±0.5℃。红外摄像机采用大恒图像的DH-IR08，它性能高，灵敏度好，空间分辨率为324×256像素，在-40℃～75℃的工作环境中都能保证极好的图像动态范围和均匀性，支持25帧/s(f/s)的PAL制式模拟视频输出。

2.2 数据处理模块

信号处理模块由PHILIPS公司的TM1300多媒体数字信号处理器结合SAA7113和SAA7121可编程数字视频解/编码芯片完成。TM1300[2]工作频率为166 MHz，支持SIMD和IEEE浮点运算，片上独立式DMA驱动的多媒体I/O协处理器，减少CPU的负担。可与外接16 Mbyte和64 Mbyte两种SDRAM。SAA7113具有4路模拟信号输入和2路模拟信号处理通道，输出信号分别兼容NISC制式和PAL。模拟视频信号经过A/D采样编码得到的YUV数据写入TM1300的视频输入模块的缓存区。SAA7121是具有3路D/A转换器，完成视频信号的解码，从视频输出模块中接入YUV数据，进行D/A转换，输出模拟视频信号。

2.3 太阳能供电模块

对处在地理位置偏僻、自然环境恶劣、无人值守的复杂野外环境监测终端设备来说，供电问题是必须解决的。采用市电，布线复杂困难，工程量大，成本高，不宜采用;风光互补供电，风力资源不稳定因素太多，系统设计复杂，投资成本较大。因此，决定监测终端使用高性能单晶硅太阳能电池板配合高性能蓄电池进行供电[3-4]。太阳能供电模块主要由太阳能电池板、充放电控制电路、蓄电池、电源控制电路、负载组成。其中电源控制电路主要为终端负载提供标准电压。太阳能供电模块框图如图3所示。

图3 太阳能供电模块框图

2.4 无线传输模块

无线收发模块采用厦门蓝斯通信股份有限公司的LZ953C CDMA DTU，支持RS-232和RS-422数据接口，符合CDMA IS-95A/B空中接口，支持虚拟数据专用网，内嵌TCP/IP协议和UIM手机卡，支持AT指令集，基于现有中国联通的WCDMA网络，实现远程无线的数据传输。

3 森林火灾监控系统软件设计

3.1 总体设计流程图

系统软件采用模块化编程方式，主要包括数据采集和处理程序、图像火焰识别程序、视频编解码程序、无线收发程序、电源控制程序以及上位机通信程序[5-7]。系统软件流程图如图4所示。

图4 系统软件流程图

3.2 实验结果

系统实验是在实验室进行，客户端通过中国联通的WCDMA网络与连接到中国联通ASDL的服务器进行通信。终端太阳能供电系统在齐齐哈尔大学与中山大学太阳能联合实验室进行试发电。太阳能电池板组件如图5所示，逆变器转换如图6所示，实时功率曲线如图7所示，某日发电量及环境参数数据截图如图8所示，实验室生火监控的图像如图9所示，客户端上位机软件接收数据截图如图10所示，数据库调用温湿度曲线如图11所示。

从实验结果可以看到，文中提出的监控系统通过WCDMA网络实现了实时视频图像传输，太阳能发电系统发电良好，可以实现为终端设备提供稳定的电能，为下一步综合设计工作打下了坚实的基础。

4 结论

本文的创新点在于成功地将3G技术、数据库技术和太阳能技术应用森林火灾远程视频监控之中。利用目前中国联通大范围覆盖的WCDMA网络，将火灾情况实时传输到监控中心，达到了森林火灾监测的目的，解决了地理位置偏僻、交通不便、气候恶劣的森林监测终端设备的供电问题，具有很大的实用价值和应用前景。

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