智能探测系统在森林火灾防范中的应用

孙翠　赵雪玲　孙佳兴　马绍华

摘要：为了实时监测森林的温度，快速有效地对森林火灾进行实时防范，该文设计了基于simpliciT1协议的温度控制系统，建立了理论模型并对模型进行了仿真验证，同时采用了实验验证的研究方法，利用无线网络技术，GSM无线通信技术，无线传感器技术解决了传统的有线温度采集对象的确立和数据传输距离的问题，通过数据分析及仿真实验表明，控制系统结构简单，精确度高，传输距离长可以实现森林火灾的实施监控。

关键词：温度；GSM无线通信；无线传感器；simpliciT1协议；智能探测系统

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：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

近幾年调查数据显示，我国的森林覆盖率已经达到了20%左右，森林火灾会造成国家资源的严重损失，面对大面积的森林，由于传统的人工防火方式显得过于简陋且会消耗大量的人力资源，而且并不能主动实时地监控森林的具体情况。同时，在影响森林火灾的环境因子中，温度的精确监测和稳定控制是防御森林火灾的关键之处，传统的温度系统中采用热敏电阻，通过设计信号调理电路并经过复杂的校准和标定过程，同时采用的控制器为一个整体模块无法将某个单一模块用具有相同功能的其他部件代替，不仅精度低，而且成本高。针对这一情况，采用了智能集成温度传感器，将温度传感器集成在一个很小的芯片上，可以对温度进行实时监测。模拟信号的输出功能采用CC2530芯片，同时，随着无线传感器网络技术的发展，以无线网络为基础的温度控制系统凭借其操作简单、性能稳定、测量精度高，信息传递迅速等诸多优点满足了森林温度探测系统智能化，小型化，低功率的发展要求，为森林温度监控系统的开发提供了新思路。除此之外，温度系统应用的领域不同，需要监测和控制的对象也是不同的，所以系统的设计会随着监测对象的不同有着很大的区别。本文选择秦岭北麓森林浅山区作为监测环境，利用无线网络技术，无线网络通信技术以及温度传感器实现对森林小气候效应监测，设计了组网简单，具有实时防范作用的无线智能温度探测系统。

1 温度探测系统

温度采集系统由传感器节点（SN）和测控中心节点（CN）构成，首先，控制系统通过各前端监测节点上的温度传感器对森林中各区域的温度进行数据采集，通过监控模块和传感器模块实现无线传送温度因子，然后经过单片机处理后传感器节点把采集到的温度数据通过网络协议传输给测控中心节点（CN），CN 通过无线通信串口将接收到的数据传输给PC机，并在PC的实时监控平台上进行数据显示，分析处理以及保存，从而实现森林温度的无线智能调控，最后终端用户通过设计的接口和软件读取并查看采集节点的数据信息。系统的结构框架图如图1所示。

2 系统硬件设计

该采集系统的节点采用了CC2530芯片为微处理器，该芯片是TI公司推出的无线射频单片机，可以实现simpliciT1协议无线网络的开发，从而设计一个基于simpliciT1的通信协议网络系统，将组成该网络系统的传感器节点分布于秦岭北麓的各个典型地区，对各地区的温度进行采集。图2所示为该系统的传感器节点组成结构。传感器节点（SN）主要通过监控模块与温度传感器模块将采集数据发送给测控中心节点（CN），此时CN通过分析处理判断是否命令SN作出相应的操作，形成一个反馈系统。同理，CN的工作原理与其类似，在传感器节点上增加了一个串口通信模块，本系统采用GSM 通信模块，其中具有sink 节点（汇聚节点）会对采集来的数据进行再次的加工处理，可以实现数据的长距离传输，解决了传输距离的问题。针对监控模块，本系统分为移动式和终端式界面来实现信息的实时接收和精确监测，同时可以实现查看历史数据信息、数据分析与处理以及数据存储等，终端式监测因为数据信号在传输过程存在一定的衰减，因此在传输过程中应增加接力节点对数据进行透明传输，实现远距离数据传输的可靠性。并且两者都可以实现数据信息的监测并通过温度波形图显示各个监测区域的监测信息。

本系统通过可靠的路由协议和智能的部署方法搭建星形网络拓扑结构，采用模块化系统结构对秦岭北麓重要地区进行具有典型代表的数据采集工作，可以在同一时间对森林多点进行温度的采集，从而使数据更加具有有效性和整体性。

3 系统软件设计

目前国际上有多种智能温度传感器，主要特点即是能输出温度数据和相关的温度的关系量又能为其配置各种微控制器，本系统在硬件的基础上对软件做出了进一步的开发。每个测控中心节点具有数据采集与路由功能，为了分辨出数据来自哪个节点，收到的数据是温度值还是命令字，特设计数据协议.通过比较目的地址与本机地址进行判断，同时，传感器节点程序主要由初始化主程序和中断子程序两部分构成，在初始化主程序中传感器通过初始化后建立网络协议栈，加入网络并连接成功后将采集的温度信息发送给测控终端节点进行处理判断，若超出了限定值测控终端将发送数据帧给PC机，同时给测控中心节点一个反馈信息，从而唤醒传感器节点将采集到的数据并查询当前网络的可用信道发送给测控节点。系统采用网络协议实现了可靠通信。具体架构图如图3所示：

4 温度智能监控管理系統

温度智能监控管理系统为实时监控平台，主要针对实验室技术人员和系统管理人员，根据智能温度探测系统项目的规划，结合渭南秦岭北麓森林地区实际情况，需要在森林里部署N个智能化森林温度监控点，采用无线网络方式将视频监控图像及信号传回监控中心，监控中心需要采用联网监控管理平台管理，采用大屏显示前端监控视频图像等信息。智能化的森林温度监控系统是由前端基站、智能温度识别处理器、传输网络、后端联网监控管理平台构成。为了确定区域环境温度、压差指标并执行相应的温度控制，利用传感网络技术对实验室环境参数等参数实时监测，并将监测信息通过网络方式传输到监控后台，根据监控系统要求实现实时监测分层分布式结构，系统结构上采用分层分布式设计，纵向分为三层：监控层、网络通讯层和现场设备层。监控层包括监控计算机、监控管理软件等；网络通讯层包括传感器、测控装置、管理装置等无线网络通信设备；现场设备主要由温度传感器和其他控制设备。智能监控管理系统设计框架图如图4所示。

5 系统的仿真测试

仿真测试所需设备、仪器和材料如下： 前端温度采集模块，节点模块， 通信模块，串口连接线，装有专门编写设计的VB 温度监测界面的PC 机一台，手持式监测终端一个，各模块的供电电源。

在PC机上， 将传感器节点接收到的数据描绘成曲线，并显示当前值。同时可以用SQLServer制作数据库，可以对历史数据进行查询。并且对所采集到的数据系统测试，选择了夏天温度变化较大的一天的不同时间段作为测试对象，通过与实际数据进行对比，测试结果如下：

同时针对当前温度检测中面临的检测点分散、布线困难和实时性差等特点，设计了基于的simpliciT1协议温湿度检测系统，不仅可以显示各测试点的实时温度，同时通过通信串口将数据上传到PC机存储，以便进一步分析处理。系统具有如下优点： 1）无线电波信号传播特性。对森林环境中无线电波信号传播特性进行研究，为传感器节点的布置提供了重要的理论支持。2）节点定位技术。使全网平均每跳距离接近于真实的平均每跳距离，采用了网络协议的路由选择提高了定位精度。3）节点能源有效性。在不影响功能的前提下，采用数据融合技术以及空闲节点休眠技术等减少节点的能耗，延长系统。4）传感器节点研制。根据特殊的森林环境研究性能良好的传感器节点 并对传感器节点的类型进行选择，选用瑞士的温度集成数字传感器SHT15，它具有体积小、使用方便灵活、响应迅速、抗干扰能力强、性价比高等优点。

6 温度数据分析

本系统是以渭南市秦岭北麓森林地区为采集对象，对秦岭北麓地区进行了四季中不同时间段的实地采集工作，每个季节时长二周，测试的森林面积达到了1500平方千米，众所周知，在气象条件中，空气湿度是火险天气中的重要因素。当空气湿度小于60%时，就有发生森林火灾的可能。空气温度对森林火灾的影响非常大。为了能够使采集到的数据更具有代表性，本文选取了N个森林温度测控点中最具有代表性的四个监控点的数据进行分析总结，每隔一个小时进行一次温度采集，采集的数据经过串口通信模块并且采用网络协议传输到PC机上，在PC机上， 将从传感器节点接收到的数据描绘成曲线，并显示当前值。同时可以用SQLServer制作数据库，可以对历史数据进行查询。

为了研究秦岭北麓地区在春，夏，秋，冬四季的温度的相关性以及四季中林内温度与林外温度的对比性测试，本文将系统中各个季节所采集到的温度进行了对应时间点的温度平均值的计算，从而得到了4个季度中4个代表性的测试点所对应的平均值数据，使其结论更加具有客观性。

同时为了更加清楚地确定秦岭北麓地区在4个季度中的变化情况，本文对其对应时间点的温度平均值进行方差的计算，公式如下：

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

其中a为春夏秋冬四个季节，b为每种季度下四个节点所代表的采集温度的组号。n为0～23小时，x为每组所对应时间的温度的平均值，从而计算出方差得到以下表格：

从图中可以看出在春季温度的变化趋势较大，波动性较大，而在冬季温度的变化程度较为缓慢，较为稳定，从而可以得出需要在春季对森林加强温度的实时监测，重视火灾的预防。

为了能更加形象的观测出森林的温度在四季中的变化情况以及与林外温度的对比情况，以温度的分析为例，画出了各节点在特定时间的温度情况以及林外温度的折线图，如图5，图6，图7，图8所示：

综合各组别的方差值以及图中的数据可以看出，

（1） 林中各个地区由于受植被的覆盖面积，气流等原因的影响导致温度值存在一定的差异，当然，森林防护人员如果仅通过一个地区的温度来判断整个森林温度，难免存在很大误差同时也存在着极大地安全隐患，所以本文对不同地区的不同节点进行了温度分析从而使数据更加具有准确性。

（2） 林中的温度日变化成单峰特点，2：00～4：00左右温度出現最大值，0：00～5：00温度出现最小值并且变换趋势缓慢，同时可以从图中对比出冬季时林中的气温全天会比林外高，但是相差不大，而在春季时，白天与夜晚的温度有较大的差异，同时很明显可以从图中看出温度的最大值出现在夏天，这时对于森林温度的监测就显得十分重要。本系统在设计中采用了智能温度监测且在无人看管的情况下自动运行了四个周期，测试结果表明，该系统的精确度与准确度达到了设计要求。

7 结论

本文中系统是基于无线传感器网络，并结合了无线收发和GSM 通信技术，监控技术，系统能解决环境参数的确定，无线传感器节点的设计，无线路由的确立，优化定位算法，数据传输距离等问题，并能在一定程度上实现自动控制。系统能实现温湿度的实时无线采集和监测，满足树形、环形和星行节点拓扑结构，本系统旨在利用无线网络技术，无线网络通信技术，以及温度传感器实现对森林的温度进行监测，系统还具有较强的可移植性，只要更换采集节点中的传感器就能对其他参量的采集监测，主要包括森林边缘和林内温度，湿度，以及风速，辐射等要素进行了系统的研究，从而实现从复杂模拟量检测到现在的数字智能化检测的系统，满足温湿度控制系统发展操作简单、性能稳定、测量精度高，信息传递迅速的特点，实现对森林火灾的实时防范。

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