一、項(xiàng)目概述

1.1 引言

森林是人類生存和可持續(xù)發(fā)展的寶貴資源，在國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展中具有不可替代的地位和作用。森林資源是地球上重要的資源之一，是生物多樣化的基礎(chǔ)，它不僅能夠?yàn)樯a(chǎn)和生活提供多種寶貴的木材和原材料，能夠?yàn)槿祟惤?jīng)濟(jì)生活提供多種食品，更重要的是森林能夠調(diào)節(jié)氣候、保持水土、防止和減輕旱澇、風(fēng)沙、冰雹等自然災(zāi)害；還有凈化空氣、消除噪音等功能。但往往出于人為因素和自然因素的影響，使森林資源飽受森林火災(zāi)的致命侵害，嚴(yán)重威脅和損害森林生態(tài)和人類生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，研究森林的火災(zāi)特征并提供相應(yīng)的防治與控制技術(shù)，為其設(shè)計(jì)合理的火災(zāi)自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)及滅火系統(tǒng)是十分必要，而且刻不容緩的。傳統(tǒng)的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)、撲救、火險(xiǎn)預(yù)測(cè)等防火技術(shù)存在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)難、數(shù)據(jù)分散、通信不方便、應(yīng)急反應(yīng)慢、不易歸檔統(tǒng)計(jì)、評(píng)估預(yù)測(cè)無(wú)可比性等諸多缺憾。作為與地理信息密切相關(guān)的森林防火，本文采用無(wú)線傳感和以太網(wǎng)技術(shù)，可以大為提高森林防火的監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、分析、統(tǒng)計(jì)、決策水平，從而防患于未燃，發(fā)現(xiàn)于小火，及時(shí)撲救，最大限度地減少森林火災(zāi)的損失，保護(hù)森林生態(tài)資源和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

森林是人類賴以生存及社會(huì)發(fā)展最重要和不可缺少的資源之一,更是地球生態(tài)平衡的保護(hù)者。它不僅可以生產(chǎn)木材及其它林副產(chǎn)品，供人類從事生產(chǎn)和生活需要，成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)不可缺少的物質(zhì)基礎(chǔ)，而且又是維持生態(tài)系統(tǒng)平衡，保護(hù)和美化環(huán)境，有利于農(nóng)、牧、副等生產(chǎn)事業(yè)，造福于人類的一種偉大的力量。但是,由于人們?cè)谏鐣?huì)活動(dòng)中的某些失控及異常自然因素影響等原因,森林火災(zāi)時(shí)有發(fā)生。 森林火災(zāi)是破壞森林資源安全、威脅人類生存環(huán)境最為嚴(yán)重的災(zāi)害之一。近些年隨著氣候變動(dòng)、人為活動(dòng)等因素的影響,森林火災(zāi)有加劇上升的趨勢(shì),預(yù)防和監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)已成為世界各國(guó)森林防火部門(mén)的一個(gè)重要研究熱點(diǎn)。

森林火災(zāi)是指失去人為控制，在林地內(nèi)自由蔓延和擴(kuò)展，并對(duì)森林、生態(tài)系統(tǒng)和人類帶來(lái)一定危害和損失的林火行為。森林火災(zāi)是一種突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、處置救助較為困難，造成的經(jīng)濟(jì)損失相當(dāng)嚴(yán)重的自然災(zāi)害。我國(guó)國(guó)土遼闊、地形復(fù)雜多樣，各地氣候千差萬(wàn)別，同時(shí)人口眾多，人口分布廣泛，造成了森林火災(zāi)頻發(fā)，成為一個(gè)森林火災(zāi)多發(fā)的國(guó)家。

森林火災(zāi)的發(fā)生，絕不是偶然。從氣候角度考察，它們都有一個(gè)孕育的過(guò)程，即只有當(dāng)環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、降水量積累到一定閾值，才可能引發(fā)林火。這些條件因素具有明顯的地域性和季節(jié)性特點(diǎn)，和氣象因子有直接密切的關(guān)系。如果能采取積極有效措施，對(duì)重點(diǎn)林區(qū)的環(huán)境因子做到實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地探測(cè)感知，無(wú)疑將極大地提高火險(xiǎn)預(yù)知、報(bào)警的主動(dòng)性和準(zhǔn)確性。因此，預(yù)防和監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)技術(shù)的選擇顯得尤為重要。

傳統(tǒng)的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)、撲救、火險(xiǎn)預(yù)測(cè)等防火技術(shù)存在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)難、數(shù)據(jù)分散、通信不方便、應(yīng)急反應(yīng)慢、不易歸檔統(tǒng)計(jì)、評(píng)估預(yù)測(cè)無(wú)可比性等諸多缺憾。基于傳統(tǒng)森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)方法存在的不足, 本文將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)引入到森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)中來(lái),構(gòu)建了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有關(guān)被測(cè)參數(shù)(例如溫度、煙霧濃度等) 并發(fā)送給監(jiān)控中心的PC機(jī),對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,并與正常的氣象數(shù)據(jù)以及該地區(qū)森林資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)相比較,判斷是否具有林火發(fā)生的危險(xiǎn),為有關(guān)部門(mén)采取相應(yīng)的防火或滅火措施提供決策依據(jù)。

二、需求分析

2.1 功能要求

本次設(shè)計(jì)的森林防火報(bào)警系統(tǒng)主要由總控系統(tǒng)、傳輸節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)組成?？偪叵到y(tǒng)與監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)都采用AVR32 AT32UC3A單片機(jī)作為主控制芯片。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)在AVR32 AT32UC3A單片機(jī)控制下采集溫度傳感器及煙霧傳感器的信息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)Zigbee模塊將采集的信息傳送至傳輸節(jié)點(diǎn)的GPRS模塊，然后GPRS模塊再將各個(gè)Zigbee模塊傳送來(lái)的信息通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至總控系統(tǒng)?？偪叵到y(tǒng)用于接收GPRS網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的各節(jié)點(diǎn)信息，通過(guò)分析處理數(shù)據(jù)，監(jiān)控林火情況并能完成聲光報(bào)警，此外還能通過(guò)GSM模塊以短信方式將報(bào)警信息實(shí)時(shí)發(fā)送給相關(guān)人員。其系統(tǒng)架構(gòu)如下圖所示：

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 性能要求

1、監(jiān)測(cè)結(jié)點(diǎn)每五分鐘發(fā)送一次信號(hào)；

2、當(dāng)溫度超過(guò)一定值且煙霧濃度超過(guò)上限值通過(guò)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的Zigbee模塊傳送至傳輸節(jié)點(diǎn)，再由傳輸節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPRS模塊將信息傳送至總控系統(tǒng)。

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

（1）監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)是組成無(wú)線傳感監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的基本單位,是構(gòu)成無(wú)線傳感監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)平臺(tái)。 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、無(wú)線通訊模塊和電源模塊四部分組成。其中傳感器模塊主要包含溫度傳感器和煙霧濃度傳感器，溫度傳感器由大賽所用開(kāi)發(fā)平臺(tái)EVK1105提供，而煙霧濃度傳感器由自己配備，負(fù)責(zé)采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)的煙霧濃度、溫度參數(shù)。無(wú)線通訊模塊負(fù)責(zé)與傳輸節(jié)點(diǎn)的GPRS模塊進(jìn)行無(wú)線通訊,將傳感器所采集的數(shù)據(jù)信息利用Zigbee協(xié)議傳送給傳輸節(jié)點(diǎn)的GPRS模塊。電源部分主要給傳感器模塊、無(wú)線通訊模塊供電 ,負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)的驅(qū)動(dòng),是決定網(wǎng)絡(luò)生存期的關(guān)鍵因素。

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件組成包括一個(gè)AVR32 AT32UC3A單片機(jī)，EVK1105中的溫度傳感器部分，自備的煙霧濃度傳感器，無(wú)線編碼和發(fā)送器(Zigbee模塊)等。其硬件結(jié)構(gòu)圖如下所示：

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

（2）總控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)

總控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)通過(guò)無(wú)線通訊接收的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理并做相應(yīng)的反應(yīng)（聲光報(bào)警、LCD顯示、通過(guò)GSM發(fā)送手機(jī)信號(hào)等）。主要由處理模塊、無(wú)線通訊模塊、GSM模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊和電源模塊六部分組成。處理器模塊負(fù)責(zé)控制監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的操作,存儲(chǔ)和處理監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)信息（經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的信息）,無(wú)線通訊模塊負(fù)責(zé)與監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊,接收數(shù)據(jù)。報(bào)警模塊負(fù)責(zé)接收到不安全信息后亮紅燈并鳴笛報(bào)警，而接收到安全信息時(shí)亮綠燈。LCD顯示模塊主要負(fù)責(zé)顯示煙霧濃度及溫度等數(shù)據(jù)信息。GSM模塊主要負(fù)責(zé)收到不安全信息后向相關(guān)人員發(fā)送手機(jī)信號(hào)提示救援。電源部分主要給處理模塊、無(wú)線通訊模塊、GSM模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊和電源模塊供電 ,負(fù)責(zé)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)。

總控系統(tǒng)的硬件組成包括一個(gè)AVR32 AT32UC3A單片機(jī)，EVK1105中的LCD顯示部分，無(wú)線解碼和接收器(接收GPRS模塊的無(wú)線信號(hào))，無(wú)線編碼和發(fā)送器（GSM模塊），蜂鳴器，LED紅色、綠色各一個(gè)，A/D轉(zhuǎn)換器等。其硬件結(jié)構(gòu)圖如下所示：

總控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 硬件平臺(tái)選用及資源配置

1、傳感器節(jié)點(diǎn)：核心芯片采用ATMEL公司AVR32 AT32UC3A單片機(jī)作為主控制芯片。工作電壓1.65V~3.6V，功耗低。傳感器采用EVK1105配套的溫度傳感器和自配煙霧傳感器。

2、網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)：網(wǎng)關(guān)的硬件部分主要由中央處理單元、存儲(chǔ)單元、射頻收發(fā)模塊和GSM通信模塊組成。網(wǎng)關(guān)的中央處理單元主要用來(lái)處理從傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)以及完成一些控制功能。中央處理單元的主要器件是ATMEL公司AVR32 AT32UC3A單片機(jī)。網(wǎng)關(guān)配有與傳感器節(jié)點(diǎn)相同的RF收發(fā)模塊，用于接收它們發(fā)送的數(shù)據(jù)。為確保信息傳送到檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)配有GSM通信單元，可以相關(guān)人員通過(guò)GSM手機(jī)終端來(lái)觀察分析數(shù)據(jù)。

3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

軟件系統(tǒng)大體可分為兩大部分，一部分為監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)模塊，另一部分為總控系統(tǒng)模塊。在節(jié)點(diǎn)模塊中，上電復(fù)位后，首先要初始化傳感器，然后傳感器采集溫度、煙霧等環(huán)境信息，并通過(guò)無(wú)線發(fā)送器將信息發(fā)送給傳輸節(jié)點(diǎn)。在總控模塊中，上電復(fù)位后，進(jìn)行初始化接收無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳過(guò)來(lái)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理，判斷是否為安全信息，如果是安全信息亮綠燈，如果為非安全信息則發(fā)出警報(bào)聲同時(shí)亮紅燈，利用GMS模塊向相關(guān)人員發(fā)送手機(jī)信號(hào)，以使其采取相應(yīng)措施。

其中，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)模塊的軟件架構(gòu)圖如下所示：

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件架構(gòu)圖

總控系統(tǒng)的軟件構(gòu)架如下所示：

總控節(jié)點(diǎn)軟件架構(gòu)圖

3.4 系統(tǒng)軟件流程

整個(gè)系統(tǒng)共分為兩個(gè)大的模塊：監(jiān)測(cè)點(diǎn)系統(tǒng)模塊和總控系統(tǒng)模塊。其各自的流程圖如下所示：

（1）監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件流程：

流程圖如下所示：

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)流程圖

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件部分簡(jiǎn)介：開(kāi)始程序，接通電源后先上電復(fù)位，然后對(duì)使用的溫度以及煙霧傳感器進(jìn)行初始化，利用傳感器采集溫度以及煙霧信息，然后將采集的信息通過(guò)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的Zigbee模塊傳送至傳輸節(jié)點(diǎn)，然后傳輸節(jié)點(diǎn)會(huì)將接收到的信息通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送至總控系統(tǒng)。為了不對(duì)下次采樣數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，Zigbee將采樣數(shù)據(jù)傳送至傳輸節(jié)點(diǎn)后，要對(duì)傳感器進(jìn)行初始化，進(jìn)行下一次的采集信息。

（2）總控系統(tǒng)軟件流程：

流程圖如下所示：

總控系統(tǒng)流程圖

總控系統(tǒng)軟件部分簡(jiǎn)介：開(kāi)始程序，接通電源后先上電復(fù)位，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化。然后通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接收GPRS模塊傳送來(lái)的采樣信息，總控系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)接收到的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，接著對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷。如果是安全信息，總控系統(tǒng)會(huì)通過(guò)聲光報(bào)警系統(tǒng)只亮綠光不發(fā)出警報(bào)聲；如果是不安全的信息，聲光系統(tǒng)就會(huì)亮紅燈同時(shí)產(chǎn)生警報(bào)聲，同時(shí)總控系統(tǒng)會(huì)控制GSM模塊，通過(guò)GSM模塊向相應(yīng)的護(hù)林人員發(fā)送消息通知其某節(jié)點(diǎn)存在的潛在的危險(xiǎn)。再接著，通過(guò)LCD模塊對(duì)處理后數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。為了接收下一次的采樣數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示后要對(duì)重新對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化，進(jìn)行下一次的接收信息。

3.4 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)覆蓋到的各個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，采用溫度和煙霧傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度和煙霧濃度。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)定時(shí)發(fā)送監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的溫度及煙霧濃度參數(shù)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)信息傳送到總控系統(tǒng)?？偪叵到y(tǒng)將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送來(lái)的相關(guān)信息通過(guò)LCD顯示出來(lái)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)采集到的信息進(jìn)行分析處理。當(dāng)處理后的數(shù)據(jù)元素值超過(guò)自然條件下的正常波動(dòng)范圍時(shí)，就相應(yīng)的發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)總控系統(tǒng)通知相關(guān)林業(yè)負(fù)責(zé)人員采取相關(guān)行動(dòng)。否則不發(fā)出報(bào)警。

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