设计实例：森林火灾实时监测与预警系统

一、项目概述

1.1 引言

森林是人类生存和可持续发展的宝贵资源，在国家经济建设和可持续发展中具有不可替代的地位和作用。森林资源是地球上重要的资源之一，是生物多样化的基础，它不仅能够为生产和生活提供多种宝贵的木材和原材料，能够为人类经济生活提供多种食品，更重要的是森林能够调节气候、保持水土、防止和减轻旱涝、风沙、冰雹等自然灾害；还有净化空气、消除噪音等功能。但往往出于人为因素和自然因素的影响，使森林资源饱受森林火灾的致命侵害，严重威胁和损害森林生态和人类生命财产安全。因此，研究森林的火灾特征并提供相应的防治与控制技术，为其设计合理的火灾自动监控报警系统及灭火系统是十分必要，而且刻不容缓的。传统的森林火灾监测、扑救、火险预测等防火技术存在实时监测难、数据分散、通信不方便、应急反应慢、不易归档统计、评估预测无可比性等诸多缺憾。作为与地理信息密切相关的森林防火，本文采用无线传感和以太网技术，可以大为提高森林防火的监测、预测、分析、统计、决策水平，从而防患于未燃，发现于小火，及时扑救，最大限度地减少森林火灾的损失，保护森林生态资源和人民生命财产安全。

1.2 项目背景/选题动机

森林是人类赖以生存及社会发展最重要和不可缺少的资源之一,更是地球生态平衡的保护者。它不仅可以生产木材及其它林副产品，供人类从事生产和生活需要，成为国民经济建设不可缺少的物质基础，而且又是维持生态系统平衡，保护和美化环境，有利于农、牧、副等生产事业，造福于人类的一种伟大的力量。但是,由于人们在社会活动中的某些失控及异常自然因素影响等原因,森林火灾时有发生。 森林火灾是破坏森林资源安全、威胁人类生存环境最为严重的灾害之一。近些年随着气候变动、人为活动等因素的影响,森林火灾有加剧上升的趋势,预防和监测森林火灾已成为世界各国森林防火部门的一个重要研究热点。

森林火灾是指失去人为控制，在林地内自由蔓延和扩展，并对森林、生态系统和人类带来一定危害和损失的林火行为。森林火灾是一种突发性强、破坏性大、处置救助较为困难，造成的经济损失相当严重的自然灾害。我国国土辽阔、地形复杂多样，各地气候千差万别，同时人口众多，人口分布广泛，造成了森林火灾频发，成为一个森林火灾多发的国家。

森林火灾的发生，绝不是偶然。从气候角度考察，它们都有一个孕育的过程，即只有当环境温度、相对湿度、降水量积累到一定阈值，才可能引发林火。这些条件因素具有明显的地域性和季节性特点，和气象因子有直接密切的关系。如果能采取积极有效措施，对重点林区的环境因子做到实时、准确地探测感知，无疑将极大地提高火险预知、报警的主动性和准确性。因此，预防和监测森林火灾技术的选择显得尤为重要。

传统的森林火灾监测、扑救、火险预测等防火技术存在实时监测难、数据分散、通信不方便、应急反应慢、不易归档统计、评估预测无可比性等诸多缺憾。基于传统森林火灾监测方法存在的不足, 本文将无线传感器网络技术和以太网技术引入到森林火灾监测中来,构建了基于无线传感器网络的森林火灾监测系统。该系统可以实时监测有关被测参数(例如温度、烟雾浓度等) 并发送给监控中心的PC机,对采集到的数据进行分析处理,并与正常的气象数据以及该地区森林资源基础数据相比较,判断是否具有林火发生的危险,为有关部门采取相应的防火或灭火措施提供决策依据。

二、需求分析

2.1 功能要求

本次设计的森林防火报警系统主要由总控系统、传输节点和监测节点系统组成。总控系统与监测节点都采用AVR32 AT32UC3A单片机作为主控制芯片。监测节点在AVR32 AT32UC3A单片机控制下采集温度传感器及烟雾传感器的信息，每个节点通过Zigbee模块将采集的信息传送至传输节点的GPRS模块，然后GPRS模块再将各个Zigbee模块传送来的信息通过GPRS无线网络发送至总控系统。总控系统用于接收GPRS网络传来的各节点信息，通过分析处理数据，监控林火情况并能完成声光报警，此外还能通过GSM模块以短信方式将报警信息实时发送给相关人员。其系统架构如下图所示：

图1 系统架构

2.2 性能要求

1、监测结点每五分钟发送一次信号；

2、当温度超过一定值且烟雾浓度超过上限值通过监测节点的Zigbee模块传送至传输节点，再由传输节点通过GPRS模块将信息传送至总控系统。

三、方案设计

3.1 系统功能实现原理

（1）监测节点硬件系统

监测节点是组成无线传感监测网络的基本单位,是构成无线传感监测网络的基础平台。 监测节点由传感器模块、无线通讯模块和电源模块四部分组成。其中传感器模块主要包含温度传感器和烟雾浓度传感器，温度传感器由大赛所用开发平台EVK1105提供，而烟雾浓度传感器由自己配备，负责采集监测点的烟雾浓度、温度参数。无线通讯模块负责与传输节点的GPRS模块进行无线通讯,将传感器所采集的数据信息利用Zigbee协议传送给传输节点的GPRS模块。电源部分主要给传感器模块、无线通讯模块供电 ,负责节点的驱动,是决定网络生存期的关键因素。

监测节点的硬件组成包括一个AVR32 AT32UC3A单片机，EVK1105中的温度传感器部分，自备的烟雾浓度传感器，无线编码和发送器(Zigbee模块)等。其硬件结构图如下所示：

监测节点硬件结构图

（2）总控系统硬件系统

总控系统主要负责对通过无线通讯接收的数据信号进行处理并做相应的反应（声光报警、LCD显示、通过GSM发送手机信号等）。主要由处理模块、无线通讯模块、GSM模块、显示模块、报警模块和电源模块六部分组成。处理器模块负责控制监测节点的操作,存储和处理监测节点发送来的二进制数据信息（经A/D转换器转换的信息）,无线通讯模块负责与监测节点进行通讯,接收数据。报警模块负责接收到不安全信息后亮红灯并鸣笛报警，而接收到安全信息时亮绿灯。LCD显示模块主要负责显示烟雾浓度及温度等数据信息。GSM模块主要负责收到不安全信息后向相关人员发送手机信号提示救援。电源部分主要给处理模块、无线通讯模块、GSM模块、显示模块、报警模块和电源模块供电 ,负责系统的驱动。

总控系统的硬件组成包括一个AVR32 AT32UC3A单片机，EVK1105中的LCD显示部分，无线解码和接收器(接收GPRS模块的无线信号)，无线编码和发送器（GSM模块），蜂鸣器，LED红色、绿色各一个，A/D转换器等。其硬件结构图如下所示：

总控系统硬件结构图

3.2 硬件平台选用及资源配置

1、传感器节点：核心芯片采用ATMEL公司AVR32 AT32UC3A单片机作为主控制芯片。工作电压1.65V~3.6V，功耗低。传感器采用EVK1105配套的温度传感器和自配烟雾传感器。

2、网关设计：网关的硬件部分主要由中央处理单元、存储单元、射频收发模块和GSM通信模块组成。网关的中央处理单元主要用来处理从传感器节点采集到的数据以及完成一些控制功能。中央处理单元的主要器件是ATMEL公司AVR32 AT32UC3A单片机。网关配有与传感器节点相同的RF收发模块，用于接收它们发送的数据。为确保信息传送到检测网络，网关配有GSM通信单元，可以相关人员通过GSM手机终端来观察分析数据。

3.3系统软件架构

软件系统大体可分为两大部分，一部分为监测节点模块，另一部分为总控系统模块。在节点模块中，上电复位后，首先要初始化传感器，然后传感器采集温度、烟雾等环境信息，并通过无线发送器将信息发送给传输节点。在总控模块中，上电复位后，进行初始化接收无线网络传过来的节点数据，进行处理，判断是否为安全信息，如果是安全信息亮绿灯，如果为非安全信息则发出警报声同时亮红灯，利用GMS模块向相关人员发送手机信号，以使其采取相应措施。

其中，监测节点模块的软件架构图如下所示：

监测节点软件架构图

总控系统的软件构架如下所示：

总控节点软件架构图

3.4 系统软件流程

整个系统共分为两个大的模块：监测点系统模块和总控系统模块。其各自的流程图如下所示：

（1）监测节点软件流程：

流程图如下所示：

监测节点流程图

监测节点软件部分简介：开始程序，接通电源后先上电复位，然后对使用的温度以及烟雾传感器进行初始化，利用传感器采集温度以及烟雾信息，然后将采集的信息通过每个节点的Zigbee模块传送至传输节点，然后传输节点会将接收到的信息通过GPRS无线网络传送至总控系统。为了不对下次采样数据产生影响，Zigbee将采样数据传送至传输节点后，要对传感器进行初始化，进行下一次的采集信息。

（2）总控系统软件流程：

流程图如下所示：

总控系统流程图

总控系统软件部分简介：开始程序，接通电源后先上电复位，对单片机进行初始化。然后通过无线网络接收GPRS模块传送来的采样信息，总控系统通过数据处理模块对接收到的采样数据进行处理，接着对处理后的数据进行分析判断。如果是安全信息，总控系统会通过声光报警系统只亮绿光不发出警报声；如果是不安全的信息，声光系统就会亮红灯同时产生警报声，同时总控系统会控制GSM模块，通过GSM模块向相应的护林人员发送消息通知其某节点存在的潜在的危险。再接着，通过LCD模块对处理后数据进行显示。为了接收下一次的采样数据，数据显示后要对重新对单片机进行初始化，进行下一次的接收信息。

3.4 系统预计实现结果

对于网络覆盖到的各个监测节点，采用温度和烟雾传感器，实时监测各个节点的温度和烟雾浓度。每个监测点定时发送监测范围内的温度及烟雾浓度参数，通过无线网络将采集到的数据信息传送到总控系统。总控系统将无线网络传送来的相关信息通过LCD显示出来，通过A/D转换器对采集到的信息进行分析处理。当处理后的数据元素值超过自然条件下的正常波动范围时，就相应的发出声光报警，同时总控系统通知相关林业负责人员采取相关行动。否则不发出报警。

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