基于物联网的森林防护、预警及监控系统

王浩+王芹

[摘要]森林火灾是森林最危险的敌人，会给森林带来毁灭性的后果。森林火灾不但烧毁成片的森林，伤害林内的动物，而且降低了森林的繁殖能力，引起土壤的贫瘠，破坏森林涵养水源的作用，甚至会导致生态环境失去平衡。森林防护预警及监控系统将无人机和物联网技术应用在森林防护中，通过对林区的巡航检测，实时反馈信息，一旦发现火情，无人机将火情信息传送给无人机站，由无人机站将信息发送给管理中心。整个系统的运用，增强了反应能力，避免了较大的火灾损失。

[关键词]无人机；物联网；监控系统

[DOI]1013939/jcnkizgsc201721124

1背景

森林火灾是森林最危险的敌人，也是林业最可怕的灾害，它会给森林带来危害，最具有毁灭性的后果。森林火灾不但烧毁成片的森林，伤害林内的动物，而且还降低森林的繁殖能力，引起土壤的贫瘠和破坏森林涵养水源的作用，甚至会导致生态环境失去平衡。尽管当今世界的科技在日新月异地向前发展，但是，人类在预防森林火灾上却依然尚未取得长久的进展。

森林火灾危害大，扑灭困难，于是在火灾还在萌芽状态立即扑灭它就显得尤为重要。森林火灾因为常常处在深山老林中，不易发现，故而发现火灾对于早扑灭火灾具有重要意义。

2传统灭火方式

21兴建瞭望塔

瞭望台监测，是通过瞭望台来观测林火的发生，确定火灾发生的地点，报告火情，它的优点是覆盖面较大、效果较好。存在的不足：是无生活条件的偏远林区不能设瞭望台；它的观察效果受地形地势的限制，覆盖面小，有死角和空白，观察不到，对烟雾浓重的较大面积的火场、余火及地下火无法观察；雷电天气无法上塔观察；瞭望是一种依靠瞭望员的经验来观测的方法，准确率低，误差大。另外，瞭望员人身安全受雷电、野生动物等的威胁。

22建立视频监控系统

这是目前国内主流的监控方式。这是传统城市监控的简单延伸，将采集视频图像通过微波汇总，由人工完成集中监视。

人工监视易造成肉眼疲劳，视频中的火情不易被察觉，造成漏报；监控中心的视频线路较多，人工监视也无法一一监看，易造成漏报。所以，传统视频监控的最大缺点是漏报率非常高。传统视频监控是非数字化系统，许多智能应用无法实现。

23建立智能预警系统

这是森林防火的发展方向，实现森林防火的智能化，信息化。利用无缝融合智能图像识别技术、面向对象的3D GIS技术、大型网络监控技术等高新技术，利用多项专利技术，结合林业管理的专业知识和林业防火的经验，建立林业防火智能监测预警及应急指挥系统，从而实现林区视频的自动监控、烟火准确识别、火点精确定位、火情蔓延趋势推演、扑救指挥的辅助决策、灾后评估等多方面功能，建立森林防火的完整业务链，并针对性地解决用户的各种个性化需求。

如“森林卫士365”系列产品，主要由前端智能监控产品和后端应用系统构成。前端智能监控产品包括重型数字云台、基站智能控制箱、嵌入式的烟火识别智能处理器等；后端应用系统包括海普联网监控管理平台、基于ArcGIS平台的森林防火辅助决策及应急指挥系统。

3系统主要任务

31无人机自动巡航技术

本项目采用无人巡防飞行器携带火焰传感器、红外传感器、地磁传感器对所覆盖林区进行定时巡航。经过反复设计与不断实验，本项目的无人巡防飞行器已经可以自主起飞、避障、自主返航、上报巡查结果、自主充电，真正实现了全智能化。

32物联网技术

本项目采用GPRS链路为无人机站与服务器之间建立网络连接，传输速率为48kbps。当无人机巡航发现火情后，通过GPRS发给无人机站，由机站把火情信息发给服务器及管理员手机上面，管理人员即可知道该无人机站附近发现着火点。后台管理人员通过物联网技术可以方便地掌握整个系统的运行状况，并可以远程对该系统发送控制指令。

33火焰信号的检测

火焰信号包含了紫外光谱信号与红外热信号，经过反复的实验与比较，本项目对火焰的检测主要采用了判断其紫外光谱信号的方案，该方案具有灵敏度高、抗干擾能力强等特点。目前本项目的甄别火源能力已经达到预期要求，通过判别火焰中紫外光，来识别火源。

34烟雾信号的探测

除了对火焰进行检测外，还需要对烟雾进行探测，森林中一旦有火情，起初会有烟雾，能够对烟雾进行检测，也是监控重要的一个方面。本项目经过反复验证与实验最终采用了气敏传感器与CCD图像处理系统协同处理的方式，可准确判断烟雾。在无人机站安装上述传感器后，通过云台进行观察。

35绿色新能源系统

本系统供电采用太阳能光伏发电系统，设计了多电压逆变系统。通过休眠节能化设计，在未发生火情的情况下，极大地减小处理器和外围电路的电能损耗，节省能源80%以上。

4系统原理框图

本项目采用无人巡防飞行器携带火焰传感器、红外传感器、地磁传感器对所覆盖林区进行定时巡航。经过反复设计与不断实验，本项目的无人巡防飞行器已经可以自主起飞、避障、自主返航、上报巡查结果、自主充电，真正实现了全智能化。本项目采用GPRS链路为无人机站与服务器之间建立网络连接，传输速率为48kbps。当无人机巡航发现火情后，通过GPRS发给无人机站，由机站把火情信息发给服务器及管理员手机上面，管理人员即可知道该无人机站附近发现着火点。后台管理人员通过物联网技术可以方便地掌握整个系统的运行状况，并可以远程对该系统发送控制指令。

5结论

通过本项目，我们验证了通过无人机对森林自主巡防的可行性，本项目把无人机技术、物联网技术、传感器技术进行有机结合，形成一套功能完善、实用性强的森林防护产品。目前项目组正在与北海林场进行洽谈协商，准备在春天风大干燥的时候在北海林场进行试验，产品成熟后，市场前景非常可观。

参考文献：

[1]都基焱 段连飞无人机电视侦察目标定位原理[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2013

[2]Rogelio Lozano无人机嵌入式控制[M].北京：国防工业出版社，2014

[3]曾庆华无人飞行控制技术与工程[M].北京：国防工业出版社，2011