基于IoT的森林防火监测系统的开发

摘要：该文设计了一种森林火灾自动监测系统，通过物联网节点的独立运行，获取节点周围的环境信息，再通过网络通信设备进行信息采集。系统采用大量低功耗附件，采用FPGA技术可使IoT节点整体功耗极低，并具有智能能源管理功能，可在不同能源状态下实施不同的运行方案，并确保能在当前能量状态下获得尽可能多的及时的信息。

关键词：物联网;森林防火;监测系统

中图分类号：TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）14-0104-02

中国森林面积2.08亿公顷，居世界第六位[1]。尤其是我们东北地区森林茂密，森林火灾危害很大，很难扑灭。一场火灾会造成大量的森林资源和财产损失，甚至造成重大人员伤亡。所以在萌芽阶段采取预防措施尤为重要。目前我国采取的主要手段是人为干预措施，如建设瞭望塔、人工集中监控视频监控系统、小部分智能预警系统等，但由于资源投入较大，无法普及。

首先，偏远林区没有网络覆盖，通信和上网成为主要问题。部分林区网络覆盖差，通信质量差。 缺乏林业专网，传输信号受外界干扰较大，高峰时段消防信息传输不畅。其次，目前国家森林火灾视频监测中大量森林火灾监测工作仍主要依靠点数过少人工瞭望解决，时效性差、覆盖率低、精度差、无法满足森林火灾监测预警的需要。第三是消防队信息化装备水平低，消防队移动端功能比较单一，缺乏定位、通信等功能，传感器的感应范围太小，无法满足现场要求。

因此，面对如此大面积的森林生态系统，采用任何一种外部功能都将是一个巨大的消耗。本系统设计并建立了一个以收集自然能源为节点的物联网，以管理多种能源，优化能源供应，实现整个森林火灾探测系统自给自足、低功耗为目标。使用和管理传感器检测森林中的指标数据，将数据传输到终端进行数据分析，并给出一些参考预警信息，从而形成低功耗、自动化、通用的森林火灾探测系统。

1 系统设计

系统节点主要分为能量采集模块、信息采集模块、核心采集处理模块、低功耗传输模块和上位机模块几个模块，下面分别介绍这些模块的功能。

该系统主要采集两种环境能量：一种是通过太阳能电池板采集太阳能，另一种是通过直流发电机采集风能。太阳能组件可在不同光照条件下提供10ma-40ma电流。因为功率太低，不能直接给整个系统供电，但可以不断地给充电电池充电，再由充电电池供电。风能采集模块主要采集风能，其最大电流可达200​​mA，可直接为系统供电，也可为充电电池充电。整个能量采集系统实现了太阳能、风能向电能的转换，最终实现电能的稳定输出，从而保证系统运行的稳定性。

环境信息采集模块采用DHT11温湿度数字传​​感器[2]。采用数字接口统一互联，采用I2C或SPI进行高效数据传输。I2C 类似于主从模式下的 SPI 总线。I2C 和 SPI 总线上可以有多个从设备，但只有一个主设备。DHT11数字温湿度传感器为单总线结构，采用数据线控制模块工作，收发温湿度数据。根据传感器数据传输时序图，构建数据传输状态机，实现数据接收和发送功能。

核心采集处理模块。数据采集单元通过数据接口连接传感器获取待采集数据。数据处理单元根据需求进行压缩、整合等预处理，然后通过数据传输接口连接Wi-Fi等模块发送数据。当没有风力供电时，系统将进入低功耗模式。在低功耗模式下，数据传输的频率会变慢。当传感器采集到一组数据时，不会发送，而是存儲在缓冲区中。当数据达到四组时，统一发送。当有风电供电时，系统将进入正常模式，以更快的频率采集和发送数据。自包含数据收集后，将立即发送。这种能源管理模式将大大延长节点的工作时间和使用寿命。低功耗模块将一直运行，高性能模块在满足触发条件时被激活。此外，为了辅助能量控制模块实现各种能量切换，我们的核心处理单元可以实现多电源管理（动态切换）。低功耗模块LP检测各种电源的情况，控制不同电源之间的切换。它可以根据当前能源供应的类型动态调整数据传输和接收的频率。同时支持用户设置触发条件，低功耗模块LP让晶格中的数据采集和数据传输功能单元完成数据采集和传输，然后低功耗模块LP让晶格进入睡眠状态。实现能源的合理利用，实现真正的常开模式。

数据传输分为四个单元。FPGA将数据传输给Wi-Fi模块，Wi-Fi模块通过路由器将数据转发给上位机。 FPGA上的数据处理单元通过串口唤醒Wi-Fi模块，并将数据传输给Wi-Fi模块。Wi-Fi模块在一定时间内接收到数据，并通过路由器将数据转发给上位机。上位机设置socket进行监听、接受二进制数据、解压、分析、存储，并将数据显示在屏幕上。这里使用的Wi-Fi模块是usr-cs322。 Wi-Fi 的功耗相对较低。待机模式下功耗仅为25ua，非连续传输模式下功耗仅为18ma，可以在现有的功能环境中正常工作。Wi-Fi模块有多种工作模式，使用sta模式。在sta模式下，设置要连接的AP的名称和密码。Wi-Fi启动后，会自动与路由器建立连接。

上位机分为三个界面：主界面、温度详情界面和湿度详情界面。主界面会显示当前接收到的最新温湿度，在温度详情界面可以看到详细的温度变化曲线。同样，也可以在湿度详细信息界面中查看详细的湿度曲线。当温度和湿度超过警告范围时，将发出警告。上位机与Wi-Fi模块的连接采用自动连接方式。上位机每次启动都会向全局发送一个广播。 Wi-Fi模块收到广播后，会返回自己的IP地址，并根据返回的IP地址建立连接，开始接收数据。主机接收到数据包后，对其进行分析，以确定接收到的数据是以低功耗模式传输还是以正常模式传输。根据不同的情况采用不同的方案，温湿度数据以图像的形式显示在各自的界面上。

2 系统实现

本设计的各种智能物联网节点的设计主要包括能量采集单元、信息采集单元、核心控制与处理单元、低功耗传输单元等，系统结构如图1所示。

能量采集单元主要包括太阳能采集单元、电磁能量采集单元和热能采集单元。如图2所示，能量采集单元子单元主要由能量采集模块、能量传输模块和能量控制模块组成。能量采集模块实现太阳能、电磁能或热能向电能的转换;能量传输模块实现从采集电源到稳定电源的转换;能量控制模块实现各采集模块的供电和输出切换。

本系统CO传感器模块采用的传感器为MQ-9气体传感器[3]，所用的气敏材料为二氧化锡（SnO2），在清洁空气中具有低电导率。采用高低温循环检测法，在低温（1.5V加热）下检测一氧化碳。传感器的电导率随着空气中一氧化碳浓度的增加而增加，并且在高温（5.0V加热）下检测到甲烷和丙烷并对低温吸附的杂散气体加以净化。利用简单的电路可以将电导率的变化转换为对应于气体浓度的输出信号。MQ-9气体传感器对一氧化碳、甲烷和液化气具有较高的灵敏度。可检测多种一氧化碳气体和易燃性气体，是一种适用于许多应用的低成本传感器。

对于森林防火监测系统来说，温度监测非常重要。 温度传感器用于采集周围环境的环境因素，读出温度数据，然后通过信号处理功能，让外设做出相应的响应，将温度数据无线传输至显示器。当温度高于预设温度时，MCU驱动继电器控制风扇转动以降低温度。当温度低于预设温度时，MCU驱动继电器控制集热器的加热。

空气温濕度模块主要利用DHT11湿度检测传感器，DHT11数字温/湿度传感器是一种含有已校正的数字信号输出的温湿度复合传感器。该传感器分别内置了一个电阻式湿度测量元件和负温度系数热敏电阻器温度测量元件，它可以与高性能的8位单片机相连接。由于该传感器采用的串行接口遵循单线制规范，从而使得系统的集成过程变得简单快捷。此外，该传感器还具备超小的体积、极低的功耗， 超快的响应、较强的抗干扰能力等优点，其信号传输距离可以超过20米，所以是各类应用场合的合理选择。

信息采集电路包括各种数字传感器和低功耗相机。通常采用数字接口连接的传感器，主要涉及温湿度、压力、光照等。数字接口用于统一互连，I2C或SPI用于高效数据传输。低功耗相机拍摄的几张照片的功耗低于纽扣电池。因此，节点的图像采集功能通过间歇打开来增加。

数据传输电路主要包括低功耗Wi-Fi单元、低功耗蓝牙单元和ZigBee单元[4]。Wi-Fi模块广泛用于室内环境，低功耗Wi- Fi模块用于智能家居类节点。蓝牙4.1等新标准出台后，功耗和互联特性有了很大的提升。此外，ZigBee 模块采用低功耗 LAN协议，适用于大型自组网系统的建设。

核心采集处理单元包括高频时钟驱动的数据采集单元、数据传输单元和数据处理单元以及低频时钟驱动的常开监测单元和多能量管理单元。数据采集​​单元通过I2C、SPI和UART接口连接传感器和摄像头，获取需要采集的数据[5]。数据处理单元根据需求进行压缩、整合等预处理，然后通过数据传输接口连接Wi-Fi等模块发送数据。低功耗模块一直在运行，可以激活高性能模块，另外，辅助能量控制模块实现各种能量切换。

该系统的基本运行过程如下： 第一步：最初使用纽扣充电电池（位于太阳能电磁板中）供电;第二步：启动低功耗模块;第三步：用小功率模块开启大功率模块;第四步：大功率模块采集传感器节点信息;第五步：大功率模块进行数据传输;第六步：低功率模块关闭高功率模块;第七步：小功率模块将电源切换到电磁电源，太阳能给纽扣充电电池充电;第八步：低功耗模块检测外部触发或内部触发。一旦触发，进入第三步。

在能源的合理利用方面，本设计实现了系统的低功耗运行。在系统运行过程中，会实时监控外部能量状态。当采集到的能量比较稀缺时，会使用低功耗模块动态调整采集数据的收发频率;当能量充足时，进入正常工作模式，数据收发频率进入正常模式。这种能源管理模式可以使系统工作更持久。

上位机连接单元向局域网发送UDP命令，监控Wi-Fi模块反馈的节点信息。离线判断：如果节点超过20秒没有发送任何信息，则判断节点已经休眠，重新连接步骤。上位机接收节点发送的信息根据节点之间的协议对数据进行分析，将数据传输至可视化显示模块，并将数据显示在界面上。

上位机的设计主要分为主界面、温湿度细节三个界面，主要是为了有利于用户的视角，同时将数据制作成图像曲线变化，并进行数据分析，在温湿度超出预警范围，会有提示，促进用户更方便、清晰地掌握各节点反馈信息，使信息智能化得到显著提升。

3 结语

本系统设计的森林火灾探测系统是一个将能源采集和安全数据检测集成在各个单节点的物联网系统。该系统协调了多种自给自足的智能系统，具有自然能源功能稳定、功耗低、自主性强的特点，优化了当前森林消防系统智能化水平低、人力物力消耗大等一系列问题，为森林监测系统提供了一个更加节能、智能、安全的信息系统。 这种设计还充分结合了以往的研究成果和创新成果，将科技应用于特定场合，具有较高的经济价值和社会效益。

参考文献：

[1] 李敏. 基于物联网的监控系统研究与应用[D].宜昌：长江大学，2016.

[2] 包子建.基于IoT的污染监测系统的设计与实现[J].电脑知识与技术，2019，15（6）：255-256.

[3] 包子建.基于IoT的道路照明系统的设计与实现[J].电脑知识与技术，2019，15（10）：213-214.

[4] 包子建.基于IoT的智能车系统的设计与实现[J].电脑知识与技术，2020，16（8）：179-180.

收稿日期：2021-09-20

.作者简介：包子建（1975—），男，江苏南通人，高级工程师，硕士，主要从事物联网和信息服务方面的教学和研究。