基于无线传感网络的智能森林火灾防控系统的设计＊

西藏大学 杨晨 祁晋东 谢鑫焱 珠扎次仁

本文是基于嵌入式开发技术提出的一种基于无线传感网络的智能森林火灾实时防控系统，以实现对森林各处的环境进行实时监测，预警火灾发生的危险区域。该系统以STM32F103ZET6 芯片为主控板并搭载火焰传感器、温湿度传感器、烟雾传感器等多种传感器综合判断是否发生火情，通过风速风向检测仪判断风速风向，并通过NRF24L01 无线通信模块使语音播报模块、蜂鸣器发出报警信号以及SIM800C 通信模块通知救援队伍，使损失尽可能地达到最小。该系统具有灵敏度高、成本低廉、传输距离远、使用寿命长等优点。

森林作为地球上的可再生自然资源及陆地生态系统的主体，在人类生存和发展中起着不可替代的作用，而随着全球气候变暖等一系列问题，森林火灾发生率也随之上升，森林火灾一旦发生，最直观的危害是烧坏树木，减少森林面积，还会影响林下野生植物资源，由于火灾的干扰，野生植物的生存环境发生改变，使其无法存活。森林火灾还会危害野生动物，破坏它们的栖息地，直接烧伤甚至烧死动物，使生物多样性下降。可见森林火灾给人民的生命财产和自然生态系统带来巨大的危害，因此森林防火至关重要。本文提出的基于无线传感网络技术的森林火灾实时防控系统能够有效预防森林火险，实时监测林火险情，减小火灾损失，保护森林资源安全和保障人民群众的生命财产安全。

1 预警模型的建立

本系统设计了一种基于粗糙集、BP 神经网络和DS证据理论的多传感器信息融合算法: 首先把从现场所获取的温度、湿度以及烟雾浓度等信息发送至粗糙集进行简化处理，并生成规则和BP 神经网络的模型结构；然后利用BP 神经网络对数据进行反复训练，对简化后的子集进行分类识别，计算出基本概率初值；最后把结果作为证据输入至DS 证据理论算法。通过DS 证据理论对子集的分类识别结果进行融合决策，从而完成整体的决策。

2 系统模型

2.1 智能森林火灾防控系统组成

该系统主要由STM32F103ZET6 主控板、NRF24L01无线通信模块、SIM800C 通信模块、火焰传感器、温湿度传感器、烟雾传感器、GPS+北斗双模定位模块、风速风向监测仪、蜂鸣器报警模块、语音播报模块、LCD液晶显示模块组成。本系统通过在森林里布置一系列的节点（每个节点上配有温度、湿度、烟雾、火焰等多种传感器）。通过这些节点实时的收集外界数据，综合分析判断是否有火灾发生。当森林中发生火情时，节点感知到火情信息后，立刻联动周围的几个节点来进行进一步的监测。然后通过无线通信模块把火情的具体位置以及火灾信息发送到监控中心，监控中心进行报警并通知救援队伍，使得救援队伍能够及时赶到进行救援。在无线传感系统监控范围内科学合理地放置了一些风速风向监测仪并接入到无线通信网络中，实时监测风速及风向等信息。救援队伍可通过无线通信网络实时接收这些信息，进而掌握火场的具体情况并保证自己的人身安全。其整体流程框图如图1 所示。

图1 整体流程框图Fig.1 Overall flow diagram

2.1.1 温湿度传感器

DHT11 数字温湿度传感器，是一款应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术的温湿度复合传感器，为确保产品的可靠性和准确性，它含有已校准数字信号输出。此传感器含有电阻式测湿元件和NTC 测温元件，还和高性能8 位单片机相连接，通过单片机实时的采集本地湿度和温度。它具有反应速度快、抗干扰能力强的优点。该传感器与火焰传感器、烟雾传感器共同使用，三者综合分析来判断火灾是否发生，在一定程度上提高了该系统的准确性。该模块实物图如图2 所示。

图2 DHT11Fig.2 DHT11

2.1.2 GPS+北斗双模定位模块

GPS 北斗模块是一种性能极高的GPS 定位模块，它具有-162dBm 的超高跟踪灵敏度，这使得即使在复杂的环境中也能准确定位。该模块具有低功耗、准确度高、易于携带、抗干扰能力强等优点。在本系统中，该模块通过无线传输模块把火灾发生的地理位置传输至监控中心，使得救援队伍在较短时间内确定火灾发生的具体位置。该模块实物图如图3 所示。

图3 GPS+北斗双模定位模块Fig.3 GPS+Beidou dual-mode positioning module

2.1.3 风速风向监测仪

超声波风速风向仪其工作原理为发射连续变频超声波信号通过测量相对相位来检测风速风向。与传统的风速风向仪相比，超声波风速风向仪避免了因传感器启动延时、解调电路延时、温度变化而造成的测量不准问题。该模块通过无线传输网络把火情场地的风速风向信息传送给救援队伍，使救援队伍实时了解森林的具体风速风向，减小灭火难度并降低救援队伍的伤亡率。该模块实物图如图4 所示。

图4 风速风向监测仪Fig.4 Wind speed and direction monitor

2.2 系统主程序流程图

本系统主程序设计由两部分组成，分别为前端监测程序和后端预警程序。该系统基于Keil uVision5 开发环境，实现了监测森林各处的火情情况，通过NRF24L01 传送火灾信息并使语音播报模块、蜂鸣器进行报警，SIM800C通信模块发生短信给救援队伍以提醒某处发生火灾等功能。其主程序流程图如图5 所示。

图5 主程序流程图Fig.5 Main program flow chart

3 整体测试效果

在后台监控中心中可以根据各处节点通过无线通信网络传来的信息来观察森林中是否发生险情，如果发生险情，则会进行报警，同时可以在LCD 显示屏上面查看发生火灾的位置。如图6 所示为发生险情时，LCD 显示屏上面所显示的内容，如图7 所示为未发生险情时，LCD 显示屏上面所显示的内容。

图6 发生火灾Fig.6 Fire occurred

图7 未发生火灾Fig.7 No fire

4 结语

本系统能够实时监测森林各处的温湿度、光强度、烟雾浓度等信息，将采集到的数据进行融合处理来分析林火险情，并将具体信息发送到监控中心，使损失尽可能的达到最小。该系统具有灵敏度高、成本低、寿命长等优点。该系统能够有效预防森林火险，实时监测森林火险情，减小火灾损失，保护森林资源安全和保障人民群众的生命财产安全，因此具有较高的社会价值。

引用

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