智能防火卫士系统的设计与实现

宋梦茹，李世杰，蒋伟康，徐珂健，吴亚联

（湘潭大学 自动化与电子信息学院，湖南 湘潭 411105）

0 引 言

我国近十年来森林火灾的发生数均超过3 500 次，全球年均20 万余次，过火面积占全球森林总面积超0.1%。为了加强对森林火灾的监控与防范，社会上也涌现出了诸多产品，但都存在缺点，如：卫星监测受云层的影响较大；眺望台检测效率低下；无人机监测无法精准全覆盖采集数据；飞机监测成本较高且受天气影响较大等。所以，如何加强对森林火灾的监控与防范是急需解决的问题。

在当前5G 环境的大数据网络架构下，发挥数字化技术的作用，依托5G 通信开展高效率传输工作，可以有效对森林现场环境数据进行实时收集和传输。当发生火灾时，系统将及时预警，使火灾监测与响应迎来“大数据”时代，以此达到节能、省时、高效的目的。本文主要阐述了智能防火卫士的设计方法与实现过程，为加强森林防火提供了思路[1]。

1 系统功能分析与总体设计

1.1 系统功能分析

我们初步设计了一款用于森林火灾监控的智能设备，具体实现以下功能：

（1）供电及电量采集：太阳能电池板收集并将太阳能转换为电能，储存在蓄电池中，再通过多电压输出模块给各模块和主控板供电。采用A/D 采集模块进行设备电池监测[2]。（2）位置信息采集：采集设备所在位置的经纬度信息。（3）模块数据收集：利用无线传感技术（WSN）[3]实时监测设备周围环境，收集相关数据。

（4）数据传输：基于无线传感器技术将多个装置的数据通过WiFi 传至一个装置，再由该模块利用5G 通信将数据传输至云端。

（5）火源识别：采用随机森林算法识别和图像识别对数据进行处理，判断是否发生火灾。

（6）范围灭火：根据火灾的图像进行小范围灭火。

1.2 系统功能设计框图

结合森林防火的需求，智能防火卫士由主控制器、电源模块、定位模块、传感器模块、通信模块、识别模块和灭火模块组成。其中，树莓派微处理器对各传感器收集的数据[4]进行处理，控制各模块正常运行。其余模块主要实现设备的供电及电量采集、位置信息采集、模块数据收集及传输、火源识别及小范围灭火功能。系统总体设计框图如图1所示。

图1 系统总体设计框图

2 硬件模块设计与实现

2.1 电源模块

为确保安全，我们选用包括CN3791 太阳能电池板和Pisugar 锂电池板的太阳能电池板。将蓄电池与太阳能板结合，延长设备的续航时间。电池采样模块用于采集设备电池各电芯的电压信息，该模块采用大电阻分压电路，电路简单可靠、功耗低、成本低。操作步骤：按键初始化，ADC 初始化，ADC 输入端连接电芯采样电路，采集电芯电压变化信息。CN3791 电路原理如图2 所示。

图2 CN3791 电路原理

2.2 定位模块

定位模块借助ATGM336H 模块结合GIS 进行定位，采集设备所在位置的经纬度坐标信息。树莓派串口接收模块定位信息，将数据解析后即可得到原始经纬度信息，并使用百度地图进行位置标记，将经纬度转化为坐标。ATGM336H 电路原理如图3 所示。

图3 ATGM336H 电路原理

2.3 传感器模块

传感器模块通过连接在树莓派外部的各类传感器收集外部环境的数据信息，如ZE0302 氧气浓度传感器收集氧气浓度信息，MQ135 有害气体传感器收集有害气体浓度信息，DHT11 温湿度传感器收集环境温湿度信息，DS18B20 雨水传感器收集环境雨水信息等。利用无线传感技术（WSN）将该模块连接至树莓派，实时监测设备周围的环境。ZE0302电路原理如图4 所示，DHT11 电路原理如图5 所示。

图4 ZE0302 电路原理

图5 DHT11 电路原理

2.4 通信模块

基于无线传感器网络（WSN）技术将多个装置的数据通过WiFi 传至某一个装置，再由该装置利用5G 通信将数据传输至云端。

2.5 识别模块

采用随机森林算法识别[5]和图像识别[6]对数据进行处理，判断是否发生火灾。

图像识别外部硬件设备包括：AMG8833 红外热像仪传感器、1080P 双目摄像头。通过多图像处理技术识别火源。我们采用基于图像多特征的火焰识别算法，基于火源多特征测算其温度、质心位置移动、形体变化等，以有效识别火源。

AMG8833 电路原理如图6 所示。

图6 AMG8833 电路原理

2.6 灭火模块

由摄像头和红外热像仪追踪起火点，并由树莓派控制喷头，根据火灾的图像进行小范围灭火。同时，摄像头传回树莓派的图像，经图像检测后判断周围是否有人活动，若发现有人活动，摄像头和红外热像仪传感器立即对人的周围进行扫描，直到其离开摄像头的拍摄范围并确定无危险后回到正常扫描[7-8]。

3 系统软件设计与实现

3.1 主控制器功能设计

本软件的主要功能是对各模块采集的数据进行处理和分析，控制设备正常运行。整体设计架构流程如图7 所示。

图7 系统架构流程

3.2 电池模块功能设计

电源模块是包括设备电源储存、能源转换、收集设备电量信息的综合模块，可通过太阳能板将光能转换为电能，并储存在蓄电池中，最后通过ADC 采集电池电量，再通过DMA 通道传输信息。电池模块功能流程如图8所示。

图8 电池模块功能流程

3.3 定位模块功能设计

树莓派串口接收模块定位信息，将数据解析，解析后即可得到原始的经纬度信息，并使用百度地图进行位置标记，将经纬度转化为坐标。定位流程如图9 所示。

图9 定位流程

3.4 传感器模块功能设计

传感器模块采用无线传感技术（WSN）连接至树莓派，负责实时监测设备周围的环境，收集相关数据信息，并传输至树莓派。整体设计流程如图10 所示。

图10 传感器模块功能流程

3.5 通信模块功能设计

基于无线传感器网络（WSN）技术实现将多个装置的数据通过WiFi 传至某一个装置，再由这一装置利用5G 将数据传输至云端。整体设计的通信流程如图11 所示。

图11 通信模块功能流程

3.6 识别模块功能设计

该部分主要包括随机森林算法识别和图像识别火源。识别出火源后将数据传输至前端。

整体设计的识别架构流程如图12 所示。

图12 识别模块功能流程

3.7 灭火模块功能设计

摄像头和红外热像仪追踪起火点，树莓派控制喷头，根据火灾的图像进行范围灭火。若发现有人活动，摄像头和红外热像仪传感器进行扫描，确定无危险后正常扫描。灭火流程如图13 所示。

图13 灭火流程

4 创新点分析

4.1 智能化

设备通过外接各类传感器即可收集相应测量数据并显示在前端界面，对异常数据进行分析，代替人力监控，大大提高了监测效率。同时，系统有多种传感器协同工作，可及时收集相关信息提交给微处理器进行处理、分析[9]。

4.2 交互性

硬件设备和前端网页及小程序实时交互，反馈环境信息，前端系统可通过摄像头和红外热成像仪监控环境[10]。

4.3 高效传输

集成式数据传输将多个装置的数据通过WiFi 传至配备5G 的装置，实现“一带多”工作模式。此举不仅解决了5G基站分布的问题，同时提高了传输效率，降低了能耗。

5 结 语

本文完成了智能防火卫士的系统设计，以树莓派微处理器为核心，将硬件传感器模块和系统软件相结合，有效解决了森林火灾监控成本高、精度差等问题，大幅提高了火灾监测效率，便于环境保护，作品实物如图14 所示。随着物联网技术的不断发展，相信智能防火卫士在火灾预防领域会有更好地推广。

图14 作品实物