基于無線傳感器的嵌入式森林防火智能監測系統

田仲富，王述洋，黃英來（東北林業大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱150040）

基于無線傳感器的嵌入式森林防火智能監測系統

田仲富，王述洋，黃英來
（東北林業大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱150040）

針對傳統林火監測技術的不足，將先進的無線傳感器網絡技術與嵌入式技術相結合并應用在森林防火監測中，從而提出了一種可增強林火識別率的智能森林防火監測系統。該系統采用無線網絡協議ZigBee來進行組網，具有組網簡單、路徑信息占用存儲器容量小等優點，非常適合林區的監測環境，且可有效地降低系統的能耗和成本。實驗表明：該系統具有運行穩定及組網靈活等特點，可對森林監測區域的環境信息進行實時監測。當發現火情時系統采用DV?Hop算法可自動實現準確定位并及時發送警報信息，從而為后續的林火撲救工作打下良好的基礎，同時也為林業智能數字化建設工作提供了參考和借鑒。

森林防火；無線傳感器；監控中心；智能系統；林火監測；無線協議；網絡節點；定位算法

森林能夠保持生態環境的平衡，也是人類賴以生存和發展的重要資源。但是，隨著社會的發展，森林不斷地被蟲害、病害、火災等三大自然災害破壞，其中森林火災的破壞尤為嚴重，位居三者之首，而且大面積森林火災也在聯合國認定的世界八大自然災害之列。

森林火災是一種在林區自由蔓延和擴展的自然災害。它在給人們的生命財產造成嚴重損失的同時，還會對全球的生態平衡造成一定的破壞。因為，林火監測是降低林火損失的關鍵一環，而且做好防火工作的前提條件是如何提高林火監測技術，所以為了降低由火災造成的森林損失，全球各國都很關注林火的監測工作。傳統的森林火災監測主要有人工巡護、瞭望塔定點觀測、飛機空中巡護等幾種方式。但是由于森林面積較大，僅靠護林員巡視火情是遠遠不夠的。而靠飛機空中巡護不僅成本高，且圖象采集設備受干擾嚴重、不能保證在第一時間發現險情，當發現火情時林火已蔓延開來。隨著信息技術及地理信息系統、遙感和全球定位系統即“3S”技術的快速發展，該技術在林業中得到了廣泛的應用。使用“3S”技術可以實現森林火情監控及林火信息采集與處理，為森林防火提供早期預警和強有力的決策支持。然而，上述技術仍然存在一些不足，如衛星遙感受天氣情況影響較大，如無法實現同一區域全天候實時監控；遙感圖像分辨率低、掃描周期長，圖像僅能反映火光、煙霧情況，無法獲取與火災密切相關的溫濕度、風向、風速等氣象數據。上述缺點降低了“3S”技術在森林火災監測中的實用價值。鑒于傳統林火監測方式的不足，本文提出了一種基于無線傳感器網絡的嵌入式森林火情實時監測系統，該系統可實時監測林區特定區域環境信息，能夠及時發現林火險情。

1 林火監測系統總體設計

1.1 系統需求分析

針對森林防火的實際應用特性，本文提出的基于無線傳感器的嵌入式森林防火監測系統應具有以下主要功能：

1）林火信息采集。

諸多研究成果及以往的火災經驗表明，當有林火發生時，大氣中的煙霧濃度、光強度、空氣溫濕度、大氣壓力以及風向、風速等都有明顯的變化，這些信息可作為林火發展趨勢的主要判斷依據。所以，本系統應能夠實時采集火災頻發區域的上述信息。

2）信息存儲及傳輸。

系統的林火監測端采集到的林火相關信息應能夠在本地保存或通過相應的傳輸模塊將信息第一時間傳送給林火監控指揮中心，林火監控指揮中心可立即組織林火專家進行林火分析，當確認火情后，第一時間制定林火撲救方案，并進行相應的指揮、部署工作。

3）林火定位。

當林火險情確定后，系統應以最快的速度實現林火發生地點的定位工作，同時還要能夠對林火發生的時間進行預測。

4）設備低功耗。

由于森林環境較惡劣，對系統經常進行電池的更換也不太現實，所以需要設備具備低功耗的能量自供給能力，以使系統的“壽命”得以延長。

1.2 系統組成及工作原理

系統主要由無線傳感檢測網絡、網絡協調點、無線通信網絡以及監控指揮中心4部分構成，無線傳感器網絡和網絡協調點置于林區監測區域內，監控中心部署在林區周邊的林場或派出所，其系統組成及工作原理如圖1所示。

圖1 林火監測系統組成Fig.1 The com position of forest firemonitoring system

為了有效降低系統設備的能耗開銷，本系統中的傳感器節點利用ZigBee作為無線組網方式，且采用分簇的拓撲結構，而現場控制器的主控器采用低功耗、高可靠性的嵌入式微處理器。傳感器節點一旦接入，立即按照某種自適應成簇算法選擇加入附近的簇，并向該簇所在的簇首發出入簇申請，必須經過簇首的確認后該節點方可成為該簇的“合法成員”。簇首與簇內各成員節點之間通過多跳通信方式進行通信，各成員節點將其采集到的信息不間斷地傳送給簇首，直到其所攜帶的電池耗盡或被毀壞。簇首即為網關節點，一般部署在有充足能量供應且相對較安全的地方，諸如林區觀測站或氣象站內。

網絡協調點將各個簇首節點傳送來的數據進行匯總后，通過GPRS網絡傳送給監控指揮中心，監控指揮中心將這些數據進行存檔。同時，監控中心還將實時分析和處理相關數據，從而為林火監測人員提供強大的決策支持。另外，本系統還具有遠程登陸功能，當出現一些特殊情況時，使身處異地的消防專家或醫療專家也能夠為火災現場提供救災和醫療指導工作。

2 系統硬件設計

2.1 無線傳感器網絡節點

整個網絡以主節點即無線傳感器網絡主協調點為中心，向四周擴展無線傳感器網絡節點，實現多點數據的采集。無線傳感器節點主要由4部分構成，其中包括處理模塊、傳感器模塊、電源模塊以及無線通訊模塊，其結構如圖2所示。

圖2 傳感器節點硬件結構Fig.2 The hardware configuration of sensor nodes

1）傳感器模塊。

傳感器模塊主要完成林區監測點溫濕度、煙霧濃度等信息的采集以及實現數據的A／D轉換等功能。

由于林火監測環境的特殊性，所以系統中采用SHT15作為溫濕度采集傳感器，SHT15是一款符合工業級CMOS技術標準的由多個傳感器模塊構成的單片全校準相對溫濕度傳感器。系統中的煙霧傳感器則采用MQ?2，它是使用一種在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫的氣敏材料制作而成的煙霧傳感器，其是一款應用范圍較廣泛的低成本煙霧檢測傳感器。

2）處理器模塊和無線通信模塊。

處理器模塊主要完成各個傳感器節點的控制，并存儲和處理傳感器節點所采集的信息等功能。系統采用GSM通信模塊tc35i作為無線通信模塊，處理器模塊則選用CC2530Zigbee。在選擇處理器模塊時，還應注意無線傳輸距離對設計中的影響問題。

在發送端，從CC2530的輸出端到射頻接口之間有許多中間環節，因此在計算輻射距離時須考慮這些電路的傳輸損耗。應考慮的損耗主要有：收發網絡失配損耗HO1，開關損耗HO2，功率放大器（PA）增益AO1，收發開關損耗HO3和濾波器損耗HO4。因此最大距離計算公式：

對于接收端，從天線到處理器模塊的輸入端信號也要經過許多電路，因此在計算Prs（輻射距離）時，產生的損耗包括：收發網絡失配損耗HI1，開關損耗HI2，低噪放增益AI1，濾波器損耗HI3以及收發開關損耗HI4。設P為CC2530模塊的靈敏度，經過傳輸距離d后，到達該模塊接收端的功率值為P。

3）供電模塊。

無線傳感器網絡未能廣泛應用的制約因素就是供電問題，因此供電問題是本系統中無線傳感器節點設計的關鍵。綜合考慮各種因素，本系統中的傳感器節點能量由高性能的大容量堿性電池提供。為了保證節點工作能夠連續穩定的工作，系統中采用PQ30RV21來穩定工作電壓。

2.2 網絡協調節點

由于網絡協調節點需要協調整個無線傳感器網絡的工作，所以需要其具有運算能力強、響應速度快以及存儲空間大的微處理器。因此，本系統中選用了片上資源豐富、功能強大的ARM9嵌入式微處理器S3C2410作為網絡協調節點的微處理器。

3 系統軟件設計

整個系統的程序設計主要包括：系統主程序設計、無線傳感器網絡節點程序設計、網絡協調點程序設計以及GPRS通信程序設計4個部分。

3.1 系統主程序設計

系統的整體工作流程如圖3所示，系統通過現場監控端的傳感器節點獲取林區監測區域的環境信息，然后通過網絡協調點將其傳遞給監控指揮中心端的森林防火監測系統，該系統結合數據庫實時監測林區的火險情況。

圖3 系統主程序工作流圖Fig.3 W ork flow diagram of the system m ain program

3.2 無線網絡節點程序設計

無線網絡節點加入無線網絡后，其MAC地址通過串口輸出，同時根據命令向網絡協調點發送其采集到的數據。無線網絡節點程序流程圖如圖4。

圖4 無線網絡節點程序流程圖Fig.4 Flowchart of the wireless network node

3.3 網絡協調點程序設計

網絡協調點是現場監測端的核心節點，在完成無線網絡形成后，其先將接收到的各無線網絡節點傳送來的溫濕度、煙霧等信息，然后將信息進行融和、打包等工作，并通過串口經無線網關與GPRS網絡相連，將數據上傳到林火監控指揮中心，隨后處于休眠狀態。監控指揮中心將接收到的數據進行分析、處理后，接著發送控制信息將網絡協調點喚醒，網絡協調點將控制數據下傳到特定節點。其程序流程如圖5所示。

圖5 網絡協調點程序流程圖Fig.5 Flowchart of the network coordination point

3.4 GPRS通信程序設計

GPRS通信程序主要負責轉發網絡協調點到監控中心的數據，還負責監控中心到指點節點命令的轉發工作。轉發信息送入GPRS模塊后，然后分別進行一系列的協議封裝，再以數據包的形式將其轉發給GPRS無線基站。GPRS無線基站再將數據包發給SGSN，GGSN通過Gn與其進行連接。數據包由GGSN處理后被傳送到因特網上。最后通過DNS將數據導入特定的服務器中。GPRS通信程序的流程圖如圖6所示。

圖6 GPRS通信程序流程圖Fig.6 Flow chart of the GPRS communication

4 節點定位及定位算法

目前常用的定位算法主要有基于距離的定位算法及距離無關的定位算法2種。但前者對硬件的要求較高，并且耗能量也相對較多，所以，本系統采用距離無關的定位算法對節點進行定位。

4.1 定位過程

鑒于監測環境的限制，平時只允許部分節點處于活動狀態。當發生險情時，可通過消息廣播的形式向周圍所有節點發送信息。無線傳感器網絡節點在監控區域內根據無線通信協議和路由協議發送、接收信息，節點在接收到信息后，根據內置的定位算法進行定位，最后把定位信息傳送至網關。

4.2 定位算法

綜合比較后，本系統采用DV?Hop算法進行節點定位。DV?Hop算法是首先計算未知節點和每個信標節點間的最小跳數，并根據它們的實際跳數，利用式（4）求出未知節點和信標節點的平均距離，依據此方法，未知節點通過其相鄰信標節點處接收了平均距離，這樣就可以根據三邊測量或最大似然定位法的方式計算未知節點的坐標。

式中：（xi，yi）和（xj，yj）是信標節點i和j的坐標，hj是信標節點i和j之間的跳數。

式中：（x，y）為未知節點的坐標，（xa，ya）、（xb，yb）和（xc，yc）為未知節點周圍相鄰信標節點A、B和C的坐標，da、db和dc為信標節點A、B和C距離未知節點的距離。

式中：（x，y）為未知節點的坐標，（x1，y1）、（x2，y2）、…、（xn，yn）為未知節點周圍相鄰n個信標節點的坐標，d1、d2、…、dn為n個信標節點分別與未知節點之間的距離。

5 系統仿真

在系統仿真中，主要對無線網絡一次連接成功率、節點平均能耗、系統丟包率、監控現場溫濕度采集以及煙霧采集進行了仿真實驗。

節點間一次性連接成功率不僅僅受無線通信網絡中路由算法的影響，而且還受檢測環境中存在的若干干擾因素的影響。由圖7可知，由于節點數為12時應用的是單跳路由算法，所以節點間一次性連接成功率最高，隨后呈現先降后小幅上升的趨勢。隨著節點數的增加，先略有下降，是由于無線網絡中引入了多跳路由算法導致節點間的通信開銷增大所致，但隨著節點數的進一步增大促進了節點間的相互連接，所以節點間的一次性連接成功率又呈現小幅上升的趨勢，最后隨著節點數的不斷增加，成功率會在一個區間內上下徘徊，最終將穩定在95%左右。

圖7 節點間一次性連接成功率Fig.7 The success rate of one?time connection between nodes

由圖8所示，由于節點相對少時引入的是單跳路由方式，因此，平均能耗相對較大，隨著節點數的增加呈現先降后升的趨勢，當無線網絡中節點個數不是太大，同時引入多跳路由時的無線網絡的平均能耗相對較低，而后隨著整個無線網絡節點個數的不斷增加，所以，無線網絡的通信開銷勢必會不斷地增大，從而導致整個無線網絡的平均能耗也隨之不斷增大。由圖8可知，當節點數為32時，整個網絡的平均能耗最小，大約為65%。

圖8 無線網絡平均能耗Fig.8 The average energy consumption ofwireless network

圖9 為隨著網絡節點個數的增加，無線網絡的平均丟包率曲線。由圖可知，當無線網絡節點個數為20時，其丟包率最大，而取其他節點個數時，整個無線網絡的丟包率幾乎為零。

圖9 無線網絡的平均丟包率Fig.9 The average packet loss rate of w ireless netw ork

通過以上仿真結果可見，在10 000m2的范圍內，節點為32時仿真效果較好。但是若林火監測區域的面積和形狀發生了變化，或者網絡協調點的位置發生了變化，那么最佳節點數也會隨之改變。

溫濕度傳感器SHT15和煙霧傳感器MQ?2均每隔30 s采集一次監測現場的溫濕度以及煙霧信息，并將信息通過串口實時發送給PC機的超級終端顯示。仿真界面如圖10所示。

圖10 溫濕度及煙霧采集仿真界面Fig.10 Temperature，hum idity，and smog acquisition simulation interface

6 結束語

由于森林的地理環境非常復雜，而森林防火監控系統需具有較高的智能性和實時性，所以，充分考慮后，將無線傳感器網絡和嵌入式系統相結合提出了一種智能的森林防火監控系統，從而有效地提高了森林防火的智能性和預警效率。通過大量實驗表明，本系統既能降低林火人工預警方式的成本，又解決了傳統火情監測方式所存在的不足。本系統不但為我國林火監測系統引入了新的技術和思路，同時也拓展了無線傳感技術網絡的應用領域。

但是，由于原始森林的地貌廣闊，地形結構復雜，且干擾因素較多。所以，對基于無線傳感器網絡的森林防火監控系統進行模擬和仿真是一個比較復雜和困難的過程。后續的研究工作除了需要繼續完善監測系統的軟、硬件設計外，還需從以下幾個方面進行研究：1）將無線傳感器網絡部署在林區的特定監測區域內，以便能夠獲取相關的實驗數據；2）對無線傳感器網絡的組網方式及森林防火網絡路由算法做進一步的研究；3）適當的增大無線網絡的覆蓋范圍和傳輸距離，并提高無線數據的傳輸速率。

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田仲富，男，1978年生，講師，主要研究方向為無線傳感器技術、森林防火，發表學術論文20篇，其中EI檢索3篇。

王述洋，男，1958年生，教授，主要研究方向為信息與網絡安全、森林防火，發表學術論文90篇，其中SCI檢索5篇，EI檢索20篇。

Research on embedded forest fire intelligentmonitoring system based on w ireless sensors

TIAN Zhongfu，WANG Shuyang，HUANG Yinglai
（School of Mechanical＆Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China）

Aiming at the deficiencies of traditional forest fire monitoring techniques，the advanced wireless sensor network technology and embedded technology are combined and applied to the forest firemonitoring system.Thus，this kind of enhanced intelligent forest firemonitoring system that can increase the forest fire recognition rate is put forward in this paper.The system uses thewireless network protocol，ie ZigBee network.The ZigBee network is sim?ple，has small path information occupymemory capacity，is suitable formonitoring the environment of forest，and can effectively reduce the energy consumption and the cost of system.Experimental results showed the system has the characteristics of stable operation and flexible network，which can be used for the real?time monitoring of the environmental information of the forestmonitoring region.When fire is found，the system will use the DV?Hop algo?rithm to automatically realize accurate positioning and timely send the alarm information.This is a good foundation for subsequent fire fighting work and provides a reference for intelligent digitization of forestry construction work as well.

forest fire；wireless sensor；monitoring center；intelligent system；forest fire monitoring；wireless pro?tocol；network node；positioning algorithm

TP21

A

1673?4785（2014）06?0763?06

10.3969／j.issn.1673?4785.201406036

http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1673－4785.201406036.htm l

田仲富，王述洋，黃英來.基于無線傳感器的嵌入式森林防火智能監測系統［J］.智能系統學報，2014，9（6）：763?768.

英文引用格式：TIAN Zhongfu，WANG Shuyang，HUANG Yinglai.Research on em bedded forest fire intelligentmonitoring system based on wireless sensors［J］.CAAI Transactions on Intelligent System s，2014，9（6）：763?768.

2014?06?19.

日期：2014?11?13.

國家自然科學基金面上資助項目（51378096）；黑龍江省自然科學基金資助項目（C201244）；中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助項目（DL12BB01）.

田仲富.E?mail：tzf7802＠163.com.