基于LoRa技術的森林火災預警與控制系統研究

謝 鋮

（泰山學院機械與建筑工程學院，山東 泰安 271000）

1.引言

我國山區眾多，森林資源豐富。根據國家統計局的數據，我國森林面積為22044.62萬公頃，森林覆蓋面積為23.0%，森林儲蓄量為175.60億立方米。森林除了具備凈化空氣、調節生態環境功能外還是制造業的主要原材料，發揮著重要的生態和經濟效益。但是森林資源常年飽受火災的困擾，雖然全社會都在加強森林火災的防范意識，但是每到冬春季，我國的森林火災還是會頻頻發生。據國家統計局的數據，2019年全國共發生森林火災2345次，受害森林面積14000.00公頃；2018年全國共發生森林火災2478次，受害森林面積16309.07公頃。森林火災不僅會造成巨大的財產損失，比較大的森林火災還會造成重大的人員傷亡。例如2019年03月30日，四川省涼山州木里縣雅礱江鎮立爾村發生森林火災，30名撲火人員不幸犧牲，包括27名森林消防員和3名地方撲火人員。2018年全國森林火災傷亡人數為39人，森林火災其他損失折款20444.73萬元。因此，森林防火形勢將是常態化嚴峻，森林消防工作在未來很長時間內是防災減災領域一項非常重要的內容。

目前國內的森林防火的措施主要有人工巡邏、瞭望塔監測、飛機監測、無人機監測等技術。但是人工巡邏費事費力，且巡邏受山區地形影響較大，存在監測面積小的缺點，只能對重點區域進行重點巡邏；瞭望塔監測的覆蓋面積相對較大，可以對瞭望范圍內是否發生森林火災進行準確判斷，但是瞭望塔的設置受地形影響，部分區域因地勢過于陡峭無法設置，因此存在監測死角；飛機監測不受地形影響，可以覆蓋整片森林，準確判斷整個林區是否發生火災，但是飛機監測成本太高，且受天氣的影響較大，惡劣天氣無法升空進行監測；無人機技術的發展為森林火災監測提供了新的思路，相比于飛機監測，成本較低，且無人員危險隱患，但是惡劣天氣條件下諸如大風天氣等無法進行監測。隨著計算機技術以及物聯網技術的迅速發展，國內外逐步出現了諸多森林火災預警系統，例如德國的FIRE-WATCH自動預警森林火災系統；國內的學者提出的基于NBIoT窄帶通信和多傳感器組網技術的森林火災監測預警系統[1]、基于ZigBee無線傳感器網絡的森林火災監測預警系統[2]、基于LoRa的分布式火災監測報警系統[3]、基于北斗的森林火災預警系統[4]等。

圖1 基于LoRa的森林火災預警與控制系統結構圖

目前火災預警系統多基于物聯網技術，采用無線傳輸的方式建立監測預警系統，具有覆蓋面大、通信距離遠、抗干擾性強的優點，具有傳統防火技術無法比擬的優勢，因此逐漸得到了廣泛應用。但是目前多數的研究是基于物聯網技術的森林火災預警系統的建立，對于基于物聯網技術的森林火災控制系統的研究相對較少?；诖?，本文基于物聯網技術，研究森林火災預警與控制系統的建立，形成消防閉環。在目前的物聯網技術中心，LoRa技術解決了傳統無線通信技術無法兼顧的傳輸距離、功耗和抗干擾難題，廣泛應用到各類監測預警系統中[5]。本文將LoRa技術應用到森林火災預警和控制系統的設計中，實現森林火災預警系統的大覆蓋面、遠距離通信和強抗干擾等功能，并迅速實現對森林火災的控制。

2.森林火災預警系統

2.1 森林火災預警系統的組成

基于LoRa技術的火災預警系統包括溫感傳感器、煙感傳感器、火焰傳感器、主控模塊、LoRa通信模塊、LED顯示模塊、控制中心監控平臺、電源系統等組成。當森林發生火災時，溫感傳感器、煙感傳感器、火焰傳感器同時工作，將采集的數據通過Rs-485總線傳送至主控模塊；經主控模塊處理后由LoRa通信模塊（發射）向外發送數據；LoRa通信模塊（接收）對數據進行接收并傳送至控制中心監控平臺，實現對森林火災的預警。森林火災預警系統詳圖見圖1。

2.2 森林火災預警系統的功能

火災數據的獲取。在森林火災容易發生的區域安裝傳感器，包括溫感傳感器、煙感傳感器以及火焰傳感器等，可以在第一時間發現火情，及時形成溫度、煙霧和火焰等數據。

火災數據的處理。傳感器數據經主控模塊處理后，形成包含地址信息和火災狀態的火災數據。

火災數據的傳輸?；贚oRa通信技術，可以將火災數據及時快速地傳遞到森林火災控制中心監控平臺。

火災預警。控制中心監控平臺分析火災數據，確定發生火災并通過揚聲器報警。

2.3 森林火災預警系統的實現

2.3.1 主控模塊

主控模塊采用MSP430F149型微控制器[6，7]。MSP430F149是TI公司設計生產的一款超低功耗的16位單片機，具有低電壓、超低功耗、快速蘇醒、具有片內比較器等特點。該微控制器采用大小為60KB的Flash程序存儲器，數據RAM大小為2KB，接口類型為SPI or UART or USART，具有48個可編程輸入/輸出端。該微控制器的工作電壓為1.8V-3.6V，工作溫度為-40℃-+85℃，覆蓋森林火災發生時的溫度區間。

2.3.2 LoRa通信模塊

LoRa無線通信模塊采用KT-F1278無線模塊，該模塊采用Semtech公司的SX1278擴頻芯片，其LoRa擴頻調制跳頻技術能夠保證其通信距離遠、信號收發靈敏度高、抗干擾能力強、誤碼率極低的特點[8]。此模塊能大幅延長數據傳輸距離，在山區森林地區可達到3公里以上，如果遇到山區稀疏環境，可達到15公里以上，因此可以大幅節約成本。該模塊頻率范圍為410MHz-510MHz，靈敏度高達-135dBm，最大輸出功率為20dBm，工作電壓為1.8V-3.6V，工作溫度為-40℃～85℃，覆蓋森林火災發生時的溫度區間。值得注意的是，LoRa無線通信模塊在與MSP430F149單片機連接前，需要通過AT指令設置該模塊工作在透傳模式，其波特率也應與單片機串行口通信設置的波特率一致，如此才能確保傳輸數據調制解調正確進行[9，10]。

2.3.3 溫感傳感器

溫感傳感器采用SHT11溫濕度傳感器。此型號傳感器芯片采用SMD芯片封裝，使用了用能隙材料制成的溫度傳感元件和用電容性聚合體組成的濕度傳感元件，將溫度和濕度信號進行轉換，可直接輸出完全校準的數字信號，具有數據傳輸速度快、溫度測量精度高、能耗低、抗干擾能力強等優點。此傳感器可感測的溫度范圍為-40℃～128℃，覆蓋了森林火災發生時的溫度區間，且誤差極小，為±0.4℃，可有效監測山區森林的溫度變化。

2.3.4 煙感傳感器

煙感傳感器LM393，ZYMQ-2型氣體傳感器。該傳感器尺寸為32×22×27mm，工作電壓為直流5V，具有模擬量輸出和TTL電平輸出的雙路信號輸出，其中模擬量輸出0-5V電壓，TTL輸出有效信號為低電平。當煙霧濃度超過設定閾值時，模擬量輸出電壓增大，且煙霧濃度越高電壓越高；同時TTL輸出信號燈亮，為低電平，此時可以直接接單片機MSP430F149。

2.3.5 火焰傳感器

火焰傳感器采用由LM393、火焰檢測探頭組成的感光火焰傳感器。該傳感器對火焰光波長極為敏感，能將火焰的強弱變化轉化為電流變化，并采用LM393輸出監測信號。當傳感器感知到有火災發生時，輸出波形會產生一個下降沿令MCU產生外部中斷，進入中斷后將執行蜂鳴器響、指示燈亮、回送數據等操作。

2.3.6 控制中心監控平臺

平臺的服務器采用Linux系統搭建，軟件由面向對象的Java程序設計語言實現?？梢愿鶕脩舻囊?，設置不同管理權限的用戶。平臺對經LoRa無線通信技術傳輸過來的火災數據進行處理、分析、存儲，并進行可視化顯示，及時發出火災預警。

3.森林火災控制系統

3.1 森林火災控制系統的組成

基于LoRa無線通信技術的火災控制系統包括LoRa通信模塊、電源系統、噴水塔網絡、主控模塊、儲水池等組成。當控制中心監控平臺發出火災預警后，形成包含火災信息和地址信息的火災控制信號，由LoRa通信模塊將控制信號傳輸到噴水塔網絡，經噴水塔網絡的主控模塊分析后，控制距離火災最近的噴水塔進行噴水作業，為人工滅火贏得時間。

3.2 森林火災控制系統的實現

3.2.1 噴水塔網絡

根據歷年某地森林火災發生地點的統計數據，確定火災易發生的區域，在此區域建設噴水塔網絡。根據LoRa無線通信技術的數據傳輸距離、噴水塔的噴水半徑并結合地形確定噴水塔的位置。噴水塔以高強度鋼管為主要材料，抗震性能強，穩定性高，建塔周期短，施工方便，并同時兼具輸電線塔的功能，以便于在噴水塔之間架設輸電線路為噴水塔網絡提供電力。在每個噴水塔上設置自動高壓水槍，在火災發生時進行遠距離噴水，在最短的時間內盡量控制火情，為大規模人工滅火贏得時間。

3.2.2 儲水池

根據噴水塔的位置設置若干儲水池為噴水塔供水。儲水池內設置非接觸式液位感應器，當儲水池內水位低于警戒水位時，通過管道將最近的水源補充到儲水池內；當儲水池內水位到達正常水位時，自動取消管道供水。供水管道選用3PE防腐鋼管，是環境友好型管道，其使用壽命高達30～50年，PE吸水率低，環氧強度高，即使在低溫條件下，也具有良好的耐腐蝕和耐沖擊性能。

4.結語

在分析了國內森林防火工作的嚴峻性以及國內外森林防火工作的進展的基礎上，將LoRa無線通信技術應用于森林防火工作中，利用其通信距離遠、信號收發靈敏度高、抗干擾能力強、誤碼率極低的優點，不僅建立了森林火災預警系統，同時探索了建立森林火災控制系統，使森林防火工作形成閉環，對森林火災的預防與控制將起到較好的作用?；贚oRa 無線通信技術的森林火災預警和控制系統將引領森林消防領域的發展方向，其將火災監測、火災報警、火災控制和物聯網技術相結合，能最大程度地減少生命財產損失。