侯慧

摘要：為了對森林火災進行準確監(jiān)測，提高應對速度，減少火災損失，該文提出了一種高速精確的森林火災監(jiān)測系統(tǒng)：基于改進的無線傳感網(wǎng)絡的森林防火監(jiān)測系統(tǒng)研究。該系統(tǒng)采用無線傳感的方式，依賴無線網(wǎng)絡，全天候?qū)ι诌M行火災監(jiān)測。該研究對森林防火信號接收與紅外線信號傳遞進行了分析，并對改進的無線傳感網(wǎng)絡的傳感節(jié)點，短距離和森林煙霧防火系統(tǒng)進行了系統(tǒng)設計，結(jié)果表明，該系統(tǒng)比傳統(tǒng)的傳感網(wǎng)絡的森林防火監(jiān)測更快，更精準，更經(jīng)濟，其實用價值更高。

關鍵詞：改進；無線傳感網(wǎng)絡；森林資源；監(jiān)測

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）11-0037-03

Fire Prevention Monitoring of Forest Resources Based on Improved Wireless Sensor Networks

HOU Hui

（Guiyang Forest Department ，Chengzhou 424400，China）

Abstract： In order to accurately monitor forest fires， improve response speed and reduce fire losses， this article proposes a high-speed and precise forest fire monitoring system： forest fire preventing monitoring system based on improved wireless sensor network. This system uses wireless sensor manner and relies on wireless networks， which could monitor forest fires around the clock. In this study， the receiving of forest fire signals and the transmission of infrared signals are analyzed， and also sensor nodes in wireless sensor network are improved. What's more， the fire prevention system of short-distance and forest smoke is system atacially designed. The results show that this system is faster， more accurate and more economical compared to traditional forest fire prevention monitoring based on sense networks， and its practical value is higher.

Key words： improvement； wireless sensor networks； forest resources； monitoring

通常意義上，森林火災是指自然的非人為的火災，通過自然界的某種因素導致起火，在森林里自由蔓延與擴張而形成的火災。并且其具有危害森林資源的特殊性，具有很大的破環(huán)作用，給生態(tài)和環(huán)境帶來很大的影響，甚至威脅到人類的生存，破壞環(huán)境的和諧可持續(xù)發(fā)展。

正是因為森林火災的危害性，為盡量減少森林火災帶來的損失，世界上大部分國家都有對森林火災進行檢測與防范。在監(jiān)測與防范的的手段與方法上，主要需要考慮的關鍵因素是發(fā)現(xiàn)火災與及時報警，其中最關鍵的是監(jiān)測的手段與技術。監(jiān)測措施通?？煞譃榭臻g監(jiān)測及地面巡護、瞭望臺定點觀測、空中飛機巡護和空間衛(wèi)星監(jiān)測這四個空間與層次。在最短的時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)火災，精確定位火災點，判斷火災大小、方向、趨勢，以及火災發(fā)展的整個過程，甚至包括或者的一些職能分心等，這些都是森林火災檢測系統(tǒng)的主要功能[1-3]。在很長的歷史階段，火災監(jiān)測主要依靠的是護林員，護林員在茫茫林海里進行巡查、瞭望和守護。這些工作自然受到諸多條件的限制，比如天氣、煙霧、以及護林員主觀因素的影響等，導致監(jiān)測的效果不是很理想，處理火災效率很低。如果依靠別的高成本的手段如飛機等，也很不現(xiàn)實。這些都會導致火災的損失擴大和不可控制。

目前對整個世界來說，森林火災是一個全球性的問題?；馂谋O(jiān)測也是一個世界性的研究課題。林火檢測是森林管理不可缺少的環(huán)節(jié)，在森林管理上采用什么樣的林火監(jiān)測技術，關系到林火管理，關系到森林資源的保護，意義非常重大。正是因為這些，全世界的森林專家一直不懈努力，林火監(jiān)測技術也不斷發(fā)展和提高。

在國際上，很多國家曾經(jīng)采用的方式是建立林火觀測塔，隨著信息技術的發(fā)展，普遍建立了林火自動監(jiān)測系統(tǒng)[4]。這種系統(tǒng)一般由兩部分組成：林火傳感器與監(jiān)測系統(tǒng)中心。通常的做法是將傳感器安裝在森林里，傳感器連接到監(jiān)測中心，在具體技術上一般采用無線網(wǎng)絡與若干無線傳感器進行連接。這些傳感器上通常都裝有可全方位旋轉(zhuǎn)的彩色相機，一般設置高度為25-50m，數(shù)據(jù)傳給計算機進行圖像處理與分析，能自動識別煙火，將有關數(shù)據(jù)傳給監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行分析并作出判斷，采取相應措施。另外，有的國家如意大利采用的是紅外線監(jiān)測器來防范森林火災[5-6]。這種監(jiān)測器能夠感知較大范圍的森林火災溫度，最遠可達1200公里，能在火焰燃燒前發(fā)出預警。具體做法是在森林中樹立火災監(jiān)測塔，在塔上安裝傳感設備。設備對林地360度掃描，如果連續(xù)多次掃描的結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)地面溫度升高，則發(fā)出火災預警。這種系統(tǒng)還會與氣象臺的數(shù)據(jù)相連。

目前，隨著科學技術的飛躍發(fā)展，在森林火災監(jiān)測方面應用的科技技術也越來越多，森林防火工作正一天天走向系統(tǒng)化、智能化，高科技化與綜合化。使用改進的無線傳感網(wǎng)絡監(jiān)測便要克服上述的缺點。可以在較高的瞭望臺或者監(jiān)測塔上放置紅外線探測設備，探測整個環(huán)境的火情并將具體林火進行定位，也可以通過林火的煙霧來進行定位，既是在夜晚，也能進行正常的監(jiān)測工作，不論林火的大小與位置，都能監(jiān)測。本文以森林防火監(jiān)測系統(tǒng)為基礎，對森林的煙霧，短距離通信節(jié)點與無線通信傳感節(jié)點在森林防火監(jiān)測系統(tǒng)中的應用設計，從而得出，該新型系統(tǒng)比傳統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)具有成本相對低廉、系統(tǒng)靈敏度更高、數(shù)據(jù)采集與傳輸更快、系統(tǒng)管理更加人性化的優(yōu)點，更加有利于對森林火災的監(jiān)測與管理。

1 森林防火監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

森林防火自動紅外線檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以抽象為一個中心與多個自動監(jiān)測站點的連結(jié)。每個自動監(jiān)測站點由監(jiān)測設備安裝在瞭望臺構(gòu)成，對一定范圍的森林面積進行360度全方位搜索掃描。這些站點連接到監(jiān)測中心，如果某個站點搜索到森林火災，數(shù)據(jù)通過無線的方式傳達中心，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行判斷，確定火災基本情況并精確定位。同時這個監(jiān)測站能將數(shù)據(jù)發(fā)送給整個系統(tǒng)中的其它監(jiān)測站點，其它站點收到信息后馬上對各自周邊的森林進行檢測，將有關數(shù)據(jù)進行對比與判斷，將數(shù)據(jù)傳達給監(jiān)測中心。監(jiān)測中心對各方來的數(shù)據(jù)進行自動加工和處理，將火災情況形成數(shù)據(jù)報告，包括火災發(fā)生的精確位置與火情介紹。森本防火監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如1所示：

圖1 森林防火系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)構(gòu)

1.1 森林防火信號接收

圖2 火災信息傳送示意圖

從圖2中，我們不難看出，森林火災的具體信息傳遞采用無線傳輸?shù)姆绞剑瑢?shù)據(jù)傳達給監(jiān)測中心，管理人員也可以通過物理鏈路接受到單一的警報信息，也可以通過數(shù)據(jù)屏實現(xiàn)獲得。但對火災的具體位置與大小以及其它森林環(huán)境特征等信息的獲得必須通過監(jiān)測中心的系統(tǒng)分析獲得。而這些信息是掌控火災的第一手資料，為保護森林資源提供了最重要的信息。另外，如果對森林火災情況想要有一個更為直觀的了解，需要圖像資料，只需要調(diào)用傳輸過來的紅外線圖像資料就可以了，而這也更加有利于對火災的了解和分析。

1.2森林防火紅外線

在森林火災火勢燃燒擴大的同時，也會有一部分能量通過輻射蔓延的形式進行傳遞，其形式是通過能量電磁波傳遞。熱輻射傳遞的過程是因物體發(fā)熱而發(fā)生能量。其中輻射與熱輻射傳播的范圍都是在真空當中，二者之間并沒有本質(zhì)上的區(qū)別，都能將能量形式進行轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移，即熱能與輻能的循環(huán)轉(zhuǎn)換傳遞。當然，熱輻射其波長本身具有從零到無窮大的特點，長的時候可囊括整個電磁波范圍。但同時也會受物體溫度范圍大小影響，其具有實際價格意義的波長范圍僅在0.39～100 μ m之間，當紅外波長是在0.75～20 μm之間時，紅外能感應的波長區(qū)域就會很小，從而我們得知，當它的波長值小于0.75 μ m時，人們可用眼睛可直觀到他們，反之當波長大于0.75 μm時，人的眼睛是搜索看不見波長的。

2 改進的無線傳感網(wǎng)絡

改進的無線傳感網(wǎng)絡對節(jié)點的要求會更高，同時要求的無線通信網(wǎng)絡系統(tǒng)要具有監(jiān)測、控制性，在設計的時候要特別注意，因為不同的境況會造就不同的網(wǎng)絡節(jié)點，自然會形成不同的網(wǎng)絡復雜拓撲結(jié)構(gòu)，一般而言，傳感網(wǎng)絡節(jié)點是不輕易變化的，但也要考慮到傳感網(wǎng)絡節(jié)點本身所賦予的各種通信能量及處理的能力也會具有局域性，限制性，基于此勢必使得傳統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡僅僅只局限于寬帶的有效利用與網(wǎng)絡服務質(zhì)量的促進，其次才是對能源資本的節(jié)約，但改進的新型無線傳感器網(wǎng)絡則不同，它的首要設計目標就是能源的高效充分使用。它具有大規(guī)模、動態(tài)性，自組織，可靠，應用與數(shù)據(jù)處理為中心的網(wǎng)絡特點。因而要求路由器也要同時具有能量高效、可擴展性、快速收斂性與魯棒性等特點。森林資源工作人員可利用這些無線傳感網(wǎng)絡實時實現(xiàn)對火災系統(tǒng)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的收集、發(fā)送、監(jiān)控與定位。系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1森林防火傳感器節(jié)點設計

要使整個傳感網(wǎng)絡保持它的可靠穩(wěn)定性，就得通過傳感器節(jié)點網(wǎng)絡來實現(xiàn)與控制，因而森林林火監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點就顯得尤為重要。然而，無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點也會受成本、電源電量以及體積等諸多條件的約束，因而通信在距離較短，通信的儲存處理能力相對薄弱時，一般情況下系統(tǒng)會自動的選擇一條與自己附近最近距離的節(jié)點數(shù)據(jù)進行交換，從而形成自身的嵌入系統(tǒng)，完成它的使命，但這也不是絕對唯一的，有時也會跳過，經(jīng)多方路由來感應在此范圍之外的無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集處理。無線傳感器網(wǎng)絡的森林防火節(jié)點設計如圖4所示。

圖4 無線傳感器網(wǎng)絡的森林防火節(jié)點設計

如圖4所示，從圖中我們可看出組成無線傳感器網(wǎng)絡的森林防火節(jié)點模塊是處理器模塊、能量供應模塊、傳感器模塊和無線通信模塊。其中處理器模塊其主要功能就是一個數(shù)據(jù)的儲存與處理；傳感器模塊主要的功能是用來對森林林火數(shù)據(jù)的一個采集；各大傳感節(jié)點匯聚在一起組成的網(wǎng)絡就構(gòu)成了無線通信模塊，通過網(wǎng)絡將收到的數(shù)據(jù)進行采集；為傳感器節(jié)點提供電能的是能量供應模塊。

2.2 短距離無線通信的設計

森林林區(qū)火災監(jiān)測的整個過程，對電池電量的要求并不高，因為它傳輸?shù)南到y(tǒng)數(shù)據(jù)流量較小且傳輸速率要求也低。反之，系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)距離越長，對其通信的設備消耗的功率以及系統(tǒng)成本也會要求越高。本文將無線通信技術與ZigBee、Bluetooth、IRDA技術四者在覆蓋范圍、傳輸速率、聯(lián)網(wǎng)時間、最大功耗以及電池壽命等方面進行了比較。從表1中可看出利用ZigBee改進的傳感網(wǎng)絡在其覆蓋范圍、最大功耗，使用成本壽命等方面都要優(yōu)于后三者，是目前為止，森林火災監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡的最佳通信方式。

表1 不同的無線通信監(jiān)測技術比較

[技術標準＼&ZigBee＼&Bluetooth＼&IRDA＼&803.21＼&覆蓋范圍＼&40m-302m＼&4m＼&11m＼&<31m＼&傳輸速率＼&256Kb/s＼&1.53Mb/s＼&1Mb/s＼&1Mbps-10Mbps＼&聯(lián)網(wǎng)時間＼&33ms＼&高達11s＼&ms＼&3s＼&連接設備數(shù)＼&65313＼&3＼&6＼&254＼&最大功耗＼&1mW-4mW＼&12mW＼&1mW-10mW＼&102mW＼&網(wǎng)絡擴展性＼&自動擴展＼&無＼&無＼&無＼&使用成本＼&低＼&低＼&低＼&一般＼&電池壽命＼&6個月-3年＼&1-7天＼&1天＼&1-7天＼&應用途徑＼&傳感、控制、與家庭網(wǎng)絡＼&無線與家庭局域網(wǎng)＼&近距離無障礙數(shù)據(jù)

傳輸＼&無線局域網(wǎng)＼&]

2.3 森林煙霧傳感器設計

判斷森林火災的發(fā)生嚴重程度，往往煙霧數(shù)據(jù)就是最直觀最重要的。當森火燃燒的火勢非常明顯時，自然會產(chǎn)生很高的溫度與濃煙霧，傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)會在此時迅速的采集這些信息，進行分析與處理，從而判斷火災的嚴重與否，發(fā)生與否。排除人為的吸煙產(chǎn)生的非火災因素的干擾，貽誤實際災情，為此該系統(tǒng)也會在第一時間內(nèi)對傳感的網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)據(jù)進行溫度與煙霧濃度，深度的綜合分析判斷。如圖5所示，就是對整個森林煙霧傳感器監(jiān)測系統(tǒng)的設計。

圖5 森林煙霧傳感器監(jiān)測設計

3 結(jié)束語

隨著互聯(lián)網(wǎng)傳感網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，各國對于森林火災監(jiān)測系統(tǒng)的途徑與手段也越來越多樣，越來越先進，傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感林火資源監(jiān)測已遠遠不能滿足現(xiàn)在的需求發(fā)展。本文通過一種新的改進的無線傳感網(wǎng)絡，對森林防火監(jiān)測系統(tǒng)過行了短距離通信節(jié)點、傳感節(jié)點與森森煙霧系統(tǒng)監(jiān)測設計，最后再通過比較得出，該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的不足，能夠節(jié)省成本，電池電量要求更低，能第一時間內(nèi)快速精準地監(jiān)測出森林火災的發(fā)生及嚴重程度，比傳統(tǒng)的森林防火系統(tǒng)更具有實用價值，在森林環(huán)境監(jiān)測方面能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟和社會效益。

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