鄧亦驍

（武漢理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

森林火災(zāi)極大地威脅著森林資源安全，造成當?shù)厣鷳B(tài)平衡嚴重破壞，影響生物多樣性，同時嚴重損害了人們的生命財產(chǎn)安全。監(jiān)測森林火災(zāi)的發(fā)生是及時有效撲滅林火并防止火勢進一步蔓延的重要措施，因此，需要對森林火災(zāi)進行及時、準確的監(jiān)測與定位。

森林火災(zāi)的出現(xiàn)和火勢蔓延與林區(qū)地理特征、當?shù)貧夂蜃兓?guī)律以及人類活動有極大關(guān)系，同時由于森林地形、氣候情況復(fù)雜，林火不易第一時間有效察覺[1]，這都給有效監(jiān)測森林火災(zāi)帶來了極大的困難。現(xiàn)有監(jiān)測森林火災(zāi)的方法主要有4 種：地面人工巡護監(jiān)測、傳統(tǒng)地面設(shè)備監(jiān)控、航空巡查、衛(wèi)星探測[2]。但現(xiàn)有方法仍存在準確率不高、智能化水平有待提高等問題。

針對上述存在問題，需要一種智能化程度高、準確有效的森林火情地面監(jiān)測系統(tǒng)對林區(qū)進行監(jiān)測，準確探測森林火災(zāi)的發(fā)生和判斷火情的發(fā)展，并將情況和相關(guān)數(shù)據(jù)及時報告給當?shù)亓謽I(yè)、消防和公安部門。

1 森林火災(zāi)報警系統(tǒng)硬件設(shè)計

森林火災(zāi)報警系統(tǒng)主要包括火災(zāi)探測模塊、無線通訊模塊、火災(zāi)報警控制器[3]等。

1.1 火災(zāi)探測模塊硬件設(shè)計

森林火災(zāi)探測模塊是一種集合煙霧、溫度、CO 濃度和明火監(jiān)測為一體的綜合探測模塊，通過無線通信模塊與火災(zāi)報警控制器通信。

1.1.1 傳感器部分設(shè)計

本系統(tǒng)中的探測節(jié)點的前端傳感器部分由離子煙霧傳感器NIS-05A、負溫度系數(shù)NTC 熱敏電阻-溫度傳感器MF61系列、NAP-505 型電化學(xué)CO 氣體傳感器和明火傳感器JC-MH-ZN01 組成。這些傳感器均可采用電池驅(qū)動，且具有高精度、高靈敏度、穩(wěn)定性好和低功耗等優(yōu)良性能，使用時不會對森林環(huán)境造成影響。其中，明火傳感器可探測明火中的紫外線，對火焰反應(yīng)快，且內(nèi)置單片機，采用智能算法，既可以實現(xiàn)快速報警，又可以降低誤報率。

1.1.2 信號調(diào)理電路及處理單元電路

傳感器采集的信號不可避免地包含雜波，而且傳感器采集到的微弱模擬信號不適合直接進行A/D 轉(zhuǎn)換，需要先經(jīng)過信號調(diào)理再輸入單片機ADC 的輸入端中轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。模塊中有煙霧濃度、溫度和CO 濃度3 路傳感器信號采集通道，采用MAX407 構(gòu)成調(diào)理電路對這3 路信號進行調(diào)理后送入MSP430F4794 微控制器中進行模數(shù)轉(zhuǎn)換并進行初步判斷。MSP430F4794 微控制器與無線通信模塊相連進行串行通信，將采集到的異常信號通過無線通信模塊發(fā)送給對應(yīng)的火災(zāi)報警控制器做進一步的分析處理。

1.2 無線通信模塊硬件設(shè)計

無線通信模塊的設(shè)計采用AI-Thinker 公司的A9G 模塊。A9G 模塊具有GPRS 通信功能，可利用現(xiàn)有基站進行通信，而且模塊功耗低、傳輸速率高，可由鋰電池供電，非常適合作為森林火災(zāi)報警系統(tǒng)的無線通信模塊。本系統(tǒng)中采用4 V鋰電池給A9G 模塊供電，選用高增益天線，使無線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋更大范圍，并選用900 MHz 作為A9G 模塊的工作頻段。A9G 模塊可使用AT 指令進行編程設(shè)置，從而實現(xiàn)與遠程服務(wù)器建立TCP 通信，發(fā)送探測模塊的數(shù)據(jù)，接收火災(zāi)報警控制器的指令并與微控制器進行同步串口通信。

1.3 火災(zāi)報警控制器硬件設(shè)計

火災(zāi)報警控制器是森林火災(zāi)報警系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，控制器除了具有基本功能，還具有基于算法的智能化火災(zāi)識別能力。本系統(tǒng)選用包含ARM Cortex-M7 內(nèi)核的STM32H743作為火災(zāi)報警控制器的核心。STM32H743 的CPU 工作頻率為480 MHz，具有雙精度浮點單元，有極高的綜合性能，適應(yīng)本系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的龐大計算需求。在其控制核心基礎(chǔ)上還擴展了串行通信功能、人機界面和以太網(wǎng)控制器功能等。

1.3.1 液晶顯示控制器

LCD 是控制器人機交互功能的一個重要組成部分。本系統(tǒng)中所選的控制器STM32H743 自帶LCD-TFT 顯示控制器，采用ATK-35’TFT-LCD 顯示模塊與控制器上LCD-TFT外部信號接口連接，并通過軟件配置STM32H743 上的寄存器，使顯示模塊與控制器之間實現(xiàn)串行通信。

1.3.2 基站串行通信

控制器與相連的基站進行通信，基站再與無線通信模塊進行GPRS 通信。將STM32H743 的SPI 設(shè)置為全雙工通信，控制器和基站中的移位寄存器通過MOSI 和MISO 引腳之間的兩條單向線連接。在SPI 通信過程中，數(shù)據(jù)隨控制器提供的SCK 時鐘邊沿同步移位。

1.3.3 以太網(wǎng)控制器

每一管理區(qū)域的火災(zāi)報警控制器都通過以太網(wǎng)向總控平臺傳遞火情信息。STM32H743 自身即帶有以太網(wǎng)模塊，可通過ST 公司開發(fā)的STM32CubeMx 軟件對微控制器進行相關(guān)配置，同時選擇LAN8720 芯片作為物理層芯片，用來為 STM32H743 提供 PHY 層。

2 森林火災(zāi)報警系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判斷森林火災(zāi)是否發(fā)生，同時為有效預(yù)防森林火災(zāi)，根據(jù)該林區(qū)具體的天氣變化，動態(tài)評估發(fā)生火災(zāi)的概率，從而有針對性地加大地面-天空一體化的巡查監(jiān)視力度。

2.1 火災(zāi)探測模塊軟件設(shè)計

火災(zāi)探測模塊的主要任務(wù)是由微控制器MSP430F4794來控制火災(zāi)參量信號的采集與AD 轉(zhuǎn)換，并向火災(zāi)報警控制器發(fā)送數(shù)據(jù)。探測節(jié)點上電或復(fù)位后，首先需要進行硬件和軟件的初始化工作，同時A9G 模塊向基站建立連接。傳感器每隔一定時間（由總控平臺根據(jù)天氣情況動態(tài)調(diào)整）采集周圍環(huán)境中的火災(zāi)參數(shù)信號并發(fā)送給單片機進行處理。

傳感器采集到的數(shù)據(jù)是微弱的模擬量信號，經(jīng)過放大調(diào)理電路的信號放大和調(diào)理后，由單片機內(nèi)置的ADC 進行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字信號，當判斷出現(xiàn)明火或溫度、煙霧濃度、CO 濃度超過閾值時，單片機通過無線通信模塊向控制器發(fā)送現(xiàn)場數(shù)據(jù)作進一步分析處理。

2.2 火災(zāi)報警控制器軟件設(shè)計

火災(zāi)報警控制器具有強大的浮點數(shù)處理能力、分析能力強、處理運算速度快，因此可由火災(zāi)報警控制器實現(xiàn)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、完成復(fù)雜數(shù)據(jù)的處理以及對數(shù)據(jù)采集單元的控制與管理。當火災(zāi)報警控制器收到能明顯判斷存在火情的數(shù)據(jù)時，控制器立即將情況上報給總控平臺；當收到的火災(zāi)參量數(shù)據(jù)存在異常但不能做出立即判斷時，則利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行進一步計算分析，如果發(fā)生了火災(zāi)，則上報總控平臺，否則中斷返回。

火災(zāi)狀態(tài)判斷程序運用了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，從而實現(xiàn)森林火災(zāi)的智能化判斷。探測模塊將探測到的各種火災(zāi)參量數(shù)據(jù)傳遞到對應(yīng)區(qū)域內(nèi)的火災(zāi)報警控制器，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過隸屬函數(shù)將其模糊化，然后經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)對網(wǎng)絡(luò)權(quán)值進行修改，計算輸出模糊邏輯的語言變量無火、陰燃和有火。

2.3 總控平臺軟件設(shè)計

總控平臺接收來自各個火災(zāi)報警控制器發(fā)送的火災(zāi)情況，并在人機交互界面上顯示火災(zāi)發(fā)生的具體位置地點以及火情數(shù)據(jù)信息，同時發(fā)出警報。

本系統(tǒng)利用歷年來森林火災(zāi)提供的相關(guān)數(shù)據(jù)建立并訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并運用遺傳算法改進的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值[4]，從而提高BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的準確性和運算速度。總控平臺根據(jù)當?shù)貧庀蟛块T實時提供的該地區(qū)的溫度、濕度、風(fēng)力等氣象數(shù)據(jù)輸入訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中計算此時發(fā)生森林火災(zāi)的概率。當動態(tài)估計的火災(zāi)發(fā)生概率在某一時刻超過事先設(shè)定好的警戒值時，則立即通過該區(qū)域內(nèi)的火災(zāi)報警控制器調(diào)整提高區(qū)域內(nèi)探測模塊輪詢采集信號的頻率，增大對森林火災(zāi)的監(jiān)測力度。同時總控平臺上傳有關(guān)情況給管理部門，請求增加對該林區(qū)的情況航空、衛(wèi)星、地面巡邏等一體化監(jiān)測，防止大規(guī)模森林火災(zāi)的發(fā)生。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)通過探測節(jié)點及無線通信模塊、火災(zāi)報警控制器和總控平臺，構(gòu)成了森林火災(zāi)監(jiān)測一體化系統(tǒng)。火災(zāi)報警控制器中運用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提高了對森林火災(zāi)狀態(tài)判斷的準確性，基于遺傳算法改進的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則根據(jù)氣象數(shù)據(jù)動態(tài)分析森林火災(zāi)的發(fā)生概率并動態(tài)調(diào)整探測節(jié)點的數(shù)據(jù)采集頻率?？刂破髋c探測節(jié)點間采用GPRS 通信技術(shù)，控制器與總控平臺則通過以太網(wǎng)互聯(lián)，構(gòu)成了完整高效的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)可以準確、有效地監(jiān)測森林火災(zāi)狀態(tài)并及時發(fā)出警報，具有廣闊的應(yīng)用前景。