基于无线传感网络的森林火灾全面监控管理系统

技术领域

本发明属于森林监控技术领域，尤其涉及一种基于无线传感网络的森林火灾全面监控管理系统。

背景技术

目前，森林火灾是森林最危险的敌人，也是林业最可怕的灾害，它会给森林带来最有害，最具有毁灭性的后果。

为了避免森林火灾所带来的危害、灾害，森林中一般都会布置森林防火监控系统，这些森林防火监控系统，其重要性体现在预防，即在火灾初期就能够实现有效监控，有利于后续的快速扑灭，避免发展成无法扑灭、难以扑灭的大火，降低经济损失。

比如公开日为2014年3月26日，专利授权公告号为CN203503097U，申请名称为基于Mesh网络的森林防火监控系统，采用建立Mesh基站搭载自动对焦摄像头及温湿度报警器实现对林区火情的无线监控。但所采集的信息仅包含温湿度、摄像信息，因此监控数据过少，少量的监控数据无法达到准确预警技术效果。

比如公开日为2014年1月15日，专利授权公告号为CN103514700A，申请名称为一种森林防火预警系统的设计方法，采用无线传输模块搭载温度、风向、烟雾传感器对环境数据进行收集，然后将数据传输至中央处理器处理判断，实现对森林火灾的提前预警，虽然通过风向、烟雾、温度多种监控数据集成处理，但无线传输模块存在传输不稳定、传输范围小技术问题。

比如公开日为2020年8月28日，专利授权公告号为CN111599127A，申请名称为用于森林防火的监控塔及控制方法，利用监控塔本体搭配摄像头进行预警，因为利用监控塔大型建筑物，因此存在搭建难度高、成本高；以及单纯利用摄像头，存在监控数据、预警不到位情况。

因此，现有技术有待于改善。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种基于无线传感网络的森林火灾全面监控管理系统，旨在解决背景技术中所提及的技术问题。

本发明的一种基于无线传感网络的森林火灾全面监控管理系统，包括Zigbee主控芯片、一氧化碳传感器模块、紫外线火焰传感器模块、风速传感器模块、与Zigbee主控芯片连接的射频电路和姿态传感模块，一氧化碳传感器模块用于将一氧化碳浓度反馈至Zigbee主控芯片，紫外线火焰传感器模块用于将火焰存在信息发送至Zigbee主控芯片，风速传感器模块用于将风速信息发送至Zigbee主控芯片，姿态传感模块用于将获取到的当前位置坡度发送至Zigbee主控芯片，Zigbee主控芯片通过射频电路将接收到的实时信息经路由节点、协调器节点传输至4G模块，4G模块将接收到的实时信息发送至云平台。

优选地，还包括与Zigbee主控芯片连接的气压传感器模块。

优选地，还包括与Zigbee主控芯片连接的光照传感器模块。

优选地，还包括与Zigbee主控芯片连接的温湿度传感器模块。

优选地，还包括用于将太阳能转变为电能的太阳能板和与太阳能板连接的BUCK电路，BUCK电路用于对太阳能板输出的电能进行监控，并调控电能以给电池充电。

优选地，Zigbee无线传感器网络包括协调器、至少两个路由节点和至少两个终端节点，协调器和路由节点之间通过Zigbee协议通讯，路由节点和终端节点之间通过Zigbee协议通讯。

优选地，Zigbee主控芯片的型号为CC2530。

优选地，还包括与Zigbee主控芯片连接的GPS模块。

本发明的基于无线传感网络的森林火灾全面监控管理系统，有益效果如下：

1、Zigbee主控芯片通过采集一氧化碳浓度和火焰存在信息，能够精准判断出森林现场是否发生火灾情况。

2、基于姿态传感模块、风速传感器模块设置，能够采集到当前位置坡度、结合风速风向信息，将这些信息反馈至Zigbee主控芯片并经射频电路、路由节点、协调器节点、4G模块快速反馈至云平台，首先可进行对火灾发生后的实时蔓延预测，有利于林区的火灾救援工作开展。

3、终端节点、路由节点、协调器节点构成的Zigbee无线传感器网络，因为Zigbee无线局域传感网络中各节点组网方式灵活多样。这样就很好避免了传统有线监控系统或其他无线传输网络遇到火灾发生后，容易瘫痪的问题。

4、系统搭载的传感器种类多且齐全，可以有效地监控林区的环境数据变化，对林区常见的树冠火、地表火、阴燃火等火灾类型都有有效的监控效果，从而大大减小了误报率、漏报率，使得林区监控更加全面有效。

附图说明

图1为本发明基于无线传感网络的森林火灾全面监控管理系统的原理框图；

图2为本发明中Zigbee主控芯片、射频电路的电路连接示意图；

图3为本发明中一氧化碳传感器模块的电路连接示意图；

图4为本发明中紫外线火焰传感器模块的电路连接示意图；

图5为本发明中风速传感器模块的电路连接示意图；

图6为本发明中姿态传感模块的电路连接示意图；

图7为本发明中雨滴传感器模块的电路连接示意图；

图8为本发明中气压传感器模块的电路连接示意图；

图9为本发明中烟雾传感器模块的电路连接示意图；

图10为本发明中温湿度传感器模块的电路连接示意图；

图11为本发明中光照传感器模块的电路连接示意图；

图12为本发明中太阳能板、BUCK电路的电路连接示意图；

图13为本发明中Zigbee无线传感器网络的原理框图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。需要注意的是，相关术语如“第一”、“第二”等可以用于描述各种组件，但是这些术语并不限制该组件。这些术语仅用于区分一个组件和另一组件。例如，不脱离本发明的范围，第一组件可以被称为第二组件，并且第二组件类似地也可以被称为第一组件。术语“和/或”是指相关项和描述项的任何一个或多个的组合。

如图1所示，本发明的一种基于无线传感网络的森林火灾全面监控管理系统，包括Zigbee主控芯片、一氧化碳传感器模块、紫外线火焰传感器模块、风速传感器模块、与Zigbee主控芯片连接的射频电路和姿态传感模块，一氧化碳传感器模块用于将一氧化碳浓度反馈至Zigbee主控芯片，紫外线火焰传感器模块用于将火焰存在信息发送至Zigbee主控芯片，风速传感器模块用于将风速信息发送至Zigbee主控芯片，姿态传感模块用于将获取到的当前位置坡度发送至Zigbee主控芯片，Zigbee主控芯片通过射频电路将接收到的实时信息经路由节点、协调器节点传输至4G模块，4G模块将接收到的实时信息发送至云平台。

上述实施例中实时信息的传输流向为：各个传感器模块将采集到的实时信息发送至Zigbee主控芯片；然后Zig bee主控芯片通过射频电路将接收到的实时信息经路由节点、协调器节点传输至4G模块，4G模块将接收到的实时信息发送至云平台。即终端节点通过Zigbee主控芯片控制各个传感器模块将采集到实时信息，经射频电路传输至路由节点、协调器节点传输至4G模块；更具体地：终端节点通过射频电路将接收到的实时信息传输至上一级路由节点，路由节点将实时信息传输至协调器节点，协调器节点将实时信息传输至4G模块。

在本申请中，4G模块是一种无线传输模块；本领域技术人员可以理解，5G模块也应当适用；因此5G模块也属于本实施例的保护范围中。

在本发明中，如图1、图13所示，终端节点、路由节点和协调器节点构成Zigbee无线传感器网络；Zigbee无线传感器网络作用在于：各节点间相关传感器的数据及指令的相互传输。

其中，实时信息包括一氧化碳浓度、火焰存在信息、风速信息和当前位置坡度；火焰存在信息包括有火焰的信号信息或者无火焰的信号信息；风速信息包括风速度大小和风向信息。

其中，如图13所示，Zigbee无线传感器网络包括协调器、至少两个路由节点和至少两个终端节点，协调器和路由节点之间通过Zigbee协议通讯，路由节点和终端节点之间通过Zigbee协议通讯。协调器：不搭载采集传感器，是网络各节点信息的汇聚点，是网络的核心节点，负责组建、维护和管理网络，并通过4G模块实现各节点与云端的数据传递；路由器节点：负责转发数据资料包，进行数据的路由路径寻找和路由维护，允许节点加入网络并辅助其子节点通信；路由器节点是终端节点和协调器节点的中继，它为终端节点和协调器节点之间的通信进行接力。终端节点：终端节点可以直接与协调器节点相连，也可以通过路由器节点与协调器节点相连。因此系统中各个采集节点的数据传输依托Zigbee无线传感网络，因此在火灾发生后，部分因火灾而被烧毁的采样节点并不影响其他节点的数据传输，因为Zigbee无线局域传感网络中各节点组网方式灵活多样。这样就很好避免了传统有线监控系统或其他无线传输网络遇到火灾发生后，容易瘫痪的问题。

更具体地：采集器通过网络拓扑，在林区建立Zigbee无线传感网络。在此网络中，采集器分别扮演终端节点、路由节点。终端节点可通过路由节点或直接向协调器发送相关环境数据；路由节点向协调器节点传输自身或所连接的终端节点相关数据；协调器在一个无线传感网络中只有一个，主要负责无线传感网络的建网以及上传各个节点的采集数据。4.协调器不搭载相关检测传感器，而与4G模块相连，负责系统数据的上传。在系统启动后，配置启动信息并启动组网等待其他设备入网，组网成功后连接服务器，将各个采集器节点采集到的数据封装成http格式，上传至云端服务器。

即协调器将实时信息发送至4G模块，4G模块再将实时信息发送至云平台；管理人员可通过可视化操作平台观看、管理云平台所上传到的实时信息。系统数据上传采用的是4G模块，相较与传统的GSM通讯、3G模块在传输速度、带宽、稳定性等方面都有显著提升。同时亦可通过在部分路由节点搭载4G模块，从而实现减小协调器传输负担，增大系统容错率，避免因为协调器故障而导致数据无法上传的问题。

其中，在可视化操作平台中，通过访问数据库数据，对数据进行整理、绘图/表，将图表嵌入tk图形界面。管理人员可通过登录账号可直接查看各个节点当前相关数据情况，亦可查看历史记录的某一时间段数据情况。以及基于系统建立了可视化操作平台，管理人员可通过平台查看当前或历史林区各项环境数据情况以及当前火险等级。可以通过平台对系统进行相关预设指令操作，如修改预测模型参数、蔓延模型参数、火灾发生时紧急联系人电话等方式。在火灾发生后系统可以第一时间向紧急联系人拨打电话。管理人员亦可通过其他终端设备登录平台实时查看相关信息。

本发明的基于无线传感网络的森林火灾全面监控管理系统，有益效果如下：

1、Zigbee主控芯片通过采集一氧化碳浓度和火焰存在信息，能够精准判断出森林现场是否发生火灾情况。

2、基于姿态传感模块、风速传感器模块设置，能够采集到当前位置坡度、结合风速风向信息，将这些信息反馈至Zigbee主控芯片并经射频电路、路由节点、协调器节点、4G模块快速反馈至云平台，首先可进行对火灾发生后的实时蔓延预测，有利于林区的火灾救援工作开展。

3、终端节点、路由节点、协调器节点构成的Zigbee无线传感器网络，因为Zigbee无线局域传感网络中各节点组网方式灵活多样。这样就很好避免了传统有线监控系统或其他无线传输网络遇到火灾发生后，容易瘫痪的问题

如图2所示，Zigbee主控芯片IC3的型号为CC2530；Zigbee主控芯片IC3的第二十二插脚XOSC_Q1、第二十三插脚XOSC_Q2连接有32 MHz晶振Y2；Zigbee主控芯片IC3的第三十二插脚P2_4/XOSC32K_Q1、第三十三插脚P2_3/XOSC32K_Q2连接有32.768 kHz晶振Y1；以提供时钟源。射频电路包括射频天线SMA、第一电感线圈L1、第十三电容C13、第十四电容C14、第十五电容C15、第十六电容C16、第二电感线圈L2和第十七电容C17，Zigbee主控芯片IC3的第二十五插脚RF_P与第十六电容C16一端连接，第十六电容C16另一端同时与第十七电容C17一端和第二电感线圈L2一端连接，第二电感线圈L2另一端同时与第十五电容C15一端和第十四电容C14一端连接，第十四电容C14另一端同时与第一电感线圈L1一端和第十三电容C13一端连接，第十三电容C13另一端与Zigbee主控芯片IC3的第二十六插脚RF_N连接；第十五电容C15另一端与射频天线SMA连接。射频电路、Zigbee主控芯片IC3连接，实现以Zigbee协议的发送、接收信号。

其中，一氧化碳传感器模块的具体电路连接示意图如图3所示；其作用在于：获取一氧化碳浓度。

其中，紫外线火焰传感器模块的具体电路连接示意图如图4所示；其作用在于：用于获取火焰存在信息（能够判断出现场是否有火焰）。

其中，风速传感器模块的具体电路连接示意图如图5所示；其作用在于：获取风速度大小和风向信息。

其中，姿态传感模块的具体电路连接示意图如图6所示；其作用在于：获取当前位置坡度。

其中，还包括与Zigbee主控芯片连接的雨滴传感器模块（图7为本发明中雨滴传感器模块的电路连接示意图）；其作用在于：获取雨滴信息（能够判断出是否在下雨）。

其中，还包括与Zigbee主控芯片连接的气压传感器模块（图8为本发明中气压传感器模块的电路连接示意图）其作用在于：获取大气压强度。

其中，还包括与Zigbee主控芯片连接的光照传感器模块（图11为本发明中光照传感器模块的电路连接示意图）；其作用在于：获取光照强度情况。

其中，还包括与Zigbee主控芯片连接的温湿度传感器模块（图10为本发明中温湿度传感器模块的电路连接示意图）。其作用在于：获取温湿度情况。

其中，还包括与Zigbee主控芯片连接的烟雾传感器模块（图9为本发明中烟雾传感器模块的电路连接示意图；）其作用在于：获取烟雾浓度。

其中，如图12所示，还包括用于将太阳能转变为电能的太阳能板和与太阳能板连接的BUCK电路，BUCK电路用于对太阳能板输出的电能进行监控，并调控电能使其最大效率得给电池充电；太阳能板包括80*80mm多晶硅太阳能板；电池包括3节18650锂电池；太阳能板通过具有跟踪功率功能的基于IR2104的同步BUCK电路升压后给电源充电。BUCK电路通过对太阳能板的工作状态实时监控，进而调整到最佳的电压变换状态，实现能源的最大化利用。电源供电时则通过稳压电路给系统供电，确保系统能在正常的电压的工作。

如图1所示，还包括与Zigbee主控芯片连接的GPS模块；GPS模块用于获取有火灾发生的地方的实时位置。

本发明基于无线传感网络的森林火灾全面监控管理系统，基于加拿大火险预测模型以及《全国森林火险区划等级(LY/T 1063-2008)》对采集到的数据进行算法分析预测，得出各个节点/地区的火险等级，一并展现在图形化界面中。当火险等级超过设定值时将会及时将预警讯息传输到相应的防控中心；当检测到火灾发生时会向系统设定的紧急联系人拨打电话并将火灾相关讯息发送至林业局/消防部门。系统通过建立基于DEVS的Rother林火蔓延模型，当系统检测到火灾发生后，系统将会依据火源周围的传感器网络传回的风向、坡度、温湿度、气压等数据进行实时火灾蔓延预测，并将预测结果实时发送给相关防控中心以便合理安排灭火工作的进行。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。