物聯(lián)網(wǎng)GIS森林防火智能預(yù)警系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng) GIS 森林防火 智能 預(yù)警系統(tǒng) 江蘇物泰信息科技有限公司 2011-4-6 2 / 22 目錄 物聯(lián)網(wǎng) GIS 森林防火智能預(yù)警系統(tǒng) . 1 1. 需求分析 . 3 2. 系統(tǒng)概述 . 3 2.1. 系統(tǒng)功能與特點(diǎn) . 4 2.2. 系統(tǒng)整體架構(gòu) . 4 3. 具體實(shí)施方案 . 7 3.1. 用戶軟件終端建設(shè)方案 . 7 3.1.1. 用戶軟件終端功能 . 7 3.1.2. 技術(shù)可行性分析及解決方案 . 9 3.1.3. 小結(jié) . 11 3.2. 基站 /網(wǎng)關(guān)部署方案 . 11 3.2.1. 基站 /網(wǎng)關(guān)功能 . 11 3.2.2. 技術(shù)可行性分析及解決方案 . 12 3.2.3. 小結(jié) . 14 3.3. 網(wǎng)絡(luò)架設(shè)方案 . 14 3.3.1. 網(wǎng)絡(luò)功能 . 14 3.3.2. 技術(shù)可行性分析及解決方案 . 14 3.3.3. 小結(jié) . 17 3.4. 節(jié)點(diǎn)建設(shè)方案 . 17 3.4.1. 節(jié)點(diǎn)功能 . 17 3.4.2. 技術(shù)可行性分析和具體實(shí)施方案 . 18 3.4.3. 手持終端 . 22 3 / 22 江蘇物泰信息科技有限公司 1. 需求分析 森 林火災(zāi)，是一種通常發(fā)生在林野間難以控制的火情。森林火災(zāi)通常是由閃電引起的，同時(shí)，也可能是由于人為疏忽、故意縱火、熱浪、干旱等原因造成山火危機(jī)。 自地球出現(xiàn)森林以來(lái)，森林火災(zāi)就伴隨發(fā)生。全世界每年平均發(fā)生森林火災(zāi) 20 多萬(wàn)次 ,燒毀森林面積約占全世界森林總面積的 1以上。中國(guó)現(xiàn)在每年平均發(fā)生森林火災(zāi)約 1 萬(wàn)多次 ,燒毀森林幾十萬(wàn)至上百萬(wàn)公頃，約占全國(guó)森林面積的 5 8。其社會(huì)危害甚大。 森林火災(zāi)會(huì)侵吞大片林木、侵害人民生命財(cái)產(chǎn)安全，并對(duì)地球資源及生態(tài)環(huán)境造成了巨大的危害。森林火災(zāi)不僅燒死、燒傷林木，直接減少森林面積，而 且嚴(yán)重破壞森林結(jié)構(gòu)和森林環(huán)境，導(dǎo)致森林生態(tài)系統(tǒng)失去平衡，森林生物量下降，生產(chǎn)力減弱，益獸益鳥減少，甚至造成人畜傷亡。高強(qiáng)度的大火，能破壞土壤的化學(xué)、物理性質(zhì)，降低土壤的保水性和滲透性，使某些林地和低洼地的地下水位上升，引起沼澤化；另外，由于土壤表面炭化增溫，還會(huì)加速火燒跡地干燥，導(dǎo)致陽(yáng)性雜草叢生，不利森林更新或造成耐極端生態(tài)條件的低價(jià)值森林更替。 目前在實(shí)際中并沒(méi)有可行的事前預(yù)警方法，對(duì)森林火災(zāi)的處理方式仍停留在事后補(bǔ)救階段，即在火險(xiǎn)發(fā)生，并通常是在擴(kuò)大后，再進(jìn)行搶險(xiǎn)救災(zāi)。這樣既極大的增大了救災(zāi)難度，也增大 了火災(zāi)造成的損失。同時(shí)，由于森林火災(zāi)是突發(fā)事件，需要持續(xù)性的監(jiān)控，因此從覆蓋面積及成本等多方面的考慮，原始的人力巡山或航拍方式都不能滿足森林防火的需求。 2. 系統(tǒng)概述 物聯(lián)網(wǎng) GIS 森 林 防 火 智能 預(yù) 警 系統(tǒng) ， 是 利用 傳 感 技術(shù)、衛(wèi) 星定 位、地 理 信 息 、 人工 智能 等 高 新 技 術(shù) 研 制 的 物 聯(lián)網(wǎng) 系統(tǒng) ， 適 用 于 城 市森 林 、 自 然 保 護(hù)區(qū) 、 旅 游 景 區(qū)等 環(huán)境 ， 可 對(duì) 監(jiān)測(cè) 區(qū) 域 實(shí)現(xiàn) 全 數(shù) 字 、 全 覆 蓋 、 全 天候 火 情 與 盜 林 監(jiān) 測(cè) ， 可 探測(cè) 著 火 位置 、 蔓 延 面積 、 蔓 延 速度 、 蔓 延 方 向 和 發(fā)展 趨勢(shì) ， 真 正 實(shí) 現(xiàn) 森林 火 災(zāi) “ 打 早 、 打 小 、 打了 ” ； 可 探 測(cè) 盜 伐 樹(shù) 木 、 環(huán)境溫 濕度 、 珍 稀 動(dòng) 植 物 等 信 息 ， 構(gòu) 建 起 數(shù) 字 化 森 林 的物 聯(lián) 網(wǎng) 絡(luò) ， 可 為 森 林 防 火、 林 木 盜 伐等 提 供 實(shí) 時(shí) 、準(zhǔn) 確 、 科 學(xué) 的 決 策 。 該預(yù) 警 系 統(tǒng)由 ： 火 災(zāi) 探測(cè) 傳感 器 網(wǎng) 絡(luò) 、 防 火 基 站 和 GIS 預(yù) 警 系 統(tǒng) 三 部 分 組 成 。 火 災(zāi) 探 測(cè) 傳感器 網(wǎng)絡(luò)由分布在森林邊界及林內(nèi)的若干個(gè)火焰探測(cè)器構(gòu)成，每個(gè)火焰探測(cè)具有火焰探 4 / 22 江蘇物泰信息科技有限公司 測(cè)和無(wú)線通信 功 能， 可 在 10 秒 內(nèi) 探 測(cè)到 100 范 圍 內(nèi) 不 超 過(guò) 2 平 方 米 的早 期 火 焰 ， 并 通 過(guò) 無(wú) 線通信 方 式 向 相 鄰 探 測(cè) 器 發(fā)送 火 情 消息 ， 并 自 動(dòng)在 網(wǎng)絡(luò) 中 以 “ 接 力 ” 方 式跳 傳 ， 直 到 將 火 情 傳到 防火 基 站 ， 再 由 防 火 基 站通過(guò) GPRS 遠(yuǎn) 程 無(wú) 線 傳 輸 到 GIS 預(yù)警 系 統(tǒng) ， 以 電 子 沙 盤 地 圖方 式 呈現(xiàn) 火 災(zāi) 現(xiàn) 場(chǎng) 情 形 森林火險(xiǎn)智能預(yù)警系統(tǒng)是針對(duì)大規(guī)模森林設(shè)計(jì)的，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，結(jié)合 GIS，GPS 技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)全天候不間斷持續(xù)性火險(xiǎn)監(jiān)控，并提前預(yù)警的自動(dòng)智能火險(xiǎn)監(jiān)控系統(tǒng)?？捎行в糜诖蠓秶謪^(qū)域的森林火險(xiǎn)防災(zāi)減災(zāi)工作。 本系統(tǒng)整合成熟可靠的先進(jìn)信息技術(shù)，對(duì)危害性極大的森林火險(xiǎn)進(jìn)行監(jiān)控，獲得處理森林火險(xiǎn)的主動(dòng)權(quán)，將災(zāi)難消滅在萌芽狀態(tài)，或是在災(zāi)害還未擴(kuò)大之前就及時(shí)進(jìn)行遏制。 2.1. 系統(tǒng)功能與特點(diǎn) 本森林火險(xiǎn)智能預(yù)警系統(tǒng)具有如下功能： 覆蓋面廣，無(wú)需人工值守 ：通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程信息感知，無(wú)需人工巡山，因 此可有效用于大范圍區(qū)域； 自動(dòng)化持續(xù)監(jiān)控，實(shí)時(shí)預(yù)警 ：傳感器自動(dòng)智能采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理； 部署靈活，架設(shè)方便 ：采用無(wú)線傳輸技術(shù)，徹底解決布線障礙，可無(wú)源無(wú)線長(zhǎng)時(shí)間工作。 快速精準(zhǔn)定位 ：結(jié)合 GIS 系統(tǒng)與 GPS 技術(shù)，直觀標(biāo)志火險(xiǎn)發(fā)生地的相關(guān)信息。 2.2. 系統(tǒng)整體架構(gòu) 本系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)可分割的設(shè)計(jì)模式，通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)及用戶軟件終端的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)大范圍野外無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署與平穩(wěn)運(yùn)行。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如 圖 1 所示： 5 / 22 江蘇物泰信息科技有限公司 圖 1 系統(tǒng)架構(gòu)圖 本系統(tǒng)通過(guò)部署一定密度的傳感器節(jié)點(diǎn)（如 圖 2 所示），采集所需的環(huán)境信息數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)被測(cè)森林的監(jiān)控。傳感器節(jié)點(diǎn)上除用于進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的溫度傳感模塊、濕度傳感模塊或煙霧探測(cè)器、火焰探測(cè)器、溫差探測(cè)器等傳感模塊之外，還配備有無(wú)線通信模塊用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)搭建。節(jié)點(diǎn)采用節(jié)能策略，支持超長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航。 6 / 22 江蘇物泰信息科技有限公司 圖 2 傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)地部署 無(wú)線傳感器將自身采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)分析煙霧濃度、火焰光、短時(shí)間內(nèi)溫差與溫度、濕度等數(shù)據(jù)，確定森林火險(xiǎn)等級(jí)以及是否有火險(xiǎn)存在，在需要時(shí)，節(jié)點(diǎn)可通過(guò)節(jié)點(diǎn)與基站 /網(wǎng)關(guān)組成的網(wǎng)絡(luò)或其他傳輸途徑，向遠(yuǎn)端的監(jiān)控系統(tǒng)軟件終端報(bào)告。 在險(xiǎn)情發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)的自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行響應(yīng)，通知監(jiān)控系統(tǒng)軟件終端處的工作人員，利用地理信息系統(tǒng)（ GIS）直觀查看火險(xiǎn)位置。相關(guān)人員可以第一時(shí)間獲得遠(yuǎn)處森林深處的火險(xiǎn)報(bào)告，并及時(shí)進(jìn)行處理，從而在災(zāi)情擴(kuò)大之前采取有力措施。 7 / 22 江蘇物泰信息科技有限公司 3. 具體實(shí)施方案 3.1. 用戶軟件終端建設(shè)方案 3.1.1. 用戶軟件終端功能 圖 3 軟件終端查詢機(jī)制展示 系統(tǒng)的用戶軟件終端為用戶提供與無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)的交互平臺(tái)。通過(guò)軟件終端，如 圖 3 所示，用戶可以主動(dòng)查詢所部署節(jié)點(diǎn)處的實(shí)時(shí)環(huán)境信息。更為重要的是，軟件終端是處理來(lái)自節(jié)點(diǎn)報(bào)警信息的中樞?；痣U(xiǎn)報(bào)警信息將在軟件終端顯示。 8 / 22 江蘇物泰信息科技有限公司 （ A） 某地 林 場(chǎng) -右視近景 （ B） 某地 林 場(chǎng) -右視遠(yuǎn)景 9 / 22 江蘇物泰信息科技有限公司 （ C）某地 14 號(hào) 探測(cè)器實(shí) 景 照 （ D） 某地 32 號(hào)探測(cè) 器 實(shí)景照 系統(tǒng)也可以根據(jù) 不同的定制要求，擴(kuò)展聯(lián)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)等多種報(bào)警渠道。 3.1.2. 技術(shù)可行性分析及解決方案 考慮到森林防火預(yù)警系統(tǒng)與森林火點(diǎn)的地理位置關(guān)系極為密切，并且涉及到多種環(huán)境數(shù)據(jù)的可視化處理，因此本系統(tǒng)的可支持軟件終端集成 GIS 系統(tǒng)，結(jié)合 GPS 技術(shù)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)定位以及追蹤。實(shí)現(xiàn)地理位置與該位置實(shí)時(shí)信息的協(xié)同顯示。 地理信息系統(tǒng)（ GIS， Geographic Information System）結(jié)合地理學(xué)與地圖學(xué)，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在不同的領(lǐng)域，是用于輸入、存儲(chǔ)、查詢、分析和顯示地理數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 GIS技術(shù)已經(jīng)有相對(duì)深厚的技術(shù)基礎(chǔ)， 可以穩(wěn)定有效的支持本系統(tǒng)涉及的功能實(shí)現(xiàn)。全球定位系統(tǒng)（ GPS， Global Positioning System）可以為地球表面絕大部分戶外地區(qū)（ 98%）提供準(zhǔn)確的定位，目前已是主流成熟的定位技術(shù)。 GPS 系統(tǒng)可全天候工作，不受任何天氣的影響，高效可靠。本系統(tǒng)的用戶軟件終端基于成熟技術(shù)搭建，集成傳感數(shù)據(jù)展示功能。 本系統(tǒng)集成的地理信息系統(tǒng)（ GIS），可具備面向用戶、界面友好、易于操作等特點(diǎn)。軟件終端提供三種與傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)間的交互方式，即：主動(dòng)查詢、自動(dòng)預(yù)警與周期性自檢。 主動(dòng)查詢 如 圖 4 所示用戶可以在系統(tǒng)進(jìn)行日常監(jiān)控，未發(fā)現(xiàn)森林火險(xiǎn)狀況時(shí)，主動(dòng)發(fā)起查詢，獲得目標(biāo)節(jié)點(diǎn)所在位置的相關(guān)信息。用戶向無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)出查詢請(qǐng)求，傳感器向用戶發(fā)回相關(guān)數(shù)據(jù)。在未發(fā)生火險(xiǎn)，且未得到用戶主動(dòng)查詢指令的情況下，為降低節(jié)點(diǎn)電能消耗， 10 / 22 江蘇物泰信息科技有限公司 節(jié)點(diǎn)不向用戶軟件終端發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。 圖 4 用戶發(fā)起主動(dòng)查詢 自動(dòng)預(yù)警 當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到異常情況，超過(guò)閾值時(shí)，將自動(dòng)向用戶軟件終端發(fā)出報(bào)警信息。報(bào)警信息可以經(jīng)多種方式 傳達(dá)到用戶。在報(bào)警動(dòng)作完成之后，相關(guān)森林防火人員可以借助如手持 GPS 設(shè)備等定位裝置，結(jié)合無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)部署時(shí)的 GPS 定位信息，快速實(shí)地查找到火險(xiǎn)位置，第一時(shí)間進(jìn)行處理。 圖 5 火險(xiǎn)報(bào)警與災(zāi)害點(diǎn)搜尋 周期性自檢 傳感器網(wǎng)絡(luò)中的所有傳感器節(jié)點(diǎn)都必須在規(guī)定周期向用戶軟件終端發(fā)送一條自檢信息，用于確定傳感器節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)維護(hù)。 11 / 22 江蘇物泰信息科技有限公司 3.1.3. 小結(jié) 用戶軟件終端是用戶直接接觸到的系統(tǒng)組成部分，也是呈現(xiàn)報(bào)警信息或進(jìn)行主動(dòng)查詢的平臺(tái)。用戶軟件終端基于 GIS 及 GPS 技術(shù)，協(xié)同顯示 節(jié)點(diǎn)位置與節(jié)點(diǎn)回傳的環(huán)境信息數(shù)據(jù)，以友好直觀的方式進(jìn)行監(jiān)控狀態(tài)呈現(xiàn)。 3.2. 基站 /網(wǎng)關(guān)部署方案 3.2.1. 基站 /網(wǎng)關(guān)功能 基站 /網(wǎng)關(guān)作為節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控平臺(tái)的通信橋梁，一方面向遠(yuǎn)端的用戶軟件終端轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的傳感器信息和報(bào)警信號(hào)；另一方面負(fù)責(zé)在節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行用戶軟件終端的控制命令。基站 /網(wǎng)關(guān)模塊即可以作為一個(gè)獨(dú)立設(shè)備，也可以集成傳感模塊，作為一個(gè)可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的傳感器節(jié)點(diǎn)存在。 圖 6 為一個(gè)具有基站 /網(wǎng)關(guān)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)。 圖 6 基站 /網(wǎng)關(guān)實(shí)物圖 基站 /網(wǎng)關(guān)具有以下功能： 與遠(yuǎn)端用戶軟件終端進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊，遞送節(jié)點(diǎn)的報(bào)警信號(hào)或傳感信息； 支持多節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，可支持 50 個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)容量； 12 / 22 江蘇物泰信息科技有限公司 根據(jù)不同應(yīng)用需要，可以通過(guò) USB 接口支持 3G， GPRS， WIFI 等通信方式； 支持多種供電渠道，支持交流供電、太陽(yáng)能供電、充電電池供電； 免安裝，易部署調(diào)試，具有網(wǎng)絡(luò)故障自動(dòng)重連機(jī)制； 抗干擾設(shè)計(jì)，適合電磁環(huán)境惡劣的應(yīng)用需求； 可煙霧、火焰、溫差、溫度、濕度傳感器模塊連接，執(zhí)行節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。 3.2.2. 技術(shù)可行性分析及解決方案 3.2.2.1. 硬件設(shè)計(jì)可行性分析及解決方案 由于森林防火指揮控制中心往往不在所監(jiān)測(cè)的森林區(qū)域里，或森林區(qū)域極大，檢測(cè)點(diǎn)與處于森林防火指揮控制中心的軟件終端距離極遠(yuǎn)，因此要求基站 /網(wǎng)關(guān)有遠(yuǎn)程的通信能力，能將自己覆蓋范圍的節(jié)點(diǎn)傳感信息和報(bào)警信號(hào)上傳到用戶軟件終端上。 因?yàn)榇蟛糠稚治恢闷h(yuǎn)，當(dāng)?shù)剡\(yùn)營(yíng)商信號(hào)覆蓋不全，或者信號(hào)不穩(wěn)定，所以要求基站/網(wǎng)關(guān)能同時(shí)支持 3G、 GPRS 或其它通信模塊，在聯(lián)通與移動(dòng)信號(hào)均無(wú)法接受時(shí)，還可以自搭建專有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行快速組網(wǎng)通信。 其硬件設(shè)計(jì)圖如 圖 7 所示： 圖 7 硬件模塊設(shè)計(jì)圖 13 / 22 江蘇物泰信息科技有限公司 基站 /網(wǎng)關(guān)模塊除了可以承擔(dān)與節(jié)點(diǎn)及用戶軟件終端的通信外，還留有功能擴(kuò)展接口，可支持相應(yīng)傳感模塊的集成。目前 3G、 GPRS 等通信技術(shù)已經(jīng)可以成熟應(yīng)用，而根據(jù)目前關(guān)于自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中也日益完善，因此自搭建專有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的方案在技術(shù)上可行。并且預(yù)留的硬件接口也可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情景，擴(kuò)展其他通信方式。 3.2.2.2. 軟件設(shè)計(jì)可行性分析及解決方案 根據(jù)上述硬件可行性分析及設(shè)計(jì)，基站 /網(wǎng)關(guān)的軟件功能模塊如下： 圖 8 軟件功能模塊 由 圖 8 所示，基站 /網(wǎng)關(guān)端軟件可分為四層。即： 操作系統(tǒng)層（底層）：主要用于進(jìn)程設(shè)計(jì)與文件管理，采用商業(yè)上成熟的操作系統(tǒng)有助于基站 /網(wǎng)關(guān)的穩(wěn)定運(yùn)行； 通信驅(qū)動(dòng)層（第二層）：實(shí)現(xiàn)跟用戶軟件終端間的交互； 協(xié)議層（第三層）：用于與節(jié)點(diǎn)通信，通過(guò)可配置的其它協(xié)議組件，可擴(kuò)展?jié)M足用戶的不同需求； 應(yīng)用層（第四層）：將節(jié)點(diǎn)傳感器信息和報(bào)警信號(hào) 轉(zhuǎn)發(fā)到用戶軟件終端，并執(zhí)行來(lái)自軟件終端的命令。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中，應(yīng)用層根據(jù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)類型不同，使用不同的轉(zhuǎn)發(fā)算法。對(duì)于報(bào)警信號(hào)，基站 /網(wǎng)關(guān)以最高優(yōu)先級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；對(duì)于周期性上報(bào)的數(shù)據(jù)，基站 /網(wǎng)關(guān)會(huì)等到收到全部節(jié)點(diǎn)的傳感數(shù)據(jù)再統(tǒng)一上報(bào)到軟件終端。命令執(zhí)行允許用戶隨時(shí)查看森林的各種傳感數(shù)據(jù)，通過(guò)點(diǎn)擊查看某節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前傳感數(shù)據(jù)，軟件終端會(huì)發(fā)送查詢命令到基站 /網(wǎng)關(guān)。執(zhí)行完查詢命令后，基站 /網(wǎng)關(guān)將查詢結(jié)果返回到軟件終端中。 14 / 22 江蘇物泰信息科技有限公司 基站 /網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)是有效支持其運(yùn)行的基礎(chǔ)，采用明朗的軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)可以清晰基站 /網(wǎng)關(guān)的功能，明確其任 務(wù)。 3.2.2.3. 供電方案可行性分析及解決方案 基站 /網(wǎng)關(guān)一般利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但是由于相比節(jié)點(diǎn)功耗而言，其功耗過(guò)高，而基站 /網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)非常關(guān)鍵，尤其是報(bào)警信號(hào)，因此基站 /網(wǎng)關(guān)需要穩(wěn)定可靠的電源支持。有以下兩種電源配送方案可以采用，適用于基站 /網(wǎng)關(guān)的供電。其解決方案有二種： 方案一：通過(guò)交流電供電，為基站 /網(wǎng)關(guān)提供穩(wěn)定電源，保證其正常工作，不會(huì)受到意外中斷。缺點(diǎn)是在林區(qū)提供電源困難，難以覆蓋所有區(qū)域。 方案二：使用大型蓄電池與較大型太陽(yáng)能電池協(xié)同供電，可靈活覆蓋所有區(qū)域。 3.2.3. 小結(jié) 基站 /網(wǎng)關(guān)作為信息中轉(zhuǎn)樞紐， 在整個(gè)系統(tǒng)中起到橋梁作用，溝通森林的實(shí)地信息與遠(yuǎn)端防火指揮中心，是整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。系統(tǒng)采用成熟技術(shù)與可靠設(shè)計(jì)方案，保障基站 /網(wǎng)關(guān)穩(wěn)定運(yùn)作。 3.3. 網(wǎng)絡(luò)架設(shè)方案 3.3.1. 網(wǎng)絡(luò)功能 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)部分包括兩個(gè)層次，第一層次即節(jié)點(diǎn)到基站 /網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸，第二層次即基站 /網(wǎng)關(guān)向用戶軟件終端上報(bào)數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)信息的傳遞與通信，是溝通系統(tǒng)各個(gè)模塊的關(guān)鍵，也是遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)獲取的唯一途徑。 3.3.2. 技術(shù)可行性分析及解決方案 3.3.2.1. 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)選擇 本森林火險(xiǎn)智能預(yù)警系統(tǒng)采用 ZigBee 無(wú)線方式將報(bào)警信號(hào)、傳感數(shù)據(jù)發(fā)送到基站 /網(wǎng)關(guān)；基站 /網(wǎng)關(guān)通過(guò) GPRS/3G 等多種方式傳送到遠(yuǎn)端用戶軟件終端。 本系統(tǒng)首選采用無(wú)線通信模式，相比之下，本項(xiàng)目采用的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有以下優(yōu)勢(shì)： 15 / 22 江蘇物泰信息科技有限公司 適性強(qiáng)：不受缺乏現(xiàn)成網(wǎng)絡(luò)、電力設(shè)施及復(fù)雜地形環(huán)境等森林特性的約束； 采用成熟的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，不需人工值守，遠(yuǎn)距離進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；可適用于大范圍森林地區(qū)，系統(tǒng)易部署且便于網(wǎng)絡(luò)維護(hù)； 超大節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)容量：每組網(wǎng)絡(luò)最多可支持 65536 個(gè)節(jié)點(diǎn)，滿足對(duì)森林大面積地毯式監(jiān)測(cè)需求； 低功耗網(wǎng)絡(luò)傳輸：面向節(jié)點(diǎn)的低功耗傳輸策略，可支持節(jié)點(diǎn)在電池供電及太陽(yáng)能板結(jié)合的情況下超長(zhǎng)時(shí)間工作； 高準(zhǔn)確度：協(xié)同網(wǎng)絡(luò) 在執(zhí)行監(jiān)測(cè)任務(wù)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確率可達(dá)到 99%。 根據(jù)不同的應(yīng)用需要，可以采用中高速傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，用于網(wǎng)絡(luò)搭建。 考慮到野外山林面積寬廣且環(huán)境復(fù)雜，離監(jiān)控中心距離遙遠(yuǎn)等不利因素，林區(qū)內(nèi)的環(huán)境監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸受到極大限制，因此需要建設(shè)獨(dú)立的通信網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)的有線通信網(wǎng)絡(luò)往往受到地形和經(jīng)濟(jì)條件的限制，無(wú)法在實(shí)際工作環(huán)境中得以應(yīng)用。相比之下，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋面積廣、架設(shè)方便、方便部署等特點(diǎn)，因此非常適合林區(qū)環(huán)境。利用可靠的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，各節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)能夠快速安全地傳送回監(jiān)控中心；不僅避免了火情發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，而且能夠大量減少對(duì)設(shè)備的前期建設(shè)和維護(hù)投入。 目前，廣泛使用的無(wú)線技術(shù)有： Wifi、 Bluetooth、 GPRS 和 ZigBee。其特點(diǎn)如 圖 9 所述： 方案 特點(diǎn) 速率 能耗 傳輸距離 Wifi 10 MB/S 0.5 W 100-200 米 Bluetooth 50 KB/S 0.12 W 10 米 ZigBee 250 KB/S 0.048 W 200 米 GPRS 20 KB/S 1 W 取決于當(dāng)?shù)剡\(yùn)營(yíng)商 圖 9 各無(wú)線網(wǎng)絡(luò)性能對(duì)比 由 圖 9 可知， Wifi 的傳輸速率雖然最高，但是其能耗大、傳輸距離短，且考慮森林防火監(jiān)測(cè)的實(shí)際情況，在實(shí)際應(yīng)用中不需要這么高的傳輸速率。因此， Wifi 在實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性上都不占優(yōu)勢(shì)。藍(lán)牙（ Bluetooth）技術(shù)主要面向移動(dòng)電話，因此其傳輸距離太短僅 10米。另外，藍(lán)牙依賴主從關(guān)系，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜且最多只能有 8 個(gè)節(jié)點(diǎn)，不適合需要大量監(jiān)控網(wǎng)點(diǎn)的防火監(jiān)控系統(tǒng)。 16 / 22 江蘇物泰信息科技有限公司 相比之下，針對(duì)山林的 環(huán)境特點(diǎn)， ZigBee 可適用于節(jié)點(diǎn)與基站 /網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)通信，GPRS 可適用于基站 /網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到用戶軟件終端。 在實(shí)施過(guò)程中，針對(duì) ZigBee 低功耗近距離的特點(diǎn)，在森林中安裝適量密度的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以監(jiān)測(cè)林中各個(gè)區(qū)域的煙霧濃度、溫度等數(shù)據(jù)。工作中，每個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅本身可以利用其連接的傳感器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)信息。這樣，遠(yuǎn)處節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)就能通過(guò)各個(gè)不同節(jié)點(diǎn)，逐步跳越，通過(guò)多跳途徑，最終傳送回監(jiān)控中心。 實(shí)際森林應(yīng)用中，部分節(jié)點(diǎn)可能因?yàn)楦鞣矫嬖驌p毀、丟失 或者受障礙物、天氣影響，使得原本的傳輸通道（如 圖 10）中斷。這時(shí)， ZigBee 采用的自組網(wǎng)通信方式就能發(fā)揮很大優(yōu)勢(shì)。自組網(wǎng)就是在通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)如果發(fā)生變化，網(wǎng)絡(luò)能夠自動(dòng)重新尋找通信對(duì)象，確定彼此間的聯(lián)絡(luò)（如 圖 11），對(duì)原有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行刷新。最后，成功將數(shù)據(jù)傳輸出去。 圖 10 原有傳輸路徑 圖 11 新選擇的傳輸路徑 17 / 22 江蘇物泰信息科技有限公司 3.3.2.2. 網(wǎng)絡(luò)部署方式設(shè)計(jì) 如 圖 1 所示，在網(wǎng)絡(luò)部署方面，可以采用中高速傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)信息向遠(yuǎn)端客戶軟件終端的直接傳達(dá)，也可以使用分組式部署方式?？紤]大規(guī)模部署的需要，可以優(yōu)先考慮分組式部署方式。將網(wǎng)關(guān)設(shè)備與若干節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)組群，可以協(xié)同工作協(xié)同管理。分組式的網(wǎng)絡(luò)部署方式便于網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，可以有效適應(yīng)大規(guī)模森林地區(qū)的監(jiān)測(cè)。 由于林區(qū)地理環(huán)境及位置的 特殊性，應(yīng)該考慮實(shí)地部署情況，包括地勢(shì)、風(fēng)向、可燃物種類等條件，根據(jù)實(shí)施地的具體情況進(jìn)行部署。在森林火險(xiǎn)發(fā)生可能性較大、易燃物密集程度較高的地區(qū)選擇部署高強(qiáng)度與密度的監(jiān)測(cè)組群，加強(qiáng)網(wǎng)關(guān) -節(jié)點(diǎn)組群內(nèi)的探測(cè)敏感度與傳輸優(yōu)先級(jí)別。例如，可以在易燃地帶或下風(fēng)口處等敏感地帶部署更多更密集的節(jié)點(diǎn)或集成更多樣化的傳感模塊，進(jìn)行交叉監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高監(jiān)測(cè)敏感度。 在以巖石等非易燃物占主要地理成分的區(qū)域內(nèi)，選用常規(guī)監(jiān)測(cè)組群。 3.3.3. 小結(jié) 本系統(tǒng)采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在不具備傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的森林地區(qū)進(jìn)行組網(wǎng)通信，同時(shí)考慮到森林地區(qū)的地 理環(huán)境與生態(tài)環(huán)境的復(fù)雜性，引入自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)中個(gè)別節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)突發(fā)情況時(shí)，仍能保證整個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的正常工作與基本覆蓋率。優(yōu)先考慮分組式網(wǎng)絡(luò)部署方案，依照部署位置的實(shí)地地理?xiàng)l件進(jìn)行有針對(duì)性的網(wǎng)絡(luò)部署架設(shè)。 3.4. 節(jié)點(diǎn)建設(shè)方案 3.4.1. 節(jié)點(diǎn)功能 節(jié)點(diǎn)通過(guò)搭載不同的傳感器可以收集相應(yīng)的環(huán)境數(shù)據(jù)，再通過(guò)無(wú)線信道發(fā)送到基站 /網(wǎng)關(guān)中。針對(duì)森林火險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)，其預(yù)警節(jié)點(diǎn)可以搭載如煙霧傳感器、火焰探測(cè)器、短時(shí)間內(nèi)溫差探測(cè)裝置、溫度、濕度傳感器等。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)也需要攜帶供應(yīng)其數(shù)據(jù)采集與發(fā)送的能量供應(yīng)模塊，如電池。典型的用于本系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)組成 如 圖 12 所示。 18 / 22 江蘇物泰信息科技有限公司 圖 12 傳感器節(jié)點(diǎn)基本組成 傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)攜帶的傳感模塊不同，節(jié)點(diǎn)的功能也不相同。應(yīng)用于本系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)以下基本功能： 同時(shí)支持森林煙霧、火光、瞬間溫差、溫度、濕度信息的探測(cè)與判斷； 超低功耗運(yùn)行：不采用太陽(yáng)能充電板的情況下，使用系統(tǒng)配置的電池可支持 1 年以上全天候不間斷運(yùn)行；配置全自動(dòng)太陽(yáng)能充電系統(tǒng)后，該系統(tǒng)可在充滿 1 對(duì)可用360 天的充電池，每對(duì) 充電池支持充放 1000 次以上。 具有無(wú)線自組網(wǎng)的功能，易部署、便于維護(hù)； 用戶自定義感應(yīng)閾值，超過(guò)閾值全自動(dòng)遠(yuǎn)程報(bào)警； 豐富的擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)及處理能力，可集成更多應(yīng)用，最多可同時(shí)支持 126 個(gè)傳感器模塊； 3.4.2. 技術(shù)可行性分析和具體實(shí)施方案 3.4.2.1. 傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì) 根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，在森林火險(xiǎn)發(fā)生時(shí)，當(dāng)前著火點(diǎn)及周邊的地理情況如位置、溫度、濕度、地表溫度、煙霧濃度等信息，都是救災(zāi)指揮人員迫切需要而不可得的重要信息。因此本火險(xiǎn) 19 / 22 江蘇物泰信息科技有限公司 預(yù)警系統(tǒng)需要在被監(jiān)測(cè)的森林地區(qū)部署大量的低速傳感節(jié)點(diǎn)。 這些低速傳感節(jié)點(diǎn)不僅在部署時(shí)就擁有明確的地理位置信息 ，而且能監(jiān)測(cè)該位置的溫度、濕度、煙霧濃度等，并能自動(dòng)將數(shù)據(jù)以無(wú)線方式轉(zhuǎn)送到基站，保證火險(xiǎn)的監(jiān)控的實(shí)時(shí)性。同時(shí)，中高速傳感器網(wǎng)絡(luò)也在考慮范圍之內(nèi)，根據(jù)應(yīng)用的需要，可以使節(jié)點(diǎn)采集到森林火險(xiǎn)信息后，直接將數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶軟件終端。 圖 13 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)如 圖 13 所示，該節(jié)點(diǎn)由低功耗的處理單元、低功耗 WPAN 基帶單元和煙霧及模擬信號(hào)處理單元組成。通過(guò) WPAN 基帶單元可 以無(wú)線傳送數(shù)據(jù)到基站 /網(wǎng)關(guān)，通過(guò)模擬信號(hào)處理單元可以根據(jù)需要加載不同的傳感器及 GPS 定位設(shè)備，如通過(guò)煙霧探頭可檢測(cè)覆蓋區(qū)域內(nèi)的煙霧情況。 該探頭采用光學(xué)迷宮設(shè)計(jì)，可屏蔽外界塵、蟲，光線的干擾，但不影響煙霧進(jìn)入。在無(wú)煙狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，功耗極低。只有煙霧進(jìn)入時(shí)，由于散射作用，才會(huì)喚醒節(jié)點(diǎn)，發(fā)射無(wú)線報(bào)警信號(hào)。 3.4.2.2. 傳感器節(jié)點(diǎn)供電模塊設(shè)計(jì) 即使不使用太陽(yáng)能電板充電策略，使用低功耗中央處理單元及低功耗 WPAN 基帶單元可使節(jié)點(diǎn)在不充電情況下，在森林中全天候不間斷運(yùn)行 360