基于GIS和WSNs的森林防火预警系统研究

孙公亮，刘红日，王敏，王希予，杨平

（哈尔滨理工大学荣成学院，山东威海 264300）

摘要：针对田间烧杂草以及墓区烧纸而引发的山火导致的森林火灾难以预警的特点，结合了GIS和WSN设计开发了森林防火预警系统.通过由各种传感器组成的无线传感器网络部署在被监控区域，能够检测该区域的CO、烟雾的浓度、火焰情况、温湿度等数据通过GRPS发送到监控端，并实时显示在屏幕上.能够帮助管理人员掌握监控地区的森林火灾等级，从而做到火灾的早期预警.

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关键词：GIS；WSNs；森林；防火；预警系统

中图分类号：P208；S762.3文献标识码：A文章编号：1673-260X（2015）07-0203-02

在北方的农村地区，在春天播种和秋天收割的季节，有在田间烧杂草的习惯，在刮风的时候，经常会引起山火.特别是在清明小长假前后，有到墓区烧纸祭奠亲人的习惯，每年都会引起山火.在山区，耕地和墓区和树林是连在一起或者是相互交错的，一旦出现山火，极有可能引发森林火灾.2014年5月29日国家4A级名胜风景区、国家级森林公园威海仙姑顶景区由于山火引发了森林火灾，火借风势迅速蔓延，断续火线一度达7公里左右.为了防止出现这样的森林火灾，有的地区采取了干部驻村，在通向墓区的主要道路上24小时监守的办法，给驻村干部带来了很大的生活不便和压力.对森林火灾监测进行需求分析，任何分析都依赖于系统所釆集的实时数据的真实性和准确性.整个森林火险预警系统中非常关键的一步便是：如何实时的、可靠的、安全的收集所需要的监测环境的数据信息[1].获取森林中实时的、可靠的数据信息是系统是否正常工作的基石.针对上述的问题，除了加强村民的文化教育以外，预防工作也是不可缺失的[2].结合当地的实际，设计了基于GIS和WSNs的森林防火预警系统.

建立森林火险预警系统是为了实时了解森林环境中的真实数据信息，通过系统分析数据信息得出森林中可燃物的生长状态和载量、气温变化、风力变化等一系列影响火灾的因素，实现对森林火灾发生之前的预警及发生火灾之后火灾蔓延的预测[3].根据火险预警系统结构和火险预警的工作流程，对火险预警系统进行分析设计.

1 整体设计

本系统的功能是通过在森林的入口处（包括墓区）部署无线传感器网络的方法，通过Zigbee将数据发送到中转设备（网关），网关将当前的环境信息发送到监控中心.监控中心通过解析数据，将多个监控区域的环境信息通过GIS显示在屏幕上.10个传感器节点分布在以半径100米的圆形区域内，其中一个节点做为汇集节点专门用来收集各个节点Zigbee发送来的数据，再经过Zigbee发送到网关.该网关设备可以是车载、手持也可以固定在某一个位置上.网关带有gps/BDS导航模块，能够将监控区域的位置发送到监控中心.

2 传感器节点的设计

传感器节点的功能是采集当前环境中的温度、湿度以及和火灾相关的CO、CO2浓度、火焰传感器等信息.这些信息通过Zigbee发送到汇集节点[4].同时也能够从汇集节点接受命令.该节点部署在野外，且无法集中供电，所以传感器节点的MCU采用的是TI公司的MSP430F149，低电压、超低功耗.工作电压3.6V~1.8V，正常工作模式280μA@1MHz，2.2V，待机模式1.6μA，RAM数据保存的掉电模式下0.1μA.本系统采用的是3.2V纽扣电池供电.本系统对温度和湿度的要求不是很高，采用的DHT11，它是一款有已校准数字信号输出的温湿度传感器.精度湿度+-5%RH，温度+-2℃，量程湿度20-90%RH，温度0~50℃.能够满足对环境温湿度的测定.采用TI公司的CC2530为核心的Zigbee模块，工作频率为2.4GHz，使用的协议为Z-Stack？协议栈 .传感器节点的硬件结构示意图如图2所示.

在森林火灾的初期，可燃物不充分燃烧，会产生大量的CO气体.MQ-7气体传感器用来监测CO，当空气中的CO浓度超过设定的阈值时，输出低电平，产生中断信号，MCU响应中断信号.烟雾是火灾的前兆和伴随产物.火灾作为无组织的燃烧过程，主要特点是不完全燃烧，其外在表现为大量的烟雾的产生.火灾初期这一现象尤为明显和突出，MQ-2烟雾传感器来检测空气中烟雾.[森林火灾的自动识别沈阳工业大学]传感器节点的实物图如图3所示.

3 网关设计

监控中心除了关心森林中的信息以外，还关心当前所监测森林的位置信息、风向、风速等气象因素.所以网关的作用除了接收监测节点发送的数据通过GPRS发送到服务器以外，还具有定位当前监控位置的经纬度、当前的风向和风速信息，并将这些信息通过GPRS发送到服务器；同时还可以保存监测节点所发的信息，森林的位置信息使用的GPS模块为和芯星通公司的UM220-III北斗/GPS双系统导航/授时模块，除了能够进行精确定位以外，还可以进行精确的授时.所采集的信息通过GPRS传输到公网固定IP的端口上，再经过端口映射发送到内网指定IP的端口上.中转设备系统采用Cortex-A8（ARM开发板）平台，移植Linux操作系统，并在系统开发应用程序.网关的实物图如图4所示.

4 监控端软件设计

监控端软件由两部分组成.第一部分为数据接收（服务器），系统开机以后自启动.考虑到森林防火节点比较多的情况，使用多线程编程技术实现.主线程通过Socket编程，侦听并接收GPRS发送到固定端口的数据；子线程对主线程收到的数据进行处理以后插入到数据库中.第二部分为数据显示，包括构建温度折线图（使用ZedGraph第三方控件）和地图构建，使用百度地图的JavaScriptAPI进行GIS系统开发[ ].当传感器节点检测得数据超标后，监控终端要对相对人员进行防火预警.

该部分提供的功能有：

（1）数据显示：显示各节点温度，经纬度，CO2与CO浓度，火焰大小.

（2）图形显示：温度折线图，地图经纬度定位数据显示.

（3）业务处理：对接收数据进行检验，对超出合理范围数据进行报警（弹出提示框），数据按年月日查询等.

软件使用截图如图5所示.