CN102231227A - 太阳能网格化林业防火监控预警系统 - Google Patents

Abstract

一种太阳能网格化林业防火监控预警系统，其特征在于，包括前端采集系统和监控中心，多个前端采集系统将采集的火情信息通过有线或无线方式传输到监控中心；所述的火情信息包括视频、烟雾和/或温度信息。本发明的优点是：避免了原始人工了望观察火情的局限，实现了林区管理数字化、科学化，大大减少了林业部门的费用支出和管理成本，提高了林区企业的效应。

Description

太阳能网格化林业防火监控预警系统

技术领域

本发明涉及一种太阳能网格化林业防火监控预警系统，主要用于森林防火。

背景技术

森林火灾是世界性的林业重要灾害之一，随着中国造林事业的不断发展，防火工作成为首要任务。森林防火必须贯彻“预防为主，积极扑救“的方针，真正做到早发现，早解决。目前，基于无线网络技术的远程无线监控系统，已广泛应用于森林防火监控领域，国内外同类研究开发概况是：

一、国际上现有的森林防火报警技术： 

1、德国：FIRE-WATCH森林火灾自动预警系统

德国投入使用的FIRE-WATCH森林火灾自动预警系统，正常监测半径10公里，安装该系统每套需7.5万欧元，而在勃兰登堡州安装需要120-130套，约1000万欧元。 

2、美国：护林飞机和红外遥感火灾预警飞机巡逻 

美国利用“大地”卫星在离地面大约705公里的轨道上绕地球运转，探测地面上的高温地区、浓烟地带以及火灾遗址。美国使用无人驾驶林火预警飞机进行24小时监测，虽获得了成功，但耗费了巨额资金。 

3、加拿大：加拿大采用卫星巡回监测系统 

加拿大采用从卫星上发射电磁射线检测林区温度，当检测出某一林区局部温度上升到150℃～200℃，红外线波长达3.7微米时，便是火灾前兆，立即测定具体温度，采取措施及时防火。同时，加拿大林区采用多架配备先进的直升飞机轮流监测森林火灾，飞行费每小时需5000-6000加元。 

国外的技术有的虽然可靠，但需要借助高空卫星，且施工太复杂；有的技术方案基础实施投资太大，多达几十万美元，投入成本过高，这些难以满足我国森林资源监测的实际需要。

发明内容

本发明旨在提供一种太阳能网格化林业防火监控预警系统，以解决现有技术存在的构造和施工复杂，投资和运行成本高的问题。

本发明的技术方案是：一种太阳能网格化林业防火监控预警系统，其特征在于，包括前端采集系统和监控中心，多个前端采集系统将采集的火情信息通过有线或无线方式传输到监控中心；所述的火情信息包括视频、烟雾和/或温度信息。

所述的前端采集系统为可移动的采集系统，包括能够转动的摄像机、太阳能与风能互补供电装置、智能信息处理装置、智能位置定位装置和前端微波收发装置，摄像机的信息输出端通过信息处理装置与前端微波收发装置的输入端连接，太阳能与风能互补供电装置供给摄像机、智能信息处理装置、智能位置定位装置和前端微波收发装置的电源；摄像机配有镜头。

所述的监控中心包括后端微波收发装置、网络交换机、主控计算机、监控终端、电视墙和UPS电源，后端微波收发装置的输出端通过网络交换机与主控计算机的接口连接，主控计算机通过视频解码器与电视墙连接，在主控计算机上连接一个或数个监控终端；所述各装置配备有UPS电源；所述的前端微波收发装置和后端微波收发装置或者由光纤传输系统代替。

所述的主控计算机装有网络视频管理系统、网格化地理信息系统、林火自动识别报警系统；利用前端采集系统中GPS位置信息，在地理信息系统里将每一个监控点进行地址编码，同时将每一个监控点的坐标直接落实在电子地图上，这样地理信息系统一旦接收到特定编码的数字云台回传的位置数据，通过建立特定的位置转换数学模型，实现网格化管理功能；系统也具备人工定位功能。

所述的主控计算机还通过另外的网络交换机与其他控制中心连接。

所述的主控计算机连接有投影仪和移动网关。

所述的前端采集系统还设有智能气象站和设备防盗装置，智能气象站和设备防盗装置的信号输出端分与所述的智能信息处理装置的对应接口连接；智能气象站发出的气息信息，通过信息处理装置自动控制摄像机采取相应的防护措施；设备防盗装置发出的防盗报警信息传输到监控中心。

所述的智能气象站主要组成部分有：气象传感器单元、气象数据采集器、通讯模块、供电系统和各种连接线，气象传感器单元的感应信号通过气象数据采集器输送到通讯模块，并通过通讯模块与所述的监控中心进行数据交换；智能气象站的供电系统单独设置，或由所述的太阳能供电装置供电。

每一所述的前端采集系统分别安装在森林中的不同防火监控点的塔架上，各防火监控点通过5.8GHz或2.4GHz宽带无线网桥设备配合定向天线与中继站相连，中继站通过无线网桥或有线光纤与设在街道/市局防火指挥中心的监控中心建立通讯联系。

还设有风力发电装置，与所述的太阳能供电装置采用一个充放电控制器统一进行控制。

本发明的优点是：避免了原始人工了望观察火情的局限，实现了林区管理数字化、科学化，大大减少了林业部门的费用支出和管理成本，提高了林区企业的效应。该系统特点有： 

1、数字回显云台结合GIS，网格化管理火点，精确经纬度定位。 

2、林火自动识别系统，实现火情自动报警。 

3、短信发布火情信息，及时迅速。 

4、野外设备防盗报警系统，有效防止设备丢失和人为破坏。

5、远距离微波传输，避免野外架线施工。 

6、智能太阳能供电，满足系统能源消耗。

附图说明

图1是本发明的总体结构框图；

图2是本发明的一个实施例的结构示意图；

图3是本发明的微波传输网络的总体结构示意图；

图4是本发明的智能气象站的总体构成示意图；

图5是本发明的发电装置的总体构成示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明一种太阳能网格化林业防火监控预警系统，包括前端采集系统A和监控中心2，分布在被监测的森林各处的多个前端采集系统A1……An将采集的火情信息通过有线（如光缆）或无线方式（包括3G、4G、EDGE、GPRS、CDMA等通信方式）传输到监控中心2；所述的火情信息包括视频、烟雾（通过烟雾传感器）和/或温度（通过红外测温）信息。

下面结合图2和图3，分布对本发明所述的各个组成部分进行详细说明。

1、前端采集系统A：由摄像机（包括镜头）、微波传输（收发）装置组成。可将前端采集系统的全部或部分装置固定在塔架上，也可安装在一个移动装置上（如活动支架或小车）。可在该移动装置上安装GPS定位模块，嵌入到前端采集系统上，通过GPS回传的角度经纬度,在地理信息中网格化管理前端。

红外测温采用了先进的温度探测作为基础，使用热成像对温度探测的灵敏度对所设定监测区域的温度做对比分析，当检测区域高于初始设定温度值时会输出报警信号。因为其采用了热成像对物体的热辐射作为成像基础，所以不会受到天气或环境的影响。可在恶劣环境下24小时不间断视频监控。

所述的前端采集系统A还设有智能气象站和设备防盗装置，智能气象站和设备防盗装置的信号输出端分与所述的智能信息处理装置的对应接口连接；智能气象站发出的气息信息，通过信息处理装置自动控制摄像机采取相应的防护措施。设备防盗装置采用现有技术，在有人盗窃前端采集系统A的任何装置时，设备防盗装置会发出的防盗报警信息传输到监控中心2。

参见图4，所述的智能气象站主要组成部分有：气象传感器单元、气象数据采集器、通讯模块、供电系统和各种连接线，气象传感器单元的感应信号通过气象数据采集器输送到通讯模块，并通过通讯模块与所述的监控中心进行数据交换；智能气象站的供电系统单独设置，或由所述的太阳能供电装置供电。

智能气象站是一种集传感技术、电子技术、数模技术和计算机技术为一体的地面气象自动遥测设备，它可替代现有的以机械为主、手工操作的气象测量仪器。

智能气象站主要用于林业气象观测，具有测量精确，稳定性高，环境适应性强等突出优点。系统采用太阳能电池板+后备电池组供电方式，可保证在野外无供电情况下连续工作。系统可自动测量大气温度、湿度、气压、风速、风向及雨量(可选)等基本气象要素，并也可根据需要增加特种传感器，进行云高、能见度、天气现象等的观测。

2、太阳能供电系统：由太阳能组件、控制器、蓄电池（组）组成。为了保证系统正常工作，对前端采集系统进行了分时供电，即白天与晚上的供电方式，以及无火状态下与有火状态下的工作方式，以保证设备耗电量为最小。

　　（1）太阳能组件：其作用是将太阳的辐射能量转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能组件的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。 

　　（2）控制器：控制器的作用是控制供电系统的工作状态，对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，在控制器上设有温度补偿电路和分时供电控制电路，利用光控开关或时控开关控制白天与晚上前端采集系统的工作方式，网格化森林监控范围，进行不同密度的监控。；利用火情信息或单独的温度传感器控制前端采集系统在无火状态下与有火状态下的工作方式，网格化森林监控范围，进行不同密度的监控和采集频率。 

（3）蓄电池：一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是将太阳能组件所供出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。 

参见图5，为了保证系统的正常供电，还可设有风力发电装置，与所述的太阳能供电装置采用一个充放电控制器统一进行控制，智能管理太阳能、风能，进行优化互补，构成太阳能与风能互补供电装置。

    风光互补可吸收自然界风力和太阳光热量为监控设备供电。风光互补系统具备了风能和太阳能产品的双重优点，没有风能的时候可以通过太阳能电池组件来发电并储存在蓄电池，有风能，没有光能的时候可以通过风力发电机来发电，储存在蓄电池。风光都具备时，可以同时发电。在白天可以利用太阳光和风力资源发电，晚上利用风力发电机发电，弥补了风能供电或太阳能供电的单一性，使供电系统更具稳定性和可靠性。运行的时候通过蓄电池向负载放电，为负载提供电力。供电开关无须人工操作，由智能时控器自动控制设备的开关时间及运行控制。 

    风光互补供电系统是一套独立供电系统，不受电源点的影响，也不需要开挖路面做埋管工程，现场施工和安装都很方便。综合经济效益好。

除了以上优点之外，相比传统供电方式，风光互补系统还具有节能减排、集约友好、无后期大量电费支出，免除电缆铺线工程、无需大量供电设施建设，个别损坏不影响全局、不受大面积停电影响，节约大量电缆开销、更免受电缆被盗的损失，智能控制、免除人工、施工简单、维护方便等优势。

3、微波传输系统

（1）主要由无线网桥、传输天线、供电系统、防雷接地系统等组成；

（2）单点传输示意图；

（3）多点传输示意图；

（4）微波传输核心采用无线网桥；

鉴于国家信息产业部的规定，2.4GHz/5.8GHz是国家开放的公用频段，不需要在国家无线电委员会申请和备案。因此我们采用工作在2.4GHz/5.8GHZ频率上的IEEE802.11产品作为无线桥接主干设备。由于此频段属于国家开放的公用频段，所以使用上是完全免费。此方案选用的无线传输设备，在没有阻挡的条件下，最大传输距离可达到10公里，全套设备正常工作时的最大功率低于25W， 每日总耗电量约为0.6Kw/h(千瓦/时)。

微波传输的整体网络结构如图3所示, 各防火监控点A1-An通过2.4GHz/5.8GHz宽带无线网桥设备配合定向天线与中继站B1、B2相连，中继站可通过无线网桥或有线光纤与街道/市局防火指挥中心（监控中心）2建立通讯。

4、网格化森林防火管理指挥中心（监控中心）系统

    监控中心2由主控计算机、网络视频管理系统、网格化地理信息系统、林火自动识别报警系统、传输系统（微波收发系统）、电视墙系统、UPS电源等组成。在监控中心2装有如下软件系统：

    （1）、森林火情自动报警软件系统：应用先进的数字图像处理和模式识别算法和技术对视频数据流进行分析，在森林背景下，提取烟火目标有效图像特征，使该软件系统实现了高概率的森林火情的自动识别，并具有较低的火情虚警率。软件可自动实时读取和控制各云台当前状态，在发现火情时，将云台自动停在对应的位置，在实时视频图像中自动用红框标出火情发生的位置，并向值班人员发出报警信号。

    （2）、GIS管理系统：使用自主研发的具有知识产权的GIS（Geographic Information System）引擎，以电子地图为基础,实现地图基本操作功能,通过各类空间操作和分析方法,采用三维电子沙盘功能查看山形地势,实现对森林火灾的分析预报,森林防火工作的动态管理，为防火提供直观的规划和决策支持。

    （3）、网格化火灾定位功能：利用前端采集系统中GPS位置信息，在地理信息系统里将每一个监控点进行地址编码，同时将每一个监控点的坐标直接落实在电子地图上，这样地理信息系统一旦接收到特定编码的数字云台回传的位置数据，通过建立特定的位置转换数学模型，实现网格化管理功能。同时，系统具备实现人工定位功能；

    (4)、辅助决策功能：GIS信息系统提供最近扑火队前往火情点最短路径以及通往现场的主要道路和通行能力,提供防火隔离带的位置及赶赴火场的时间等重要信息。系统配置设备网络管理系统，实现对各类设备的综合网络管理。完全数字化传输模式，方便与其他防火中心及其他森林防火管理相关部门连接。

（5）、监控中心的智能化控制：监控中心2主要实现对登录用户、分站设备的集中管理和视频图象解压，存储等功能。简单的中心由一个或数个监控终端组成，它们往往以分时形式完成一对一或一对多的视频监控任务。如果需要实现报警、录象等监控任务，中心设备可添加报警数据库服务器、数字录象数据库服务器以及多个监控终端和大量的辅助监控终端。这样，用户只需要在林业局调度中心，建立了一个视频系统服务器。局领导、总工和相关处室可利用现有的办公电脑建立分控终端。

在调度所和集控站也可方便地建立了数个监控终端。这些监控终端不用铺设专门微机和铺设视频/控制电缆，利用IE浏览器就可在办公室内监控辖区内的林区等不同地点，通过视频系统服务器完成用户管理;机务段、摄象机分组;遥控优先级设置和调度;视频图象的存储、检索和回放等功能。

系统提供的电子地图模块，随监控中心服务器软件一起运行，在网上任意客户端用IE浏览器即可观看图像，可方便的察看各监控现场，直观的显示各级地图;值得一题的是，本套视频系统采用了WEB技术和标准，可与企业MIS系统等其它系统兼容，成为企业内部信息管理的一个重要的组成部分。 

Claims (10)

1.一种太阳能网格化林业防火监控预警系统，其特征在于，包括前端采集系统和监控中心，多个前端采集系统将采集的火情信息通过有线或无线方式传输到监控中心；所述的火情信息包括视频、烟雾和/或温度信息。

2.根据权利要求1所述的太阳能网格化林业防火监控预警系统，其特征在于，所述的前端采集系统为可移动的采集系统，包括能够转动的摄像机、太阳能与风能互补供电装置、智能信息处理装置、智能位置定位装置和前端微波收发装置，摄像机的信息输出端通过信息处理装置与前端微波收发装置的输入端连接，太阳能与风能互补供电装置供给摄像机、智能信息处理装置、智能位置定位装置和前端微波收发装置的电源；摄像机配有镜头。

3.根据权利要求2所述的太阳能网格化林业防火监控预警系统，其特征在于，所述的监控中心包括后端微波收发装置、网络交换机、主控计算机、监控终端、电视墙和UPS电源，后端微波收发装置的输出端通过网络交换机与主控计算机的接口连接，主控计算机通过视频解码器与电视墙连接，在主控计算机上连接一个或数个监控终端；所述各装置配备有UPS电源；所述的前端微波收发装置和后端微波收发装置或者由光纤传输系统代替。

4.根据权利要求3所述的太阳能网格化林业防火监控预警系统，其特征在于，所述的主控计算机装有网络视频管理系统、网格化地理信息系统、林火自动识别报警系统；利用前端采集系统中GPS位置信息，在地理信息系统里将每一个监控点进行地址编码，同时将每一个监控点的坐标直接落实在电子地图上，这样地理信息系统一旦接收到特定编码的数字云台回传的位置数据，通过建立特定的位置转换数学模型，实现网格化管理功能；系统也具备人工定位功能。

5.根据权利要求4所述的太阳能网格化林业防火监控预警系统，其特征在于，所述的主控计算机还通过另外的网络交换机与其他控制中心连接。

6.根据权利要求4所述的太阳能网格化林业防火监控预警系统，其特征在于，所述的主控计算机连接有投影仪和移动网关。

7.根据权利要求2所述的太阳能网格化林业防火监控预警系统，其特征在于，所述的前端采集系统还设有智能气象站和设备防盗装置，智能气象站和设备防盗装置的信号输出端分与所述的智能信息处理装置的对应接口连接；智能气象站发出的气息信息，通过信息处理装置自动控制摄像机采取相应的防护措施；设备防盗装置发出的防盗报警信息传输到监控中心。

8.根据权利要求2所述的太阳能网格化林业防火监控预警系统，其特征在于，所述的智能气象站主要组成部分有：气象传感器单元、气象数据采集器、通讯模块、供电系统和各种连接线，气象传感器单元的感应信号通过气象数据采集器输送到通讯模块，并通过通讯模块与所述的监控中心进行数据交换；智能气象站的供电系统单独设置，或由所述的太阳能供电装置供电。

9.根据权利要求1所述的太阳能网格化林业防火监控预警系统，其特征在于，每一所述的前端采集系统分别安装在森林中的不同防火监控点的塔架上，各防火监控点通过5.8GHz或2.4GHz宽带无线网桥设备配合定向天线与中继站相连，中继站通过无线网桥或有线光纤与设在街道/市局防火指挥中心的监控中心建立通讯联系。

10.根据权利要求1所述的太阳能网格化林业防火监控预警系统，其特征在于，还设有风力发电装置，与所述的太阳能供电装置采用一个充放电控制器统一进行控制。

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