CN104794845A - 基于火险等级预报的森林火灾预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于火险等级预报的森林火灾预警方法，包括第一层数据汇集与融合节点簇、第二层火险信息采集与广播节点簇和第三层辅助定位节点簇，还设有通信网关、数据库和GIS监测控制平台，第一层数据汇集与融合节点簇、第二层火险信息采集与广播节点簇和第三层辅助定位节点簇通过通信网关与数据库及GIS监测控制平台相连接，还设有具有定位与通信结构的扑火安全帽。本发明的结构简单、使用较为便捷，极大的降低系统功耗；可精确判断出火源位置信息，提高火险预警功能，同时配有扑火安全帽，可有效的提高扑火指挥的决策能力与调度效率，适用性好，实用性强。

Description

基于火险等级预报的森林火灾预警方法

技术领域

本发明属于森林火灾预警技术领域，具体涉及一种基于火险等级预报的森林火灾预警方法。

背景技术

森林在国民经济中占有重要地位，它不仅能提供国家建设和人民生活所需的木材及林副产品，而且还肩负着释放氧气、调节气候、涵养水源、保持水土、防风固沙、美化环境、净化空气、减少噪音及旅游保健等多种使命。同时，森林还是农牧业稳产高产的重要条件。

森林火灾的发生是一个极其复杂的自然因素与人为因素相互作用的结果，它涉及树种类型与分布状况、地形地貌的分布状况、水资源的分布状况、火险因子、居民活动范围的分布等。林火监测在森林保护工作中占有相当重要的地位，森林火灾监测主要以评价、规划、预测以及管理为特征，其主要任务是预测火灾的发生与减少火灾的影响。

近些年来，随着计算机、网络与通信、航空航天等技术的快速发展，我国森林火灾预测、监测技术等方面的技术，正在从人工向信息化，自动化方向发展，林火监测技术得到不断的完善。森林火灾监测措施通常分四个空间层次，即空间卫星、空中飞机、地面瞭望塔和巡护人员监测。现今，“3S”空间技术在森林防火管理中得到了广泛的应用，使用“3S”技术，可以实现森林资源信息的快速采集与处理，为森林防火提供较为精确的信息和强有力的辅助决策支持。但是，还是有一些局限性因素影响其监测效果。例如卫星遥感图像不能对同一地区实行全天候、全时段监控，因天气和卫星偏轨等因素的影响，火点定位精度较低，以致在监测中，存在判断失误的现象。存在的这些缺点降低了“3S”技术在森林火灾中的监测效果。飞机巡逻监测成本过高，而人工巡检、瞭望塔方式虽然简单易行，但需要投入大量财力、物力、劳力，存在防火人员主观麻痹大意、擅离岗位、无法实时监测、覆盖范围有限等诸多不利因素。

专利CN 103702444 B提出了一种基于传感网络的监测方案，但其传感网络数据流量大，电池能量消耗高等，加上野外环境中传感器误报率高等，需要人工核实，使用稳定性受到限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种预警及时准确性好、使用稳定性强且可有效降低功耗的基于火险等级预报的森林火灾预警方法。

实现本发明目的的技术方案是：一种基于火险等级预报的森林火灾预警方法，包括第一层数据汇集与融合节点簇、第二层火险信息采集与广播节点簇和第三层辅助定位节点簇，还设有通信网关、数据库和GIS监测控制平台，所述第一层数据汇集与融合节点簇、第二层火险信息采集与广播节点簇和第三层辅助定位节点簇通过通信网关与所述数据库及GIS监测控制平台相连接，还设有具有定位与通信结构的扑火安全帽，所述扑火安全帽的定位与通信结构通过通信网关与所述第三层辅助定位节点簇、GIS监测控制平台数据连接。

所述第三层辅助定位节点簇的簇首节点为火险信息采集节点，火险信息采集节点包括处理器，与所述处理器输出端相连接的无线通信器，与所述处理器输入端相连接的火焰传感器、温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、光照传感器、二氧化碳传感器、风力风向传感器，所述火焰传感器与所述第三层辅助定位节点簇相连接。

所述无线通信器包括网络接口、MAC接口和收发器。

所述温度传感器主芯片型号为单总线接口的DS18B20，所述温度传感器自上而下挂接在树上用于采集不同高度的温度系数，所述火焰传感器检测到火灾时，辅助定位节点与簇首节点将火焰围成三边，采用基于RSSI的加权质心三角定位算法实现火源定位。

还包括微型无人机，所述微型无人机上设有定位结构和通信结构，所述定位结构和通信结构均与通过通信网关与所述第三层辅助定位节点簇。

还包括用于供电的太阳能电池板和蓄电池，所述电阳能电池板固定在树顶上。

所述太阳能电池板上还设有避雷器。

所述第三层辅助定位节点簇为六边形或是四边形辅助定位节点簇拓扑。

本发明具有积极的效果：本发明的结构简单、使用较为便捷，其通过三层节点簇采用簇聚类算法，簇首向簇内节点组播火险等级，动态改变防火阈值及工作状态，极大的降低系统功耗；图形化的界面增加了人机交互的方便性和简易性，且可精确判断出火源位置信息，提高火灾预警功能，同时配有扑火安全帽，可有效的提高扑火指挥的决策能力与调度效率，适用性好，实用性强。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明的结构框图；

图2为一个防火隔离带的多层分簇拓朴结构图；

图3为本发明的火险信息采集节点硬件结构图；

图4为四边形辅助定位节点簇拓扑图；

图5为六边形辅助定位节点簇拓扑图。

具体实施方式

(实施例1)

图1至图5显示了本发明的一种具体实施方式，其中图1为本发明的结构框图；图2为一个防火隔离带的多层分簇拓朴结构图；图3为本发明的火险信息采集节点硬件结构图；图4为四边形辅助定位节点簇拓扑图；图5为六边形辅助定位节点簇拓扑图。

见图1至图5，一种基于火险等级预报的森林火灾预警方法，包括第一层数据汇集与融合节点簇1、第二层火险信息采集与广播节点簇2和第三层辅助定位节点簇3，还设有通信网关4、数据库5和GIS监测控制平台6，所述第一层数据汇集与融合节点簇1、第二层火险信息采集与广播节点簇2和第三层辅助定位节点簇3通过通信网关4与所述数据库5及GIS监测控制平台6相连接，还设有具有定位与通信结构7的扑火安全帽8，所述扑火安全帽8的定位与通信结构7通过通信网关4与所述第三层辅助定位节点簇3、GIS监测控制平台6数据连接。

所述第三层辅助定位节点簇3的簇首节点为火险信息采集节点，火险信息采集节点包括处理器9，与所述处理器9输出端相连接的无线通信器10，与所述处理器9输入端相连接的火焰传感器11、温度传感器12、湿度传感器13、烟雾传感器14、光照传感器15、二氧化碳传感器16、风力风向传感器17，所述火焰传感器11与所述第三层辅助定位节点簇3相连接。

所述无线通信器10包括网络接口101、MAC接口102和收发器103。

所述温度传感器主芯片型号为单总线接口的DS18B20，所述温度传感器自上而下挂接在树上用于采集不同高度的温度系数，所述火焰传感器检测到火灾时，辅助定位节点与簇首节点将火焰围成三边，采用基于RSSI的加权质心三角定位算法实现火源定位。

还包括微型无人机，所述微型无人机上设有定位结构和通信结构，所述定位结构和通信结构均与通过通信网关与所述第三层辅助定位节点簇。

还包括用于供电的太阳能电池板和蓄电池，所述电阳能电池板固定在树顶上。

所述太阳能电池板上还设有避雷器。

所述第三层辅助定位节点簇为六边形或是四边形辅助定位节点簇拓扑。

如图2所示，所述多层分簇拓扑结构中，依据节点功能将其分为数据汇集与融合节点、火险信息采集节点和辅助定位节点。

如图4及图5所示，利用单总线技术将多个温度传感器自上而下挂接在树上，分别采集森林不同高度空间的温度数据，有利于火险等级预报的准确性；辅助定位节点为簇内节点，连接火焰传感器，其工作状态由簇首播报的火险等级决定，探测火焰信息；拓扑为多边形，根据森林现场环境(如树木种类性质，地形等)，灵活选取拓扑形状布置节点，布设时结合GPS在地图上对节点的地理位置进行标记，附图4、附图5给出了六边形和四边形拓扑方法，在此用于示例性说明火源定位方法，但不构成对本专利的限定，当有其他多边形拓扑时，仍属于本专利范围内。当有火焰信息产生时，辅助定位节点与簇首将火焰围成三边，采用基于RSSI的加权质心三角定位算法，结合簇首所在位置，即可精确判断出火源位置信息。如图中A为簇首，B、C为辅助定位节点。当有火焰信息产生时，辅助定位节点与簇首将火焰围成三边，采用基于RSSI的加权质心三角定位算法，结合簇首所在位置，即可精确判断出火源位置信息。如

已知簇首A、辅助定位节点B、C位置，D点即为待定位火点位置，节点A、B、C火焰传感器监测到火源信息强度指数分别为Sa，Sb，Sc(为节点内部AD测量值滤波后所得)假设A(xa，ya，za)，B(xb，yb，zb)，C(xc，yc，zc)，则D点位置可由公式(1)求得

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{Xd}\\ \mathrm{Yd}\\ \mathrm{Zd}\end{array}\right]=\frac{\mathrm{Sa}}{S}\left[\begin{array}{c}\mathrm{Xa}\\ \mathrm{Ya}\\ \mathrm{Za}\end{array}\right]+\frac{\mathrm{Sb}}{S}\left[\begin{array}{c}\mathrm{Xb}\\ \mathrm{Yb}\\ \mathrm{Zb}\end{array}\right]+\frac{\mathrm{Sc}}{S}\left[\begin{array}{c}\mathrm{Xc}\\ \mathrm{Yc}\\ \mathrm{Zc}\end{array}\right]$   公式(1)

其中，S＝Sa+Sb+Sc

簇首A算出火源位置信息后，向第二层火险信息采集与广播节点簇首广播并激活邻近子簇，监控火源，告知GIS监控端。

在森林中广泛部署的第三层辅助定位节点簇中，选取地形相近，具有相似自然因素(如光照、降雨量等)和人为因素(如是否经常有人员出没，及人员种类等)的节点簇，聚类成一个第二层火险信息采集与广播节点簇，簇首负责采集并收集簇内其他子簇节点火险数据信息，并将数据本地处理，采用BP神经网络算法，将温度、湿度、光照等多传感器数据融合，根据我国森林防火气象等级模型，产生火险等级，并向簇内子簇首广播，火险数据信息采集与广播周期由森林火险等级决定；子簇首收到火险等级信息后，动态调整自身参数，包括报警阈值、定时休眠时间长度及是否打开辅助定位节点(其报警阈值、定时休眠时间长度等)等；簇首的选取原则为，在节点布设时，根据地形给节点设权，依据权值大小优先选取节点为簇首，根据其剩余电量决定该节点是否激活并取代原先的簇首节点担当簇首对该簇进行维持，并向上告知监控端。

在森林同一防火隔离带中，所有第二层火险信息采集与广播节点簇聚类成一个第一层数据汇集与融合节点簇，簇首与4G通信网关相连，汇集来自各个子簇的火险等级信息和传感器数据，进一步地将数据进行融合，去除冗余信息，减少数据通信量；将处理后的数据通过4G通信网关上传至GIS平台数据库。在服务器端，利用云计算的强大数据处理能力，对来自各数据汇集与融合层簇首的数据进行分析和运算，采用BP神经网络算法，依据我国森林防火气象等级模型，产生森林整体防火等级数据。

在实际使用中，所述的第二层火险信息采集与广播节点簇中簇首通过火焰传感器、温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、光照传感器、二氧化碳传感器、风力风向传感器等获取不同空间高度温度、湿度、烟雾浓度、光照强度、二氧化碳浓度、风力风向等森林环境气象数据，预处理纠错后，采用BP神经网络，将多传感器数据融合，依据我国森林防火气象等级模型产生森林火险等级，并向簇内子簇首广播，火险数据采集与广播周期由森林火险等级决定；子簇首收到火险等级信息后，动态调整自身参数，包括、报警阈值、定时休眠时间长度及是否打开辅助定位节点(其报警阈值、定时休眠时间长度等)等。森林火险等级一共五级，等级越高，森林发生火灾的风险越大，防火形式越严峻。在每一森林火险等级下，各子簇工作状态模式可在GIS监控平台灵活设定，此处为举例性说明各等级下的子簇工作状态。

注：防火阈值是指内部AD值，这里设定工作电压为3.3V。

此处举例假设产生的森林火险等级为三级，中度危险，可燃物较易燃烧，簇首火险信息采集与广播周期为12h，向簇内子簇首广播(包括其自身)，子簇首收到火险等级信息后，将自身防火阈值设为2.5V(火焰传感器阈值)，定时休眠时间为6h，同时，向辅助定位节点广播工作模式命令，设置防火阈值为2.5V(火焰传感器)，定时休眠时间为6h。其他第二层火险信息采集与广播节点簇产生森林火险等级过程类似。

在第二层火险信息采集与广播节点簇首产生森林火险等级数据后，将预处理纠错后的传感器数据和火险等级向第一层数据汇集与融合节点簇首单播。第一层数据汇集与融合节点簇首汇集来自各个子簇的火险等级信息和传感器数据，进一步地将数据进行融合，去除冗余信息，减少数据通信量；将处理后的数据通过4G通信网关上传至GIS平台数据库。在服务器端，利用云计算的强大数据处理能力，对来自各数据汇集与融合层簇首的数据进行分析和运算，采用BP神经网络算法，依据我国森林防火气象等级模型，产生森林整体火险等级数据。

本发明的结构简单、使用较为便捷，其通过三层节点簇采用簇聚类算法，簇首向簇内节点组播火险等级，动态改变防火阈值及工作状态，极大的降低系统功耗；图形化的界面增加了人机交互的方便性和简易性，且可精确判断出火源位置信息，提高火险预警功能，同时配有扑火安全帽，可有效的提高扑火指挥的决策能力与调度效率，适用性好，实用性强。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的实质精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于火险等级预报的森林火灾预警方法，其特征在于：包括第一层数据汇集与融合节点簇、第二层火险信息采集与广播节点簇和第三层辅助定位节点簇，还设有通信网关、数据库和GIS监测控制平台，所述第一层数据汇集与融合节点簇、第二层火险信息采集与广播节点簇和第三层辅助定位节点簇通过通信网关与所述数据库及GIS监测控制平台相连接，还设有具有定位与通信结构的扑火安全帽，所述扑火安全帽的定位与通信结构通过通信网关与所述第三层辅助定位节点簇、GIS监测控制平台数据连接。

2.根据权利要求1所述的基于火险等级预报的森林火灾预警方法，其特征在于：所述第三层辅助定位节点簇的簇首节点为火险信息采集节点，火险信息采集节点包括处理器，与所述处理器输出端相连接的无线通信器，与所述处理器输入端相连接的火焰传感器、温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、光照传感器、二氧化碳传感器、风力风向传感器，所述火焰传感器与所述第三层辅助定位节点簇子簇节点相连接。

3.根据权利要求2所述的基于火险等级预报的森林火灾预警方法，其特征在于：所述无线通信器包括网络接口、MAC接口和收发器。

4.根据权利要求3所述的基于火险等级预报的森林火灾预警方法，其特征在于：所述温度传感器主芯片型号为单总线接口的DS18820，所述温度传感器自上而下挂接在树上用于采集不同高度的温度系数，所述火焰传感器检测到火灾时，辅助定位节点与簇首节点将火焰围成三边，采用基于RSSI的加权质心三角定位算法实现火源定位。

5.根据权利要求4所述的基于火险等级预报的森林火灾预警方法，其特征在于：还包括微型无人机，所述微型无人机上设有定位结构和通信结构，所述定位结构和通信结构均与通过通信网关与所述第三层辅助定位节点簇。

6.根据权利要求5所述的基于火险等级预报的森林火灾预警方法，其特征在于：还包括用于供电的太阳能电池板和蓄电池，所述电阳能电池板固定在树顶上。

7.根据权利要求6所述的基于火险等级预报的森林火灾预警方法，其特征在于：所述太阳能电池板上还设有避雷器。

8.根据权利要求7所述的基于火险等级预报的森林火灾预警方法，其特征在于：所述第三层辅助定位节点簇为六边形或是四边形辅助定位节点簇拓扑。