CN109285312A - 基于无线传感器网络的森林防火监控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了基于无线传感器网络的森林防火监控系统，该系统包括监测模块、监控中心；监测模块用于采集森林防火监测区域内的环境监测数据并发送至监控中心。
Description
技术领域
本发明涉及森林防火技术领域，具体涉及基于无线传感器网络的森林防火监控系统。
背景技术
森林作为地球上不可替代的自然资源，在人类生存和发展中占有重要地位。森林火灾的发生不仅会对林业建设、生态环境造成严重影响，更会影响到一个国家的经济建设及社会的长久治安，影响到人民的生命财产安全，给国家及人民造成巨大经济损失。森林火灾具有蔓延快、扑救困难、突发性强等特点，一旦发生险情，很难受到控制，同时由于森林面积巨大，地形复杂，很难判断引燃的位置。因此，建立合理的森林防火监控系统，并对森林火灾进行预防尤为重要。
目前，国内通常采用的监控方法有地面巡护、瞭望台监测、航空巡护、卫星遥感等。地面巡护和瞭望台监测需要经验丰富的瞭望员大范围的监控，不仅受地形地势的限制，覆盖面小，且有死角和空白，效率非常低。航空巡护和卫星遥感则受自然条件限制，且成本极高。
发明内容
针对上述问题，本发明提供基于无线传感器网络的森林防火监控系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了基于无线传感器网络的森林防火监控系统，该系统包括监测模块、监控中心；监测模块用于采集森林防火监测区域内的环境监测数据，监测模块包括单个汇聚节点、四个中继节点和多个传感器节点，所述汇聚节点部署于设定的森林防火监测区域的中心位置，四个中继节点设置于森林防火监测区域中的不同位置，且四个中继节点与汇聚节点之间的距离相同，所述多个传感器节点按照实际监测需要部署于所述森林防火监测区域内；传感器节点负责采集环境监测数据并将环境监测数据发送至其中一个中继节点，中继节点将接收的环境监测数据单跳发送至汇聚节点，汇聚节点汇聚所接收的环境监测数据，并发送至所述监控中心。
在一种能够实现的方式中，传感器节点设有传感器模块，传感器模块包括以下传感器的一种或多种：
风向传感器，用于采集森林防火区域的风向信息；
视频摄像传感器，用于采集森林防火区域的视频信息；
烟雾传感器，用于采集森林防火区域环境中的烟雾浓度信息；
温湿度传感器，用于采集森林防火区域的环境温度和湿度信息。
其中，所述监控中心负责接收监测模块传输过来的数据，实时获取森林防火监控区域的环境信息及位置信息，当烟雾浓度及温湿度超过设定值时发出报警，监控中心便立即做出相应的应对措施。
在一种能够实现的方式中，所述监控中心包括用于存储环境监测数据的存储单元、用于显示环境监测数据的显示单元，以及用于分析环境监测数据是否超出对应的设定阈值的分析单元；所述监控中心还包括自动预警单元，用于在环境监测数据超出对应的设定阈值时发出报警。
本发明的有益效果为：利用无线传感器网络技术组成森林防火监控系统，减少了人工布设监测点的复杂性和难度，适用于人迹罕至、地形复杂的原始森林；采用风向传感器、温湿度传感器、烟雾浓度传感器及视频摄像传感器能够全面监测森林环境，将火灾防患于未发生之前，起到预防作用。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明一个示例性实施例的基于无线传感器网络的森林防火监控系统的结构示意框图；
图2是本发明一个示例性实施例的监控中心的结构示意框图。
附图标记：
监测模块1、监控中心2、存储单元10、显示单元20、分析单元30、自动预警单元40。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
参见图1，本发明实施例提供了基于无线传感器网络的森林防火监控系统，该系统包括监测模块1、监控中心2；监测模块1用于采集森林防火监测区域内的环境监测数据，监测模块1包括单个汇聚节点、四个中继节点和多个传感器节点，所述汇聚节点部署于设定的森林防火监测区域的中心位置，四个中继节点设置于森林防火监测区域中的不同位置，且四个中继节点与汇聚节点之间的距离相同，所述多个传感器节点按照实际监测需要部署于所述森林防火监测区域内；传感器节点负责采集环境监测数据并将环境监测数据发送至其中一个中继节点，中继节点将接收的环境监测数据单跳发送至汇聚节点，汇聚节点汇聚所接收的环境监测数据，并发送至所述监控中心2。
在一种能够实现的方式中，传感器节点设有传感器模块，传感器模块包括以下传感器的一种或多种：
风向传感器，用于采集森林防火区域的风向信息；
视频摄像传感器，用于采集森林防火区域的视频信息；
烟雾传感器，用于采集森林防火区域环境中的烟雾浓度信息；
温湿度传感器，用于采集森林防火区域的环境温度和湿度信息。
其中，所述监控中心2负责接收监测模块1传输过来的数据，实时获取森林防火监控区域的环境信息及位置信息，当烟雾浓度及温湿度超过设定值时发出报警，监控中心2便立即做出相应的应对措施。
在一种能够实现的方式中，如图2所示，所述监控中心2包括用于存储环境监测数据的存储单元10、用于显示环境监测数据的显示单元20，以及用于分析环境监测数据是否超出对应的设定阈值的分析单元30；所述监控中心2还包括自动预警单元40，用于在环境监测数据超出对应的设定阈值时发出报警。
其中阈值条件的设定，可以根据实际情况进行设置。在一种实施方式中，可针对不同环境监测数据设置不同的标准阈值，当环境监测数据超出对应的标准阈值判定该环境监测数据为异常，进而输出报警信息。其中，该报警信息可包括异常的环境监测数据，和/或异常的环境监测数据产生的位置。
本发明上述实施例的有益效果为：利用无线传感器网络技术组成森林防火监控系统，减少了人工布设监测点的复杂性和难度，适用于人迹罕至、地形复杂的原始森林；采用风向传感器、温湿度传感器、烟雾浓度传感器及视频摄像传感器能够全面监测森林环境，将火灾防患于未发生之前，起到预防作用。
在一种能够实现的方式中，将多个传感器节点按照实际监测需要部署于所述森林防火监测区域内后，将森林防火监测区域平均划分为多个方形的网格区域，按照监测需求强度为每个网格区域分配监测重要等级，所述的监测重要等级包括低级重要、中级重要和高级重要，设置低级重要对应的理论覆盖密度为0.8，中级重要对应的理论覆盖密度为1.0，高级重要对应的理论覆盖密度为1.2，计算每个网格区域为满足理论覆盖密度而需要部署的传感器节点数量，设Ti表示第i个网格区域为满足理论覆盖密度而需要部署的传感器节点数量，所述第i个网格区域中实际已部署的传感器节点数量为Ti0，若Ti0＜Ti，则在所述第i个网格区域中添加部署Ti-Ti0个传感器节点。
本实施例将多个传感器节点按照实际监测需要部署于所述森林防火监测区域内后，将森林防火监测区域平均划分为多个方形的网格区域，并基于监测需求强度为每个网格区域设置相应的理论覆盖密度，并按照理论覆盖密度计算网格区域应该设置的传感器节点数量，在实际部署的传感器节点数量小于该应该设置的传感器节点数量时，继续增添传感器节点。
其中，传感器节点模型采用布尔感知模型，传感器节点感知半径异构，任意传感器节点的感知半径在[Fmin，Fmax]范围内，其中Fmax和Fmin分为传感器节点感知半径的上下限；Ti的计算公式为：
式中，Gi为所述第i个网格区域对应设置的理论覆盖密度，Ki为所述第i个网格区域的面积大小；int为取整函数。
本实施例能够使得每个网格区域中的传感器节点部署都能够达到一定的网络覆盖密度，保障了监测需求，且相对于随机部署传感器节点的方式，优化了网络拓扑结构，进而提升无线传感器网络的监测性能。
在一个实施例中，完成传感器节点部署后，将设定的森林防火监测区域随机划分为C个虚拟网格区域，且使得各中继节点在不同的虚拟网格区域内；在不包含中继节点的虚拟网格区域中选取簇头；簇头负责收集所在虚拟网格区域内的各传感器节点采集的环境监测数据，每个簇头将收集的环境监测数据发送至距离最近的中继节点；在包含中继节点的虚拟网格区域中，各传感器节点将所采集的环境监测数据通过直接发送或者多跳发送的形式发送至对应的中继节点。
其中按照下列公式确定虚拟网格区域的划分数目C：
式中，G为所述森林防火监测区域的面积，So为中继节点到汇聚节点的距离，int为取整函数。
本实施例在不包含中继节点的虚拟网格区域中通过分簇的方式进行环境监测数据的收集，而在包含中继节点的虚拟网格区域中不进行组簇，有利于降低网络的整体能耗，同时避免不必要的分簇，节省分簇能耗，有效延长无线传感器网络的生命周期。
本实施例基于森林防火监测区域的实际情况，设计了森林防火监测区域划分成虚拟网格区域的数目的计算公式，根据该计算公式确定虚拟网格区域的数目，相对于随机设定的方式，优化了分簇的数目，有利于节省网内传感器节点的能耗，进而降低环境监测数据的采集成本。
在一种实施方式中，在不包含中继节点的虚拟网格区域中选取簇头，包括：
(1)计算虚拟网格区域的重心位置：
式中，Ub表示虚拟网格区域b的重心位置，x(d)表示所述虚拟网格区域b中第d个传感器节点所在位置的横坐标，y(d)为所述第d个传感器节点所在位置的纵坐标，其中以汇聚节点为坐标原点，nb为所述虚拟网格区域b具有的传感器节点个数；
(2)计算虚拟网格区域内各传感器节点担任簇头的概率，并选择概率最大的传感器节点作为该虚拟网格区域的簇头：
式中，Hbd为虚拟网格区域b中第d个传感器节点担任簇头的概率，为所述第d个传感器节点与重心位置Ub的距离，为虚拟网格区域b中第w个传感器节点与重心位置Ub的距离；为所述第d个传感器节点与中继节点的最小距离，为所述第w个传感器节点与中继节点的最小距离，r1、r2为设定的权重系数且r1＞r2。
本实施例通过将森林防火监测区域平均划分为多个虚拟网格区域，并计算每个虚拟网格区域的重心位置。本实施例提出了虚拟网格区域内各传感器节点担任簇头的概率的计算公式，该计算公式中，距离所在虚拟网格区域重心位置以及中继节点更近的传感器节点具有更大的概率担任该虚拟网格区域的簇头。
本实施例从每个虚拟网格区域中选择概率最大的传感器节点作为簇头，一方面能够保证簇头尽量均匀地分布在整个森林防火监测区域内，另一方面能够提升分簇结果的全局最优性能，节省簇头收集和传输环境监测数据的能量消耗，提高簇头进行环境监测数据收集工作的稳定性。
利用无线传感器网络技术组成森林防火监控系统，减少了人工布设监测点的复杂性和难度，适用于人迹罕至、地形复杂的原始森林；采用风向传感器、温湿度传感器、烟雾浓度传感器及视频摄像传感器能够全面监测森林环境，将火灾防患于未发生之前，起到预防作用。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (6)
1.基于无线传感器网络的森林防火监控系统，其特征是，包括监测模块、监控中心；监测模块用于采集森林防火监测区域内的环境监测数据，监测模块包括单个汇聚节点、四个中继节点和多个传感器节点，所述汇聚节点部署于设定的森林防火监测区域的中心位置，四个中继节点设置于森林防火监测区域中的不同位置，且四个中继节点与汇聚节点之间的距离相同，所述多个传感器节点按照实际监测需要部署于所述森林防火监测区域内；传感器节点负责采集环境监测数据并将环境监测数据发送至其中一个中继节点，中继节点将接收的环境监测数据单跳发送至汇聚节点，汇聚节点汇聚所接收的环境监测数据，并发送至所述监控中心。
2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的森林防火监控系统，其特征是，传感器节点设有传感器模块，传感器模块包括以下传感器的一种或多种：
风向传感器，用于采集森林防火区域的风向信息；
视频摄像传感器，用于采集森林防火区域的视频信息；
烟雾传感器，用于采集森林防火区域环境中的烟雾浓度信息；
温湿度传感器，用于采集森林防火区域的环境温度和湿度信息。
3.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的森林防火监控系统，其特征是，所述监控中心负责接收监测模块传输过来的数据，实时获取森林防火监控区域的环境信息及位置信息，当烟雾浓度及温湿度超过设定值时发出报警，监控中心便立即做出相应的应对措施。
4.根据权利要求3所述的基于无线传感器网络的森林防火监控系统，其特征是，所述监控中心包括用于存储环境监测数据的存储单元、用于显示环境监测数据的显示单元，以及用于分析环境监测数据是否超出对应的设定阈值的分析单元；所述监控中心还包括自动预警单元，用于在环境监测数据超出对应的设定阈值时发出报警。
5.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的森林防火监控系统，其特征是，将多个传感器节点按照实际监测需要部署于所述森林防火监测区域内后，将森林防火监测区域平均划分为多个方形的网格区域，按照监测需求强度为每个网格区域分配监测重要等级，所述的监测重要等级包括低级重要、中级重要和高级重要，设置低级重要对应的理论覆盖密度为0.8，中级重要对应的理论覆盖密度为1.0，高级重要对应的理论覆盖密度为1.2，计算每个网格区域为满足理论覆盖密度而需要部署的传感器节点数量，设Ti表示第i个网格区域为满足理论覆盖密度而需要部署的传感器节点数量，所述第i个网格区域中实际已部署的传感器节点数量为Ti0，若Ti0<Ti，则在所述第i个网格区域中添加部署Ti-Ti0个传感器节点。
6.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的森林防火监控系统，其特征是，完成传感器节点部署后，将设定的森林防火监测区域随机划分为C个虚拟网格区域，且使得各中继节点在不同的虚拟网格区域内；在不包含中继节点的虚拟网格区域中选取簇头；簇头负责收集所在虚拟网格区域内的各传感器节点采集的环境监测数据，每个簇头将收集的环境监测数据发送至距离最近的中继节点；在包含中继节点的虚拟网格区域中，各传感器节点将所采集的环境监测数据通过直接发送或者多跳发送的形式发送至对应的中继节点。
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Legal Events
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Inventor after: Zhang Xu Inventor after: Other inventor requests not to publish the name Inventor before: Request for anonymity |
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| GR01 | Patent grant | ||
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