CN109697820B - 一种分布式林区火灾预警引导方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式林区火灾预警引导方法和系统，该方法包括，配置各节点并通过无线通讯自组织而形成的无线网络的无线网络自组织步骤，配置便携终端并使其接入无线网络和显示引导结果的便携终端配置步骤，节点向网络内广播引导信号的预警步骤，根据引导节点在网络中的相对位置并结合终端的当前位置显示实时移动引导信息的引导步骤。本发明的系统和方法，基础监测节点结构简单，成本较低，可以大范围覆盖；部署灵活简单，可根据森林的具体情况部署相应的监测网络，大大提高了有效监测面积；实现了实时监控，及时发现火灾隐患并报警，引导人员处理，可以尽早控制火情，减少损失；并且系统部署和维护的成本都非常低，有利于实际推广应用。

Description

一种分布式林区火灾预警引导方法及系统

技术领域

本发明涉及一种火灾报警设备，特别涉及一种利用无线通讯组成网络、测距定位来进行火情报警和位置引导的方法和系统。

背景技术

森林对于一个国家是十分重要的资源和财富，然而火灾则是威胁森林安全的重要因素之一，一旦发生火灾，就会使广袤的森林瞬间消失，给国家和生态环境造成十分惨重的损失。另外，由于土地没有了植被的扎根，将会造成水土流失问题，人类将受到干旱、洪涝等灾害的威胁，还会对农业生产造成影响；在有居民居住、田地的地方发生森林火灾，也会造成房屋、粮食和牲畜的损害，还有可能造成其他动植物被烧伤或死亡；并且，一旦发生森林火灾，灭火过程浪费了大量的人力和物力，还会耽误正常的生产运作，严重的还会发生人员伤亡，给群众和政府带来巨大的损失。

基于此，森林火灾预警的重要性是当前林业工作中非常重要的一个方面。

以往大部分的森林消防太过依赖消防员的巡视（以人工瞭望和实地巡查为主），或有限的监控，监控方式比较原始，时效性差，不能及时发现并消灭火灾隐患，往往火灾3~20小时后才能够被发现，此时火势通常会蔓延开后并可能控制，造成严重损失。

近些年，我国也已将卫星监测、红外探测等高科技手段应用在森林防火工作中，大大提高了森林防火工作的现代化程度；同时，不断提高森林的防火技术，大力加强对于防火带的建设，为森林防火任务提供了坚实的保障。例如，CN106205009A公开了一种森林防火视频监控系统，该监控系统通过在森林中设置若干监控点，在管理端设置监控中心，两者通过无线网络相连接；通过相应的软件监控和分析，来实现火灾预警的目的；CN106504464A公开了基于红外热成像的森林防火监测系统及信息融合方法，主要通过热成像红外摄像机和相应的分析软件，从而实现准确地监测森林火灾的目的；CN106503480A公开了一种静止卫星火灾遥感监测方法，其主要是通过采集静止卫星数据并进行计算以判断林区是否有火灾发生并及时提供预警；CN107146363A公开了一种基于无人机的森林消防火灾预警与救援指挥系统，该系统包括若干架无人机，无人机上安装有多波段微波辐射计和红外热成像仪，从而实现火灾预警和救援指挥。

上述各种森林火灾预警系统和方法中，传统的预警方法时效性差，不能及时发现和消灭火灾隐患，新型的方法多采用视频、红外、遥感等方法进行感应，其对于已经蔓延的火灾一般预警效果较好，对于火灾初期的隐患往往感应效果不佳，并且更为重要的是，其实现成本高、不利于推广，预警的结果下发后巡林员也很难第一时间达到处理。

因此，亟需一种可以及早发现初期火势，发出警报，并引导人员前往处理的森林火灾预警系统和方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能及早发现初期火势，发出警报，并引导巡林人员快速、准确地前往处理的森林火灾预警引导方法和系统。

为实现上述目的，本发明所采用的方案是：

一种分布式林区火灾预警引导方法，其包括以下步骤：

无线网络自组织的步骤，配置各节点并将其分别部署于待监测的林区范围内，并使得所有节点间的距离满足无线组网要求，从而形成了由若干个节点通过无线通讯自组织而形成的无线网络；

便携终端配置的步骤，配置便携终端包括无线通信模块和人机交互模块，所述无线通信模块可与监测节点通信连接以将便携终端接入无线网络，人机交互模块用于显示引导结果和执行办公交流；

预警的步骤，当某一监测节点发出引导信号时，其向外广播引导信号并通过无线通讯在无线网络内传递，监测节点收到该信号后向其邻近节点广播，便携终端通过无线通信模块自网络中接收该信号并在人机交互界面上予以显示；

引导的步骤，根据火灾节点在网络中的相对位置，并结合便携终端当前的位置及移动情况，引导计算并显示火灾节点的位置和方向以及便携终端当前的移动速度和方向等信息，从而可以引导巡林员快速、准确地到达火灾节点。

作为优选，所述引导的步骤具体包括：

根据便携终端与邻近两固定节点的通讯信号计算信息发送及应答返回时间差计算节点间的距离值，以形成一个三角形网络；

当终端移动后再一次计算距离值并形成新的三角形网络，并相对于终端的正前方定位三角网络，以完成网络初始定位；

终端按其更新频率不断定位其网络，并按最近三角形网络调整无线网络相对于终端正前方的位置显示；

终端收到引导信号后，根据引导节点在网络中的位置以及其自身位置，在人机交互界面上显示引导节点的方位信息，并规划和显示最佳行进线路。

作为优选，所述距离值按以下公式计算：

S=（（（T1-T0）-t）*c）/2

其中，T1为接收时间，T0为发送时间，t为处理和等待时间，c为光速常数。

作为优选，所述监测节点被配置为包括无线通信模块和火灾预警模块，所述无线通信模块用于通过无线通信方式与其他监测节点通信连接，火灾预警模块用于感应和监测各节点周围适当范围内的环境信号，以监测是否有火灾发生。

作为优选，所述无线网络自组织的步骤还包括，配置监测节点使得各监测节点至少与周边至少一个其他监测节点在通信距离范围内。

一种分布式林区火灾预警系统，其包括监测节点单元和便携终端；其特征在于，所述监测节点单元分布地部署于林区范围内，并通过无线自组织的方式组成对等网络，以用于网络定位并实现网内的数据传输；便携终端包括无线通信装置和人机交互装置，其一方面接入无线网络中以及实现自身定位，另一方面还可在网内收发数据信号。

作为优选，所述监测节点单元包括：传感器组、微处理系统、射频模块和电源；

传感器组包括火焰探测器、烟雾报警器、温度传感器等各种类型的传感器，微处理系统用于数据采集及A/D转换，射频模块接收外部无线指令并将传感器检测到的被测参量数据信息无线发送出去，电源为一次电池或可充电电池。

作为优选，所述便携终端还包括引导模块，其包括：

初始三角网络配置模块，用于根据便携终端与邻近两固定节点的通讯信号计算信息发送及应答返回时间差计算节点间的距离值，以形成一个三角形网络；

三角网络定位模块，用于当终端移动后再一次计算距离值并形成新的三角形网络，并相对于终端的正前方定位三角网络，以完成网络初始定位；

更新模块，用于使终端按其更新频率不断定位其网络，并按最近三角形网络调整无线网络相对于终端正前方的位置显示；

引导计算模块，用于在终端收到引导信号后，根据引导节点在网络中的位置以及其自身位置，在人机交互界面上显示引导节点的方位信息，并规划和显示最佳行进线路。

作为优选，所述初始三角网络配置模块按以下公式计算距离值：

S=（（（T1-T0）-t）*c）/2

其中，T1为接收时间，T0为发送时间，t为处理和等待时间，c为光速常数。

本发明的无线自组网分布式林区火灾预警引导系统和方法，具有以下特点：

1、网络规模大，节点数量多，精确度高，灵活性强；从而可以布提高整体监测的精确度、降低对单个节点的精确要求、大量冗余节点的存在使得系统有较强的容错性。

2、 自组织网络：由于无线传感器节点额位置布设前不能事先确定，节点之间的互相邻居关系也不能事先确定，因此要求无线传感器节点具有自组织能力，能够自动进行配置管理。实现的方法是通过拓扑控制机制和网络路由协议自动形成能够转发数据的多跳无线网络系统。

3、可靠性强，传感器节点本身硬件结构可靠、网络结构可靠、软件可靠，并且各节点的维护和更换也非常容易，其还可以避免单点失效问题。

4、性价比高，降低有线传输成本，随着技术的发展，传感器成本低，维护也相对容易。

总之，本发明的系统和方法，基础监测节点结构简单，成本较低，可以大范围覆盖；其使用了无线通信的监测节点，部署灵活简单，可根据森林的具体情况部署相应的监测网络，大大提高了有效监测面积；实现了实时监控，及时发现火灾隐患并报警，引导人员处理，可以尽早控制火情，减少损失；并且系统部署和维护的成本都非常低，有利于实际推广应用。

附图说明

图1是组网后的火灾预警引导示意图；

图2是引导模块的引导示意图；

图3是终端定位界面的显示示意图；

图4是终端显示的当前运动方向指示示意图；

图5是测距时消息往返示意图；

图6是定位三角网络示意图，其中S_AB、S_BC、S_AC分别是AB、BC和AC间的距离值；

图7是网络定位示意图；

图8是运动节点X在固定节点网络中的定位过程示意图；

图9是预警引导示意图；

图10是本发明某一实施例的节点结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明，从而对本发明要求保护的范围作出更清楚地限定，下面就本发明的某些具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，以下仅是本发明构思的某些具体实施方式仅是本发明的一部分实施例，其中对于相关结构的具体的直接的描述仅是为方便理解本发明，各具体特征并不当然、直接地限定本发明的实施范围。本领域技术人员在本发明构思的指导下所作的常规选择和替换，均应视为在本发明要求保护的范围内。

一种分布式林区火灾预警引导方法，其包括以下步骤：

监测节点配置的步骤，配置监测节点包括无线通信模块和火灾预警模块，所述无线通信模块用于通过无线通信方式与其他监测节点通信连接，火灾预警模块用于感应和监测各节点周围适当范围内的环境信号，以监测是否有火灾发生。所述监测节点被配置为包括无线通信模块和火灾预警模块，所述无线通信模块用于通过无线通信方式与其他监测节点通信连接，火灾预警模块用于感应和监测各节点周围适当范围内的环境信号，以监测是否有火灾发生。

监测网络自组织的步骤，于林区内分布部署若干个监测节点，并保证各监测节点至少与周边至少一个其他监测节点在通信距离范围内；最佳地，各监测节点与周边其他节点均在通信范围内。通信范围取决于天线的功率，可以根据需要选择使得各监测节点的通信距离相同或不同。各监测节点部署完成后，节点间相互通信以自组织形成对等的无线通信网络，并标记各个监测节点的相对位置，从而完成了一张完成的监测网络。

便携终端配置的步骤，配置便携终端包括无线通信模块和人机交互模块，所述无线通信模块可与监测节点通信连接以将便携终端接入无线网络，人机交互模块用于显示引导结果和执行办公交流。

预警的步骤，当某一监测节点监测到引导信号（包括：火灾信号、维修信号和主动指引信号）时，其向外广播该引导信号并通过无线自组织网络在网内传递，便携终端收到包括火灾节点信息的火灾预警信号，从而实现火灾即时预警的功能。

引导的步骤，根据引导节点在网络中的相对位置，并结合终端节点当前的位置及移动情况，计算并显示引导节点的位置、方向以及终端节点当前的移动速度、方向等信息，从而可以引导巡林员快速、准确地到达火灾节点。

更佳地，所述引导的步骤具体还包括：

根据便携终端与邻近两固定节点的通讯信号计算信息发送及应答返回时间差计算节点间的距离值，以形成一个三角形网络；

当终端移动后再一次计算距离值并形成新的三角形网络，并相对于终端的正前方定位三角网络，以完成网络初始定位；

终端按其更新频率不断定位其网络，并按最近三角形网络调整无线网络相对于终端正前方的位置显示；

终端收到引导信号后，根据引导节点在网络中的位置以及其自身位置，在人机交互界面上显示引导节点的方位信息，并规划和显示最佳行进线路。

所述距离值按以下公式计算：

S=（（（T1-T0）-t）*c）/2

其中，T1为接收时间，T0为发送时间，t为处理和等待时间，c为光速常数。

一种分布式林区火灾预警引导系统，其包括监测节点单元和便携终端；所述监测节点单元分布地部署于林区范围内，并通过无线自组织的方式组成对等网络，以用于网络定位并实现网内的数据传输；便携终端包括无线通信装置和人机交互装置，其一方面接入无线网络中以及实现自身定位，另一方面还可在网内收发数据信号。在整个引导系统中，所有监测节点和终端是处于对等地位的，监测节点用于相互通讯以定位、测距和传递数据，终端接入网络及定位、没跟和收发信号，从而使得某一节点的信号可以经由该无线网络传输至终端上，终端通过其实时相对位置和信号节点的相对位置，以及整体的网络节点位置计算并显示引导信息。

监测节点单元包括：传感器组、微处理系统、射频模块和电源。传感器组包括火焰探测器、烟雾报警器、温度传感器等各种类型的传感器，当然也包括各传感器的调理电路以将传感器输出的变化量转换成能与A/D转换器相适配的0~2.5 V或0~5 V的电压信号。此外，各传感器及其调理电路优选为低功耗型产品，以提升电池续航时间。微处理系统用于数据采集及A/D转换，其优选亦为低功耗的单片微处理器系统以适应林区的工作条件，例如美国德克萨斯州仪器（TI）公司生产的MSP430－F149A超低功耗混合信号处理器(Mixed SignalProcessor)， 它内部自带采样/保持器和12位A/D转换器， 可对信号进行采集、 转换以及对全节点系统进行指令控制和数据处理。射频模块接收外部无线指令并将传感器检测到的被测参量数据信息无线发送出去，例如TI公司的CC2420无线收发芯片。由于林区供电难度大成本高，采用电池供电是较佳的实施方式，电源可以采用一次电池、充电电池，或者进一步包括太阳能充电模组以对二次电池进行充电。而就结构上来说，监测节点可以采用如图9所示的装置，其整体形圆柱体或类似形状，上部为透明罩壳以供光线传感器或摄像机设置于其中，下部为网状外壳以供烟雾传感器设置，天线外置于主体外。

便携终端为专用终端设备，或是具有连网功能且安装有相应APP的智能设备（例如智能手机）。便携终端一方面通过其无线模块接入自组织的无线网络中，实现入网和定位功能，另一方面其还包括人机交互系统，可以显示引导信息、发送或接收其他终端发送的信息，从而实现在火灾时引导巡林员快速、准确地到达火灾节点，或者使得巡林员经由便携终端进行即时交流以方便日常工作或是火灾时统一救援。

引导模块包括测距单元，测距单元向另一节点发送消息，消息中包括发送时间和发送节点，相邻节点收到该消息后作出应答消息，应答消息中包含原消息外还包括其处理和等待时间，原发送节点收到应答消息后记录接收时间，并根据以下公式计算两节点间的距离：

S=（（（T1-T0）-t）*c）/2

其中，T1为接收时间，T0为发送时间，t为处理和等待时间，c为光速，其为常数。

测距单元间隔一个测距单位时间进行一次测距操作，并根据测距结果实时更新无线网络。

引导模块还包括引导单元，其用于选择两个固定节点和当前终端作为第三节点，以形成引导三角网络，由于固定节点的位置是不动的，通过两次测距即可分别得到前一次测距时终端节点的位置和后一次测距时终端节点的位置，以前一次位置为起点而后一次位置为终端形成一矢量，该矢量的方向即是本次测距时间内终端的移动方向，其数值即为移动速度。在引导过程中，每次测距所使用的固定节点可以是一直不变的，也可以是不断变化的。

并且，火灾节点在整体网络中的相对位置是已知的，其会在终端上予以显示，包括显示其具体位置或是相对方向。

该报警系统的部署和使用过程如下：

配置各节点并将其分别部署于待监测的林区范围内，并使得所有节点间的距离满足无线组网要求，从而形成了由若干个节点通过无线通讯自组织形成的无线网络（如图1所示）。

配置便携终端，使其包括通讯模块和人机交互模块。

所述人机交互模块包括引导模块，引导模块包括定位图模块，定位图模块的中心为终端所处位置，并且终端还包括陀螺仪，以解算出当前相对于终端正前方的运动方向和速度。

引导模块还包括测距模块，其用于依据消息返回时间差计算两节点间的距离，具体来说，

当两个固定节点出现在连接范围后，通过上述测距模块可以分别测出终端与两固定节点间的距离，而两固定节点间的距离也是已知的，据此可以得到一个三角形网络，但此时并不确定终端节点的方位。

当终端节点沿某一方向移动一定时间（距离后），测距模块进行第二次测距，同样通过测距模块计算出此时的距离而得到新的三角形网络；此时，即可以相对于终端的正前方定位三角网络，以完成网络初始定位。并且，在第二次测距完成后，调整在人机交互界面上无线网络相对于终端正前方的位置显示，即对于显示的信息进行实时更新。

当网络中某一节点发出预警信号时，其在终端正前方相对方位上会出现预警标志，并根据系统存储的路径信息，规划出合理的前进路径。

该系统的基础的监测节点结构简单，成本较低，可以大范围覆盖；其使用了无线通信的监测节点，部署灵活简单，可根据森林的具体情况部署相应的监测网络，大大提高了有效监测面积；实现了实时监控，及时发现火灾隐患并报警，引导人员处理，可以尽早控制火情，减少损失。

Claims (9)

1.一种分布式林区火灾预警引导方法，其包括以下步骤：

无线网络自组织的步骤，配置各节点并将其分别部署于待监测的林区范围内，并使得所有节点间的距离满足无线组网要求，从而形成了由若干个节点通过无线通讯自组织而形成的无线网络；

便携终端配置的步骤，配置便携终端包括无线通信模块和人机交互模块，所述无线通信模块与监测节点通信连接以将便携终端接入无线网络，人机交互模块用于显示引导结果和执行办公交流；

预警的步骤，当某一监测节点发出引导信号时，其向外广播引导信号并通过无线通讯在无线网络内传递，监测节点收到该信号后向其邻近节点广播，便携终端通过无线通信模块自网络中接收该信号并在人机交互界面上予以显示；

引导的步骤，根据火灾节点在网络中的相对位置，并结合便携终端当前的位置及移动情况，引导计算并显示火灾节点的位置和方向以及便携终端当前的移动速度和方向，从而引导巡林员快速、准确地到达火灾节点。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述引导的步骤具体包括：

根据便携终端与邻近两固定节点的通讯信号计算信息发送及应答返回时间差计算节点间的距离值，以形成一个三角形网络；

当终端移动后再一次计算距离值并形成新的三角形网络，并相对于终端的正前方定位三角网络，以完成网络初始定位；

终端按其更新频率不断定位其网络，并按最近三角形网络调整在人机交互界面上无线网络相对于终端正前方的位置显示；

终端收到引导信号后，根据引导节点在网络中的位置以及其自身位置，在人机交互界面上显示引导节点的方位信息，并规划和显示最佳行进线路。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述距离值按以下公式计算：

S=（（（T1-T0）-t）*c）/2

其中，T1为接收时间，T0为发送时间，t为处理和等待时间，c为光速常数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述监测节点被配置为包括无线通信模块和火灾预警模块，所述监测节点的无线通信模块用于通过无线通信方式与其他监测节点通信连接，火灾预警模块用于感应和监测各节点周围适当范围内的环境信号，以监测是否有火灾发生。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无线网络自组织的步骤还包括，配置监测节点使得各监测节点至少与周边至少一个其他监测节点在通信距离范围内。

6.一种用于实现权利要求1所述的分布式林区火灾预警引导方法的分布式林区火灾预警系统，其包括监测节点单元和便携终端；其特征在于，所述监测节点单元分布地部署于林区范围内，并通过无线自组织的方式组成对等网络，以用于网络定位并实现网内的数据传输；便携终端包括无线通信装置和人机交互装置，其一方面接入无线网络中以及实现自身定位，另一方面还在网内收发数据信号。

7.根据权利要求6所述的预警系统，其特征在于，所述监测节点单元包括：传感器组、微处理系统、射频模块和电源；

传感器组包括火焰探测器、烟雾报警器、温度传感器，微处理系统用于数据采集及A/D转换，射频模块接收外部无线指令并将传感器检测到的被测参量数据信息无线发送出去，电源为一次电池或可充电电池。

8.根据权利要求6所述的预警系统，其特征在于，所述便携终端还包括引导模块，其包括：

初始三角网络配置模块，用于根据便携终端与邻近两固定节点的通讯信号计算信息发送及应答返回时间差计算节点间的距离值，以形成一个三角形网络；

三角网络定位模块，用于当终端移动后再一次计算距离值并形成新的三角形网络，并相对于终端的正前方定位三角网络，以完成网络初始定位；

更新模块，用于使终端按其更新频率不断定位其网络，并按最近三角形网络调整在人机交互界面上无线网络相对于终端正前方的位置显示；

引导计算模块，用于在终端收到引导信号后，根据引导节点在网络中的位置以及其自身位置，在人机交互界面上显示引导节点的方位信息，并规划和显示最佳行进线路。

9.根据权利要求8所述的预警系统，其特征在于，所述初始三角网络配置模块按以下公式计算距离值：

S=（（（T1-T0）-t）*c）/2

其中，T1为接收时间，T0为发送时间，t为处理和等待时间，c为光速常数。

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