CN111415485A - 一种森林防火监测器及其控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种森林防火监测器及其控制方法，该种森林防火监测器包括一外壳、一连接件、一传感器阵列、一功能电源、一主控制器和一通信装置。通过本技术方案，通过多传感器阵列的设置能够实现对于森林环境下火情的有效预警和监测示警，同时通过有效的电源管理和传感器工作管理大大缩减了该种监测器的能耗，延长供能电源的工作寿命，大幅降低了后期的运维成本，具有广泛的适用性和推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及森林灾害防治领域，尤其涉及一种森林防火监测器及其控制系统。
背景技术
森林火灾是森林最危险的敌人，也是林业最可怕的灾害，它会给森林带来最有害、最具有毁灭性的后果。森林火灾不但烧毁成片的森林，伤害林内的动物，而且还降低森林的繁殖能力，引起土壤的贫瘠并破坏森林涵养水源，甚至会导致生态环境失去平衡。
现有技术中，针对森林火灾往往采取以下几种方式进行监控，而这几种方式均存有明显缺陷：
1)人工巡逻：该种方式的缺陷在于效率过低，受巡检路线限制无法深入森林深处或险峻地势环境，无法就火情进行及时响应；
2)瞭望塔：该种方式的缺陷在于瞭望观察效果容易受到地形地势的限制，覆盖面较小，存在大量观察不到的死角和留白，同时对于烟雾浓重的较大面积的火场、余火及地下火无法实现有效观察，在雷电天气下亦是无法上塔观察，存在较大的局限性和误差性；
3)视频智能化监控：该种方式的缺陷在于视频监控终端的设置受地形地势的限制，覆盖面小，存在大量观察不到的死角和留白，受气象条件的影响也较大；同时视频监控扫描还存在扫描周期较长，无法实时监测的问题，同样也只能发现大火，对小火、地下火等容易产生漏报，无法实现有效预警；
4)卫星遥感监测：该种方式的缺陷在于两次监测之间的时间周期长、无法实现实时监测，同样只能发现大火，遥感监测粒度粗、数据精确度不够。
传统的消防监测设备，因为缺失防水防尘防虫等设计，价值森林环境缺点、无网络，无法直接应用至森林环境中，因而亟需一种能够满足各项需求的森林防火监测器。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种森林防火监测器及其控制系统，具体技术方案如下所示：
一种森林防火监测器，具体包括：
一外壳，外壳呈圆柱形，外壳的下部设置有一环形防虫网，外壳的内部包括一密闭空腔；
一连接件，连接件的一端套设于外壳的中部并与外壳固定连接，连接件的另一端固定连接于一树干；
一传感器阵列，传感器阵列设置于外壳的底部，传感器阵列包括多个子传感器；
一供能电源，固定设置于密闭空腔内；
一主控制器，固定设置于密闭空腔内并分别电连接传感器阵列和供能电源，用于控制传感器阵列中每个子传感器的工作状态，收集每个子传感器的采集数据并进行报警信息输出；
一通信装置，固定设置于密闭空腔内并电连接主控制器，用于实现报警信息的远程传输。
优选的，该种森林防火监测器，其中森林防火监测器还包括多个红外传感器和一地磁传感器；
红外传感器设置于外壳的侧部并呈扇形均匀分布，地磁传感器设置于密闭空腔中，每个红外传感器和地磁传感器均电连接主控制器，用于实现火源红外监测和火源方位确定。
优选的，该种森林防火监测器，其中通信装置包括PCB全向天线，PCB全向天线设置于密闭空腔内。
优选的，该种森林防火监测器，其中通信装置包括SMA全向天线，SMA全向天线设置于外壳的顶部。
优选的，该种森林防火监测器，其中供能电源为大容量锂电池或可充电锂电池。
优选的，该种森林防火监测器，其中供能电源电连接一能量采集装置；
能量采集装置基于压电材料制备，设置于密闭空腔内。
优选的，该种森林防火监测器，其中传感器阵列包括温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、挥发性有机物传感器和气压传感器。
一种控制系统，应用于上述任意一项的森林防火监测器中，该种森林防火监测器包括一传感器阵列和一供能电源，传感器阵列中包括多个一级子传感器和多个二级子传感器；
控制系统进一步包括：
控制单元，用于控制传感器阵列中每个一级子传感器和每个二级子传感器的工作状态，输出控制信号；
电源管理单元，连接控制单元，用于根据控制信号，控制供能电源向对应的传感器进行供能；
处理单元，用于接收传感器阵列中每个一级子传感器和每个二级子传感器的采集信息并进行处理，输出持续监测信息和预警信息；
通讯单元，连接处理单元，用于远程传输持续监测信息和预警信息。
优选的，该种控制系统，其中处理单元还连接控制单元；
处理单元根据每个一级子传感器的采集信息进行处理，输出一调控信号至控制单元；
控制单元根据调控信号控制二级子传感器的工作状态并输出相应的控制信号。
优选的，该种控制系统还包括一时钟单元；
时钟单元分别连接控制单元、处理单元和通讯单元，时钟单元通过通讯单元实现时钟同步，用于向控制单元和处理单元提供系统授时。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：
通过本技术方案，通过多传感器阵列的设置能够实现对于森林环境下火情的有效预警和监测示警，同时通过有效的电源管理和传感器工作管理大大缩减了该种监测器的能耗，延长供能电源的工作寿命，大幅降低了后期的运维成本，具有广泛的适用性和推广价值。
附图说明
图1为本发明一种森林防火监测器及其控制系统中，森林防火监测器的结构示意图。
图2为本发明一种森林防火监测器及其控制系统中，森林防火监测器的内部结构示意图。
图3为本发明一种森林防火监测器及其控制系统中，控制系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种森林防火监测器及其控制系统，具体技术方案如下所示：
一种森林防火监测器，如图1-2所示，具体包括：
一外壳1，外壳1呈圆柱形，外壳1的下部设置有一环形防虫网11，外壳1的内部包括一密闭空腔12；
一连接件2，连接件2的一端套设于外壳1的中部并与外壳1固定连接，连接件2的另一端固定连接于一树干；
一传感器阵列3，传感器阵列3设置于外壳1的底部，传感器阵列3包括多个子传感器；
一供能电源4，固定设置于密闭空腔12内；
一主控制器5，固定设置于密闭空腔12内并分别电连接传感器阵列3和供能电源4，用于控制传感器阵列3中每个子传感器的工作状态，收集每个子传感器的采集数据并进行报警信息输出；
一通信装置6，固定设置于密闭空腔12内并电连接主控制器5，用于实现报警信息的远程传输。
在本发明的一较佳实施例中，对本技术方案进行进一步说明和阐释：
于上述较佳实施例中，该种森林防火监测器的外壳1采用高强度混合纤维材料进行制备，外型优选为圆柱形，其下部设置有用于采集预警信息的传感器阵列3，并在传感器阵列3的外部设置有防虫网11进行防虫保护，该种防火监测器通过连接件2固定于离地高程约2m的森林树木树干上，保证位于下方的传感器阵列3能够获取所需的采集数据。
于上述较佳实施例中，该种防火监测器通过主控制器5进行传感器阵列3的工况管理并通过通信装置6实现数据的远程传输，如图2所示，供能电源4、主控制器5和通信装置6均集成于一PCB板上，该PCB板固定设置于密闭空腔12中。
作为优选的实施方式，该种森林防火监测器，其中森林防火监测器还包括多个红外传感器7和一地磁传感器；
红外传感器7设置于外壳1的侧部并呈扇形均匀分布，地磁传感器设置于密闭空腔12中，每个红外传感器7和地磁传感器均电连接主控制器5，用于实现火源红外监测和火源方位确定。
在本发明的另一较佳实施例中，为了增强防火监测器的监测能力，在外壳1上增设了多个红外传感器7，红外传感器7能够根据监测方向上的温度变化判断是否出现火情，进而实现火源的红外监测。
于上述较佳实施例中，红外传感器7最多可配置三个，其在水平方向上背对树干方向成90°-120°扇形分布，红外传感器与地磁传感器中的罗盘定位相互配合，该种设置使得红外传感器在监测火情的同时还能在发生火情时提供火情方位的方向角，有助于救灾人员的精准定位以及事后对于火情起源的勘查。
作为优选的实施方式，该种森林防火监测器，其中通信装置6包括PCB全向天线，PCB全向天线设置于密闭空腔内。
作为优选的实施方式，该种森林防火监测器，其中通信装置6包括SMA全向天线，SMA全向天线设置于外壳的顶部61。
在本发明的另一较佳实施例中，由于深林环境普遍缺少网络联接，类似NB-IoT等数据传输技术并不适用，需要基于同一森林区域中设置的多个防火监测器，采用自组网、自修复、具备多跳传输能力的无线传感网组网方案。在这一背景下，通讯装置6采用通讯距离长、绕射性能好的Sub-GHz(包括433MHz、470MHz、868MHz、915MHz等)的无线频段，通讯装置中还需要包括至少一个前端功率放大电路以提高通讯距离和传输可靠性；通讯天线方面可以采用SMA或PCB全向天线：当采用集成于PCB板的全向天线时，天线能够内置在密闭空腔12中；当采用SMA全向天线时，天线61可以内置或安装于传感器外壳1的顶部以增强信号接收功能，对于天线外置安装的，除采用防水垫圈等传统工艺手段外、还需要在接头处做防水胶处理，以保证密封性。
进一步优选的，该种防火监测器除了能够通过无线网络上传自身监测数据外，同时还能够作为转发节点，转发同区域内其他防火监测器传输的监测数据；由多个防火监测器组成多跳自组网无线检测网络能够实现对森林区域的广域覆盖，两防火监测器之间基于CSMA/CD机制，结合时分多址(TDMA)或频分多址(FDMA)的方式进行中转通讯，保障了监测数据的可靠上传。
作为优选的实施方式，该种森林防火监测器，其中供能电源4为大容量锂电池或可充电锂电池。
作为优选的实施方式，该种森林防火监测器，其中供能电源4电连接一能量采集装置41；
能量采集装置41基于压电材料制备，设置于密闭空腔12内。
在本发明的另一较佳实施例中，由于深林环境普遍存在供电困难、光照不足等因素，传统的有线供电、太阳能、风力供电等手段只能在非常有限的场景下适用，因而该种防火监测器，采用自带电池供电的方式，使用可充电的大容量锂电池进行供电，同时还配置有基于压电材料的能量采集装置，该装置集成于密闭空腔12内，从环境背景噪声(树木抖动、空气流动等导致的背景振动)中采集能量，向超级电容或可充电锂电池充电进而向该种防火监测器供电，从而提高系统整体工作寿命；使用该种供能电源4的防火监测器最终能够达到10年左右的设计使用寿命。
作为优选的实施方式，该种森林防火监测器，其中传感器阵列3包括温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、挥发性有机物传感器和气压传感器。
在本发明的另一较佳实施例中，传感器列阵3至少包括温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、挥发性有机物传感器和气压传感器，其中温度、烟雾传感器应用于森林明火和阴火监测，并结合一氧化碳和二氧化碳监测浓度与温湿度变化和烟雾浓度交叉比对确认，减少火情的误报漏报；此外通过持续监测温度、湿度、气压、挥发性有机物等指标也可以对火灾危险指数进行研判进而提供预警信息，通过多传感器的设置能够提高监测准确率、降低误报率，提升了该种防火监测器的监测能力。
一种控制系统，应用于上述任意一项的森林防火监测器中，该种森林防火监测器包括一传感器阵列和一供能电源，传感器阵列中包括多个一级子传感器和多个二级子传感器；
如图3所示，控制系统进一步包括：
控制单元01，用于控制传感器阵列中每个一级子传感器和每个二级子传感器的工作状态，输出控制信号；
电源管理单元02，连接控制单元01，用于根据控制信号，控制供能电源向对应的传感器进行供能；
处理单元03，用于接收传感器阵列中每个一级子传感器和每个二级子传感器的采集信息并进行处理，输出持续监测信息和预警信息；
通讯单元04，连接处理单元03，用于远程传输持续监测信息和预警信息。
作为优选的实施方式，该种控制系统，其中处理单元03还连接控制单元01；
处理单元03根据每个一级子传感器的采集信息进行处理，输出一调控信号至控制单元；
控制单元01根据调控信号控制二级子传感器的工作状态并输出相应的控制信号。
在本发明的另一较佳实施例中，该种控制系统应用于前述的森林防火监测器中，能够对该种森林防火监测器进行有效的控制规划，其中设置了一级子传感器和二级子传感器进行不同规格的控制策略：一级子传感器又称主传感器，检测频率高，至少包括温度传感器和湿度传感器；二级子传感器又称从传感器，包括烟雾传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、挥发性有机物传感器、气压传感器等，根据主传感器监测到的不同情况调整自身的开启情况和开启频率。
于上述较佳实施例中，当一级子传感器检测到温度较低、相对湿度较大时，即降低烟雾传感器和挥发性有机物传感器的检测频率；当一级子传感器检测到温度较高、相对湿度较低时，则反之提高烟雾传感器和挥发性有机物传感器的检测频率；当检测到温度和烟雾浓度短时间内快速升高时，说明可能有火情存在，此时开启相应的二级子传感器来检测一氧化碳和二氧化碳的浓度；此外，为了保证森林环境检测数据的连续性，气压传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器和挥发性有机物传感器还需要保持一定的日常检测频率。
于上述较佳实施例中，当控制单元01控制各传感器进行数据采集时，采用逐级开启的方式进行管理控制，需要等待执行序列中前一个传感器完成信息采集并关闭后，再启动下一个传感器的工作，从而降低防火传感器整机的最大工作电流与功耗，进而延长电池工作寿命。
作为优选的实施方式，该种控制系统还包括一时钟单元05；
时钟单元05分别连接控制单元01、处理单元03和通讯单元04，时钟单元05通过通讯单元04实现时钟同步，用于向控制单元01和处理单元03提供系统授时。
在本发明的另一较佳实施例中，该种控制系统还包括一时钟单元05，使得同一森林区域内的防火监测器均能够保持时钟同步，同时能够在发生预警时间时进行必要的系统授时，该种时钟单元05采用基于32.768KHz晶振的时钟电路加以实现。
综上所述，通过本技术方案，通过多传感器阵列的设置能够实现对于森林环境下火情的有效预警和监测示警，同时通过有效的电源管理和传感器工作管理大大缩减了该种监测器的能耗，延长供能电源的工作寿命，大幅降低了后期的运维成本，具有广泛的适用性和推广价值。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种森林防火监测器，其特征在于，具体包括：
一外壳，所述外壳呈圆柱形，所述外壳的下部设置有一环形防虫网，所述外壳的内部包括一密闭空腔；
一连接件，所述连接件的一端套设于所述外壳的中部并与所述外壳固定连接，所述连接件的另一端固定连接于一树干；
一传感器阵列，所述传感器阵列设置于所述外壳的底部，所述传感器阵列包括多个子传感器；
一供能电源，固定设置于所述密闭空腔内；
一主控制器，固定设置于所述密闭空腔内并分别电连接所述传感器阵列和所述供能电源，用于控制所述传感器阵列中每个所述子传感器的工作状态，收集每个所述子传感器的采集数据并进行报警信息输出；
一通信装置，固定设置于所述密闭空腔内并电连接所述主控制器，用于实现所述报警信息的远程传输。
2.如权利要求1所述的森林防火监测器，其特征在于，所述森林防火监测器还包括多个红外传感器和一地磁传感器；
所述红外传感器设置于所述外壳的侧部并呈扇形均匀分布，所述地磁传感器设置于所述密闭空腔中，每个所述红外传感器和所述地磁传感器均电连接所述主控制器，用于实现火源红外监测和火源方位确定。
3.如权利要求1所述的森林防火监测器，其特征在于，所述通信装置包括PCB全向天线，所述PCB全向天线设置于所述密闭空腔内。
4.如权利要求1所述的森林防火监测器，其特征在于，所述通信装置包括SMA全向天线，所述SMA全向天线设置于所述外壳的顶部。
5.如权利要求1所述的森林防火监测器，其特征在于，所述供能电源为大容量锂电池或可充电锂电池。
6.如权利要求1所述的森林防火监测器，其特征在于，所述供能电源电连接一能量采集装置；
所述能量采集装置基于压电材料制备，设置于所述密闭空腔内。
7.如权利要求1所述的森林防火监测器，其特征在于，所述传感器阵列包括温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、挥发性有机物传感器和气压传感器。
8.一种控制系统，应用于如权利要求1-7中任意一项所述的森林防火监测器中，该种森林防火监测器包括一传感器阵列和一供能电源，所述传感器阵列中包括多个一级子传感器和多个二级子传感器；
所述控制系统进一步包括：
控制单元，用于控制所述传感器阵列中每个所述一级子传感器和每个所述二级子传感器的工作状态，输出控制信号；
电源管理单元，连接所述控制单元，用于根据所述控制信号，控制所述供能电源向对应的所述传感器进行供能；
处理单元，用于接收所述传感器阵列中每个所述一级子传感器和每个所述二级子传感器的采集信息并进行处理，输出持续监测信息和预警信息；
通讯单元，连接所述处理单元，用于远程传输所述持续监测信息和所述预警信息。
9.如权利要求8所述的控制系统，其特征在于，所述处理单元还连接所述控制单元；
所述处理单元根据每个所述一级子传感器的采集信息进行处理，输出一调控信号至所述控制单元；
所述控制单元根据所述调控信号控制所述二级子传感器的工作状态并输出相应的所述控制信号。
10.如权利要求8所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括一时钟单元；
所述时钟单元分别连接所述控制单元、所述处理单元和所述通讯单元，所述时钟单元通过所述通讯单元实现时钟同步，用于向所述控制单元和所述处理单元提供系统授时。
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