CN112543426A - 一种环境可燃物含水率实时监控方法、设备及系统 - Google Patents

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Abstract

一种环境可燃物含水率实时监控方法、设备及系统，其中方法包括在采集设备端执行以下步骤：获取环境数据；根据所述环境数据通过可燃物含水率计算模型计算环境可燃物含水率；将计算的环境可燃物含水率结果通过无线网络传输汇总到服务节点。根据本发明所提出的一种环境可燃物含水率实时监控方法、设备及系统，可及时准确测量并计算出所监测环境中可燃物含水率，并通过无线传输的方式及时通知负责人对所监测地区第一时间采取有效的预防措施，大大提高防火系数。

Description

一种环境可燃物含水率实时监控方法、设备及系统
技术领域
本发明涉及环境检测及环境安全领域，更具体地，本法涉及一种环境可燃物含水率实时监控方法、设备及系统。
背景技术
森林地表死可燃物的含水率是森林火险等级预测系统的重要参数。但是，目前国内森林火险等级预报系统仍采用气象因子权重法，而没有考虑含水率这一重要因素。由于测量含水率最准确的称重法只能长时间在野外采样检测，成本高、难度大。基于时滞和平衡含水率预测含水率的理论，通过采集森林地表死可燃物的温湿度和风速，运用Nelson模型根据可燃物水分变化的热力学原理建立的平衡含水率的半物理模型处理所采集到的数据，得到所要预测森林地表死可燃物的平衡含水率和时滞，进一步获得它的实时含水率，并通过LORA模块实现含水率的实时无线传输，达到远程监控森林地表死可燃物含水率的效果。
发明内容
有鉴于此，本发提出一种环境可燃物含水率实时监控方法、设备及系统，其中方法包括在采集设备端执行以下步骤：
获取环境数据；
根据所述环境数据通过可燃物含水率计算模型计算环境可燃物含水率；
将计算的环境可燃物含水率结果通过无线网络传输汇总到服务节点。
在本发明的一些实施方式中，获取环境数据包括：监测当前环境的温度、风速、湿度。
在本发明的一些实施方式中，根据所述环境数据通过可燃物含水率计算模型计算环境可燃物含水率包括：
根据时滞和平衡含水率基于以下公式计算出当前环境可燃物含水率，
M＝E+(M0-E)e-t/τ，
其中，M死可燃物含水率、E为平衡含水率、t为时间、τ为时滞、M0为死可燃物初始含水率。
在本发明的一些实施方式中，方法还包括：根据Nelson模型计算平衡含水率,计算公式如下:
Figure BDA0002808264420000021
其中，H为待估参数、E为平衡含水率、c为相对湿度、T为环境温度。
在本发明的一些实施方式中，计算时滞所采用的公式为：
Figure BDA0002808264420000022
Figure BDA0002808264420000023
其中，Kd为日失水速率、Ka为日吸水速率、H为相对湿度、W为风速、T为环境温度。
在本发明的实施方式中，将计算的环境可燃物含水率结果通过无线网络传输汇总到服务节点包括：使用基于lora传输协议的无线网络将环境可燃物含水率监测结果传输。
本发明的另一方面，还提供了一种用于执行上述方法的环境可燃物含水率监测设备，包括以下模块：
传感器模块，配置用于获取环境数据；
Gd32计算模块，配置用于根据所述环境数据通过可燃物含水率计算模型计算环境可燃物含水率；
lora传输模块，配置用于将计算的环境可燃物含水率结果通过无线网络传输汇总到服务节点。
在本发明的一些实施方式中，gd32计算模块进一步配置为：
根据时滞和平衡含水率计基于以下公式算出当前环境可燃物含水率，
M＝E+(M0-E)e-t/τ，
其中，M死可燃物含水率、E为平衡含水率、t为时间、τ为时滞、M0为死可燃物初始含水率。
本发明的另一方面，还提供了一种包含上述设备的环境可燃物含水率实时监测系统，包括：
至少一个上述环境可燃物含水率监测设备；
配置用于接收环境可燃物含水率结果的至少一个环境可燃物信息接收服务节点。
在本发明的一些实施方式中，环境可燃物信息接收服务节点配置用于：
将收到环境可燃物含水率根据预设监控等级分类；
对超出预定环境可燃物含水率阈值的信息通过短信、因特网方式发送到林业责任人员的设备及手机上。
通过本发明提出的一种环境可燃物含水率实时监控方法、设备及系统，可有效对所监测地区的可燃物含水率进行准确有效及时的检测，减少网络传输数据量并减轻网络通信负担，更有助于降低所监测区域的森林火险发生率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
图1为本发明一种环境可燃物含水率实时监控方法的方法流程图。
图2为本发明一个具体实施例流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。
如图1所示，本发明实所公开一种环境可燃物含水率实时监控方法法，包括在采集设备端执行以下步骤：
S1、获取环境数据；
S2、根据环境数据通过可燃物含水率计算模型计算环境可燃物含水率；
S3、将计算的环境可燃物含水率结果通过无线网络传输汇总到服务节点。
在本发明的一些实施例中，获取的环境数据包括：
使用温度传感器获取当前监测环境的实时温度数据；
使用风速传感器获取当前监测环境的实时风速数据；
使用湿度传感器获取当前监测环境的实时湿度数据。
在本发明的实施例中，根据所述环境数据通过可燃物含水率计算模型计算环境可燃物含水率包括：
根据时滞和平衡含水率基于以下公式计算当前监测环境的可燃物含水率，
M＝E+(M0-E)e-t/τ
其中，M死可燃物含水率、E为平衡含水率、t为时间、τ为时滞、M0为死可燃物初始含水率。
因为自然环境的温湿度是实时变化的，因为是实时预测所以运用牛顿的微积分思想，将时变量微分化，处理每一个瞬时(特定温湿度下)平均含水率和时滞含水率，得到实时含水率。
其中，平衡含水率为固定温度和湿度条件下,将可燃物无限长时间放置,可燃物的含水率最终达到一个定值。此时可燃物体内水汽压与空气中水汽压相等，水分净变化为零，扩散过程相对静止，称此时的含水率为平衡含水率。在一定的环境条件下，可燃物的平衡含水率在失水和吸水过程中有所不同，失水过程的平衡含水率通常比吸水过程快。
时滞为在上述过程中随环境条件，如温度和湿度的变化,可燃物的平衡含水率和含水率都发生变化,但含水率变化与平衡含水率变化之间有一时间滞后,称之为时滞,是衡量可燃物含水率变化速率的量。与之相近的一个概念是反应时间,指可燃物在此变化中,失去初始含水率与平衡含水率之差的(1-1/e)(约63.2％)的水分所需的时间。
在本发明的一些实施例中，方法还包括：通过Nelson模型计算含水率，Nelson根据可燃物水分变化的热力学原理建立了半物理模型：
根据Nelson模型计算平衡含水率,计算公式如下:
Figure BDA0002808264420000051
其中，H为待估参数、E为平衡含水率、c为相对湿度、T为环境温度。
当相对湿度介于10％—90％之间时，此方程精确度较高。当湿度高于95％时，方程的预测值就会与实际测量值之间出现较大的偏差。当相对湿度为趋向零时，预测值趋向于-∞，当相对湿度趋向100％时，EMC值趋向于+∞。根据北美叶状可燃物的数据文献，可用温度的二次函数来表示。但文献的结论局限性太大。文献以该模型为基础，提出了一种基于模拟野外观测数据预测可燃物含水率的方法，取得了较好的效果。正是由于该模型是半物理模型，因此，其使用范围较广。
在本发明的一些实施例中，采用时滞和平衡含水率直接估计法估计时滞。相对于平衡含水率，对时滞影响因子的研究较少，主要原因是传统认为时滞受环境因子影响较小。在加拿大森林火险等级系统细小可燃物含水率计算中，VanWagner等(1985)提出用下式计算日失水(吸水)速率:
Figure BDA0002808264420000061
Figure BDA0002808264420000062
式中，Kd为日失水速率、Ka为日吸水速率、H为相对湿度、W为风速；T为环境温度。
在本发明的一些实施例中，将计算的环境可燃物含水率结果通过无线网络传输汇总到服务节点包括：使用基于lora传输协议无线网络将环境可燃物含水率监测结果传输。
如图2所示，在本发明的一些实施例中，通过环境传感器获取环境温度、湿度、风速；
使用单片机通过将环境温度、湿度、风速代入计算平衡含水率模型和时滞模型获得时滞和平衡含水率，进而求出死可燃物含水率；
将死可燃物含水率通过LORA模块传输到服务节点。
本发明的另一方面，还提供了一种实现上述方法的嵌入式环境可燃物含水率实时监测设备，包括：
传感器模块，配置用于获取环境数据；
gd32计算模块，配置用于根据环境数据通过可燃物含水率计算模型计算环境可燃物含水率；
lora传输模块，配置用于将计算的环境可燃物含水率结果通过无线网络传输汇总到服务节点。
在本发明的一些实施方式中，gd32计算模块进一步配置为：
根据时滞和平衡含水率计基于以下公式算出当前环境可燃物含水率，M＝E+(M0-E)e-t/τ，
其中，M死可燃物含水率、E为平衡含水率、t为时间、τ为时滞、M0为死可燃物初始含水率。
其中，计算模块采用国产单片机gd32f103，通过i2C协议与传感器模块的传感器相连并实时获取环境数据，进一步计算出当前检测环境可燃物含水率。
gd32E10x系列器件是基于
Figure BDA0002808264420000071
CortexTM-M4处理器的32位通用微控制器。CortexTM-M4处理器是一个具有浮点运算功能、低中断延迟时间和低成本调试特性的32位处理器。高集成度和增强的特性使CortexTM-M4处理器适合于那些需要高性能和低功耗微控制器的市场领域。
在本发明的一些实施例中，lora传输模块通过lora传输协议，具备双向通信功能，在同一信号网络内，不同的可燃物含水率监测设备，将自身范围内的数据已广播的形式发送，同时接收其他监测设备所发送的消息，并转发收到的消息。
对于从一个设备发出的传输信息，每经过一次信息的转发，就将其数据的转发标志位加1；
对于从其他设备收到的同样的转发信息，根据信号强弱，保留该信息的最强传输信号的转播链路，同时对其他非最强信号的设备发送禁止转发该信息的回信，以减少冗余信息在信道上的传输消耗，达到自适应组网的效果。
本发明的另一方面，还提出了一种可燃物含水率实时监控系统，包括：至少一个上述环境可燃物含水率监测设备；配置用于接收环境可燃物含水率结果的至少一个环境可燃物信息接收服务节点。
在本发明的一些实施例中，环境可燃物信息接收服务节点是将周围监测设备计算得到的环境可燃物含水率通过网络的形式发送到云监控平台。
在本发明的一些实施例中，环境可燃物信息接收服务节点进一步配置用于：根据预先设定的规则，对监测到的可燃物含水率进行评级，对于超过警戒评级的数据，可通过附近网络基站以短信的方式发送到责任人员，以及通信基站覆盖范围内的手机用户的手机上，提醒附近的人员注意防范森林火险。

Claims (10)

1.一种环境可燃物含水率实时监控方法，包括在采集设备端执行以下步骤：
获取环境数据；
根据所述环境数据通过可燃物含水率计算模型计算环境可燃物含水率；
将计算的环境可燃物含水率结果通过无线网络传输汇总到服务节点。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取环境数据包括：
监测当前环境的温度、风速、湿度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述环境数据通过可燃物含水率计算模型计算环境可燃物含水率包括：
根据时滞和平衡含水率基于以下公式计算出当前环境可燃物含水率，
M＝E+(M0-E)e-t/τ，
其中，M死可燃物含水率、E为平衡含水率、t为时间、τ为时滞、M0为死可燃物初始含水率。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：
根据Nelson模型计算平衡含水率,计算公式如下:
Figure FDA0002808264410000011
其中，H为待估参数、E为平衡含水率、c为相对湿度、T为环境温度。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述计算时滞所采用的公式为：
Figure FDA0002808264410000012
Figure FDA0002808264410000013
其中，Kd为日失水速率、Ka为日吸水速率、H为相对湿度、W为风速、T为环境温度。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将计算的环境可燃物含水率结果通过无线网络传输汇总到服务节点包括：
使用基于lora传输协议的无线网络将环境可燃物含水率监测结果传输。
7.一种基于gd32的嵌入式环境可燃物含水率实时监测设备，其特征在于，包括：
传感器模块，配置用于获取环境数据；
gd32计算模块，配置用于根据所述环境数据通过可燃物含水率计算模型计算环境可燃物含水率；
lora传输模块，配置用于将计算的环境可燃物含水率结果通过无线网络传输汇总到服务节点。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，gd32计算模块进一步配置为：
根据时滞和平衡含水率计基于以下公式算出当前环境可燃物含水率，
M＝E+(M0-E)e-t/τ，
其中，M死可燃物含水率、E为平衡含水率、t为时间、τ为时滞、M0为死可燃物初始含水率。
9.一种环境可燃物含水率实时监控系统，其特征在于，包括：
至少一个权利要求7所述的检测设备；
配置用于接收所述环境可燃物含水率结果的至少一个环境可燃物信息接收服务节点。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述环境可燃物信息接收服务节点进一步配置用于：
将收到环境可燃物含水率根据预设监控等级分类；
对超出预定环境可燃物含水率阈值的信息通过短信、因特网方式发送到林业责任人员的设备及手机上。
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