CN202472841U - 基于物联网的森林火灾监测预警系统 - Google Patents

Abstract

一种基于物联网的森林火灾监测预警系统，包括多个传感终端节点、路由节点、视频监测节点、一网络中转站和数据服务器；在任一待检测区域中，设有至少一个传感器终端节点、路由节点和视频监测节点，各传感终端节点的输出端与对应的路由节点通过无线网络连接，各路由节点通过网络中转站与森林火灾监测预警中心的数据服务器连接，各视频监测节点的输出与森林火灾监测预警中心的数据服务器连接，输出预警信息。本实用新型利用无线传感器网络和视频监控技术，可以将整个森林覆盖区域划分不同火灾发生等级，对等级较高的区域重点监测，当火情发生时，能够及时定位，专家系统实时分析判断，提供最优扑救方案，从而将火险控制在萌芽阶段，减少经济损失。

Description

基于物联网的森林火灾监测预警系统

技术领域

本实用新型涉及物联网技术、无线网络通信技术、传感器技术及机器视觉技术，尤其是一种无线传感器网络和视频监控相结合的森林火灾监测和预警装置，具体地说是一种基于物联网的森林火灾监测预警系统。 

背景技术

目前，森林火灾监测主要采用地面巡防、瞭望塔监测、飞机巡护、远程视频监控以及卫星遥感监测等。传统的人工和瞭望塔监测需要投入很大财力、物力，存在防火人员主观失职、无法实时监测等不利因素；飞机和卫星监测也不能全天候实时监测，因而不能及时发现早期火灾；远程视频监控存在识别率比较低，容易将雾气和白云误判为烟雾，将夕阳误判为火焰，效果一般，而且存储的图像数据会占用大量存储空间。因此，引入基于物联网技术的森林火灾监测预警系统，可以全方位立体监测林火。 

发明内容

本实用新型的目的是针对传统的森林火灾监测中存在的问题，提出一种基于物联网的森林火灾监测预警系统。 

本实用新型的技术方案是： 

一种基于物联网的森林火灾监测预警系统，它包括多个传感终端节点、多个路由节点、多个视频监测节点、一个网络中转站和数据服务器；在森林的任一待检测区域中，设有至少一个传感器终端节点、至少一个路由节点和至少一个视频监测节点，各传感终端节点用于采集待监测森林区域的环境信息，各传感终端节点的信号输出端与对应的路由节点通过无线连接，各路由节点均与网络中转站无线单跳或多跳连接，网络中转站通过网络与森林火灾监测预警中心的数据服务器连接，各视频监测节点的信号输出通过网络与森林火灾监测预警中心的数据服务器连接，所述的数据服务器输出该系统的预警信息。

本实用新型的传感终端节点包括多个传感器和传感终端ZigBee模块，各传感器作为森林火灾监测预警系统的信号输入，用于采集待监测森林区域的环境信息，各传感器的信号输出端与传感终端ZigBee模块的对应信号输入端相连，传感终端ZigBee模块通过无线网络与对应的路由节点相连。 

本实用新型的多个传感器包括温度传感器、湿度传感器、离子式烟雾传感器、风速传感器、风向传感器和/或太阳辐射传感器。 

本实用新型的视频监测节点包括摄像机和网络视频服务器，各摄像机的信号输出端与网络视频服务器无线连接，网络视频服务器的输出通过网络与森林火灾监测预警中心的数据服务器连接。 

本实用新型的摄像机为远红外摄像机，该远红外摄像机安装在可旋转的数字云台上，数字云台的控制信号输入端与网络视频服务器的控制信号端相连。 

本实用新型的有益效果： 

本实用新型是基于物联网的森林火灾监测预警系统，利用无线传感器网络和视频监控技术，可以将整个森林覆盖区域划分不同火灾发生等级，对等级较高的区域重点监测，当火情发生时，能够及时定位，专家系统实时分析判断，提供最优扑救方案，从而将火险控制在萌芽阶段，减少经济损失。

本实用新型能完成森林环境信息和森林图像信息的实时采集；采用无线传感网络和视频监控技术，有效提高了火灾的识别率，有利于及早发现火情；能完成森林环境信息和森林图像信息的网络发布。 

本实用新型中： 

（1）网络中转站采用3G拨号上网，克服了森林地处偏僻而无法远程监控的缺点，且相比较于GPRS网络而言，大大提高了传输速度，并使网络中转站与远程服务器之间的通信更为简便。

（2）低功耗。系统加入了网络节点定时休眠功能，从而有效降低了节点的功耗，延长节点的使用时间。 

（3）能够及时发现火情，实时性好。当通过无线传感器网络接收到的环境信息和基于视频监测节点提取的视频信息判断出有火情时，立即发出报警信息，通知消防部门，这样可以在火灾未造成严重后果前发现火情，最大限度地减少火灾造成的损失。 

（4）系统误报率比较低。当无线传感器网络检测到某一区域发生火灾时，将其位置信息发送给监控中心，监控中心发送命令给视频监测节点，定位到相应区域，利用烟火识别算法进行二次判断，如果确实是火灾，则报警。 

（5）林区监控管理指挥中心能记录火情发生，发展和消灭的整个过程，对以后的火情的预防，治理提供真实有效的直观资料。 

附图说明

图1是本实用新型的原理框图。 

图2是本实用新型的传感终端节点的原理框图。 

图3是本实用新型的视频监测节点的原理框图。 

图4是本实用新型的网络中转站的原理框图。 

图5是本实用新型的系统组网与定位过程的流程图。 

图6是本实用新型的节点休眠的流程图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。 

如图1所示，一种基于物联网的森林火灾监测预警系统，它包括多个传感终端节点、多个视频监测节点、多个路由节点和一个网络中转站；在森林的某一区域中，设有至少一个传感器终端节点、至少一个视频监测节点和至少一个路由节点，传感终端节点用于采集待监测森林区域的环境信息（温度、湿度、烟雾浓度、风速、风向、太阳辐射），各传感终端节点的信号输出端与对应的路由节点通过无线连接，各路由节点均与网络中转站无线单跳或多跳连接，网络中转站通过网络与森林火灾监测预警中心的数据服务器连接，所述的数据服务器输出森林火灾监测预警的具体信息。 

传感终端节点 

森林环境信息采集节点由温度传感器、湿度传感器、离子式烟雾传感器、风速传感器、风向传感器、太阳辐射传感器和传感终端ZigBee模块组成，如图2所示。

其中，传感器作为森林火灾监测预警系统的信号输入，用于采集待监测森林区域的环境信息（温度、湿度、烟雾浓度、风速、风向、太阳辐射），传感器的信号输出端与传感终端ZigBee模块的对应信号输入端相连，传感终端ZigBee模块通过无线与对应的路由节点相连。 

工作原理为：当传感终端节点从相应的路由节点收到采集森林环境信息的命令后，传感终端节点启动温度传感器、湿度传感器、离子式烟雾传感器、风速传感器、风向传感器以及太阳辐射传感器采集数据，采集完数据后，对数据进行打包，按一定的路由转发至网络中转站。 

视频监测节点 

视频监测节点主要由远红外摄像机、数字云台控制系统、视频服务器、电源模块、无线传输系统和铁塔组成。如图3所示， 铁塔架设在森林的制高点上，远红外摄像机安装在数字云台上，一并放置在铁塔上。

其中，云台可以实现水平方向上360°旋转和垂直方向上+30°到-90°的旋转，工作人员通过控制界面使云台按一定规律运动。该摄像机可以对森林区域进行24小时不间断扫描，全天候、全方位、多角度地监控，所摄取的视频信号经过视频服务器格式压缩并发送至森林火灾监测预警中心的服务器。若无线传感网络采集的森林环境信息出现异常，启动该区域的视频监测节点自动定位到数据异常节点方位，并对此区域重点扫描，通过烟火识别软件进行二次判断，以确定是否有火情发生。 

网络中转站 

网络中转站包括中转站ZigBee模块、中转站STM32模块、3G模块、USB接口、RJ45网口、UART串口、JTAG接口、SDRAM存储器和FLASH存储器，如图4所示。其中，中转站STM32模块与中转站ZigBee模块通过RS232相连，中转站STM32模块与数据服务器通过3G模块无线相连，中转站STM32模块与USB接口、RJ45网口、UART串口、JTAG接口、SDRAM存储器和FLASH存储器的对应信号端相连。 

工作过程为：中转站ZigBee模块发起组建ZigBee网络，管理所有ZigBee网络节点的加入与退出，以单跳或者多跳的方式与所有的ZigBee节点保持无线连接；同时，根据从数据服务器接收得到的命令和地址信息，中转站ZigBee模块确定命令转发的路径，并等待获取相应ZigBee节点的数据信息。 

其工作原理为：网络中转站开始工作，即作为客户端与森林火灾监测预警中心的数据服务器端建立socket通信，并等待接收命令，当通过3G模块接收到命令后，将命令转发给中转站ZigBee模块，中转站ZigBee模块对命令进行解析后采用最短路由将命令转发至传感终端节点，进而进入等待数据状态；当接收到数据后，将数据转发送给森林火灾监测预警中心的数据服务器。 

系统组网与定位 

由于森林面积大且地形复杂，需要数据监控采集的ZigBee节点分布多，本系统采用网状网络拓扑结构，首先将带有GPS系统的汇聚节点位置确定下来，每个汇聚节点都有唯一ID，并能直接与网关通信；其它网络节点都分布在汇聚节点的周围，采用多跳方式与汇聚节点进行通信。当网络组建完毕，汇聚节点通过GPS系统自动获取自身的位置信息，位置信息获取完毕后，再将自身的位置信息向周围未知节点广播。网络内未知节点根据接收到汇聚节点广播的位置信息数量和定位算法进行定位计算，定位完毕后将定位信息传输至远程监控服务器。系统组网与定位过程如图5所示。

休眠功能 

因为林火监测的大部分时间内被监测值都处于一个稳定的范围。这时，可以考虑有计划地关闭一些传感器节点，降低分布密度，减少冗余环境数据的搜集。比如，森林在正常情况下，一年四季的最大温差也不过50°，单季度的温差就更小。而森林着火时，温度一般在 600℃至1000℃之间。这两类温度范围有很大差值空间，所以有计划地让节点休眠具有可行性。

休眠指令是由森林火灾监测预警中心向无线传感器网络下发的，节点接收到休眠指令后，定时向网络发送休眠命令。其休眠的程序流程图如图6所示。 

图6中，休眠命令包括休眠参数T1和T2，T1以分钟为单位，表示休眠的时间；T2以秒为单位，表示节点工作的时间。延长T1或者减小T2都可以使网络节点的寿命增加。监控主机实时分析数据库中历史数据，当数据出现异常（突然变大或变小）说明节点附近环境出现变化，则减小T1,增加数据采集频率，对此区域加大监测密度。相反，则增大T1，降低数据采集频率，从而降低节点功耗，延长寿命。T2必须保证在规定时间内能完成网络的任务。 

火灾预警 

将无线传感网络采集到的森林环境信息输入BP神经网络，若判断结果为发生火灾，通过无线传感器定位系统，将位置信息发回给监控中心，监控中心迅速将该区域内的视频监测节点定位到相关位置，通过提取森林图像中烟火的颜色特征、重心特征、矩特征、扩散性特征、主运动方向特征，再次判断是否发生了火灾，如果确实发现火情，提供语音报警，并将短信发送给工作人员，工作人员利用GIS地理信息系统，提调相关数据，了解并掌握火场的基础情况，实现准确定位，同时通过专业林业数据库分析，得出一套切实可行的扑火方案，得出扑救具体措施和最佳路线方案。 

服务器端程序 

服务器端程序主要负责无线传感器数据和视频监测节点数据的接收和存储；为监测预警中心工作人员提供友好的人性化界面，工作人员可以通过控制界面发送不同的指令，采集森林环境信息或者森林实时视频信息；将采集到的数据实时保存到服务器端数据库中，并对数据进行预处理、决策，当监测到有火灾发生时，提供语音报警，并将短信发送给相关人员；

服务器端网站依靠数据库中实时保存的数据对是否发生森林火灾进行决策，并以网页的形式展示森林环境因子的详细数据的实时视频信息。

本实用新型未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。 

Claims (5)

1.一种基于物联网的森林火灾监测预警系统，其特征是它包括多个传感终端节点、多个路由节点、多个视频监测节点、一个网络中转站和数据服务器；在森林的任一待检测区域中，设有至少一个传感器终端节点、至少一个路由节点和至少一个视频监测节点，各传感终端节点用于采集待监测森林区域的环境信息，各传感终端节点的信号输出端与对应的路由节点通过无线连接，各路由节点均与网络中转站无线单跳或多跳连接，网络中转站通过网络与森林火灾监测预警中心的数据服务器连接，各视频监测节点的信号输出通过网络与森林火灾监测预警中心的数据服务器连接，所述的数据服务器输出该系统的预警信息。

2.根据权利要求1所述的基于物联网的森林火灾监测预警系统，其特征是所述的传感终端节点包括多个传感器和传感终端ZigBee模块，各传感器作为森林火灾监测预警系统的信号输入，用于采集待监测森林区域的环境信息，各传感器的信号输出端与传感终端ZigBee模块的对应信号输入端相连，传感终端ZigBee模块通过无线网络与对应的路由节点相连。

3.根据权利要求2所述的基于物联网的森林火灾监测预警系统，其特征是所述的多个传感器包括温度传感器、湿度传感器、离子式烟雾传感器、风速传感器、风向传感器和/或太阳辐射传感器。

4.根据权利要求1所述的基于物联网的森林火灾监测预警系统，其特征是所述的视频监测节点包括摄像机和网络视频服务器，各摄像机的信号输出端与网络视频服务器无线连接，网络视频服务器的输出通过网络与森林火灾监测预警中心的数据服务器连接。

5.根据权利要求4所述的基于物联网的森林火灾监测预警系统，其特征是所述的摄像机为远红外摄像机，该远红外摄像机安装在可旋转的数字云台上，数字云台的控制信号输入端与网络视频服务器的控制信号端相连。

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