物联网GIS森林防火智能预警系统

物联网 GIS 森林防火 智能 预警系统 江苏物泰信息科技有限公司 2011-4-6 2 / 22 目录 物联网 GIS 森林防火智能预警系统 . 1 1. 需求分析 . 3 2. 系统概述 . 3 2.1. 系统功能与特点 . 4 2.2. 系统整体架构 . 4 3. 具体实施方案 . 7 3.1. 用户软件终端建设方案 . 7 3.1.1. 用户软件终端功能 . 7 3.1.2. 技术可行性分析及解决方案 . 9 3.1.3. 小结 . 11 3.2. 基站 /网关部署方案 . 11 3.2.1. 基站 /网关功能 . 11 3.2.2. 技术可行性分析及解决方案 . 12 3.2.3. 小结 . 14 3.3. 网络架设方案 . 14 3.3.1. 网络功能 . 14 3.3.2. 技术可行性分析及解决方案 . 14 3.3.3. 小结 . 17 3.4. 节点建设方案 . 17 3.4.1. 节点功能 . 17 3.4.2. 技术可行性分析和具体实施方案 . 18 3.4.3. 手持终端 . 22 3 / 22 江苏物泰信息科技有限公司 1. 需求分析 森 林火灾，是一种通常发生在林野间难以控制的火情。森林火灾通常是由闪电引起的，同时，也可能是由于人为疏忽、故意纵火、热浪、干旱等原因造成山火危机。 自地球出现森林以来，森林火灾就伴随发生。全世界每年平均发生森林火灾 20 多万次 ,烧毁森林面积约占全世界森林总面积的 1以上。中国现在每年平均发生森林火灾约 1 万多次 ,烧毁森林几十万至上百万公顷，约占全国森林面积的 5 8。其社会危害甚大。 森林火灾会侵吞大片林木、侵害人民生命财产安全，并对地球资源及生态环境造成了巨大的危害。森林火灾不仅烧死、烧伤林木，直接减少森林面积，而 且严重破坏森林结构和森林环境，导致森林生态系统失去平衡，森林生物量下降，生产力减弱，益兽益鸟减少，甚至造成人畜伤亡。高强度的大火，能破坏土壤的化学、物理性质，降低土壤的保水性和渗透性，使某些林地和低洼地的地下水位上升，引起沼泽化；另外，由于土壤表面炭化增温，还会加速火烧迹地干燥，导致阳性杂草丛生，不利森林更新或造成耐极端生态条件的低价值森林更替。 目前在实际中并没有可行的事前预警方法，对森林火灾的处理方式仍停留在事后补救阶段，即在火险发生，并通常是在扩大后，再进行抢险救灾。这样既极大的增大了救灾难度，也增大 了火灾造成的损失。同时，由于森林火灾是突发事件，需要持续性的监控，因此从覆盖面积及成本等多方面的考虑，原始的人力巡山或航拍方式都不能满足森林防火的需求。 2. 系统概述 物联网 GIS 森 林 防 火 智能 预 警 系统 ， 是 利用 传 感 技术、卫 星定 位、地 理 信 息 、 人工 智能 等 高 新 技 术 研 制 的 物 联网 系统 ， 适 用 于 城 市森 林 、 自 然 保 护区 、 旅 游 景 区等 环境 ， 可 对 监测 区 域 实现 全 数 字 、 全 覆 盖 、 全 天候 火 情 与 盗 林 监 测 ， 可 探测 着 火 位置 、 蔓 延 面积 、 蔓 延 速度 、 蔓 延 方 向 和 发展 趋势 ， 真 正 实 现 森林 火 灾 “ 打 早 、 打 小 、 打了 ” ； 可 探 测 盗 伐 树 木 、 环境温 湿度 、 珍 稀 动 植 物 等 信 息 ， 构 建 起 数 字 化 森 林 的物 联 网 络 ， 可 为 森 林 防 火、 林 木 盗 伐等 提 供 实 时 、准 确 、 科 学 的 决 策 。 该预 警 系 统由 ： 火 灾 探测 传感 器 网 络 、 防 火 基 站 和 GIS 预 警 系 统 三 部 分 组 成 。 火 灾 探 测 传感器 网络由分布在森林边界及林内的若干个火焰探测器构成，每个火焰探测具有火焰探 4 / 22 江苏物泰信息科技有限公司 测和无线通信 功 能， 可 在 10 秒 内 探 测到 100 范 围 内 不 超 过 2 平 方 米 的早 期 火 焰 ， 并 通 过 无 线通信 方 式 向 相 邻 探 测 器 发送 火 情 消息 ， 并 自 动在 网络 中 以 “ 接 力 ” 方 式跳 传 ， 直 到 将 火 情 传到 防火 基 站 ， 再 由 防 火 基 站通过 GPRS 远 程 无 线 传 输 到 GIS 预警 系 统 ， 以 电 子 沙 盘 地 图方 式 呈现 火 灾 现 场 情 形 森林火险智能预警系统是针对大规模森林设计的，基于无线传感器网络技术，结合 GIS，GPS 技术，可实现全天候不间断持续性火险监控，并提前预警的自动智能火险监控系统。可有效用于大范围森林区域的森林火险防灾减灾工作。 本系统整合成熟可靠的先进信息技术，对危害性极大的森林火险进行监控，获得处理森林火险的主动权，将灾难消灭在萌芽状态，或是在灾害还未扩大之前就及时进行遏制。 2.1. 系统功能与特点 本森林火险智能预警系统具有如下功能： 覆盖面广，无需人工值守 ：通过网络进行远程信息感知，无需人工巡山，因 此可有效用于大范围区域； 自动化持续监控，实时预警 ：传感器自动智能采集数据，实现大量实时数据采集处理； 部署灵活，架设方便 ：采用无线传输技术，彻底解决布线障碍，可无源无线长时间工作。 快速精准定位 ：结合 GIS 系统与 GPS 技术，直观标志火险发生地的相关信息。 2.2. 系统整体架构 本系统采用动态可分割的设计模式，通过传感器节点、网络、网关及用户软件终端的有机结合，实现大范围野外无线传感器网络部署与平稳运行。系统结构如 图 1 所示： 5 / 22 江苏物泰信息科技有限公司 图 1 系统架构图 本系统通过部署一定密度的传感器节点（如 图 2 所示），采集所需的环境信息数据，从而实现对整个被测森林的监控。传感器节点上除用于进行数据采集的温度传感模块、湿度传感模块或烟雾探测器、火焰探测器、温差探测器等传感模块之外，还配备有无线通信模块用于无线网络搭建。节点采用节能策略，支持超长时间续航。 6 / 22 江苏物泰信息科技有限公司 图 2 传感器节点实地部署 无线传感器将自身采集到的环境数据进行处理，通过分析烟雾浓度、火焰光、短时间内温差与温度、湿度等数据，确定森林火险等级以及是否有火险存在，在需要时，节点可通过节点与基站 /网关组成的网络或其他传输途径，向远端的监控系统软件终端报告。 在险情发生时，系统的自动预警系统进行响应，通知监控系统软件终端处的工作人员，利用地理信息系统（ GIS）直观查看火险位置。相关人员可以第一时间获得远处森林深处的火险报告，并及时进行处理，从而在灾情扩大之前采取有力措施。 7 / 22 江苏物泰信息科技有限公司 3. 具体实施方案 3.1. 用户软件终端建设方案 3.1.1. 用户软件终端功能 图 3 软件终端查询机制展示 系统的用户软件终端为用户提供与无线传感器节点及网络的交互平台。通过软件终端，如 图 3 所示，用户可以主动查询所部署节点处的实时环境信息。更为重要的是，软件终端是处理来自节点报警信息的中枢。火险报警信息将在软件终端显示。 8 / 22 江苏物泰信息科技有限公司 （ A） 某地 林 场 -右视近景 （ B） 某地 林 场 -右视远景 9 / 22 江苏物泰信息科技有限公司 （ C）某地 14 号 探测器实 景 照 （ D） 某地 32 号探测 器 实景照 系统也可以根据 不同的定制要求，扩展联动网络、手机等多种报警渠道。 3.1.2. 技术可行性分析及解决方案 考虑到森林防火预警系统与森林火点的地理位置关系极为密切，并且涉及到多种环境数据的可视化处理，因此本系统的可支持软件终端集成 GIS 系统，结合 GPS 技术进行节点定位以及追踪。实现地理位置与该位置实时信息的协同显示。 地理信息系统（ GIS， Geographic Information System）结合地理学与地图学，已经广泛的应用在不同的领域，是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统。 GIS技术已经有相对深厚的技术基础， 可以稳定有效的支持本系统涉及的功能实现。全球定位系统（ GPS， Global Positioning System）可以为地球表面绝大部分户外地区（ 98%）提供准确的定位，目前已是主流成熟的定位技术。 GPS 系统可全天候工作，不受任何天气的影响，高效可靠。本系统的用户软件终端基于成熟技术搭建，集成传感数据展示功能。 本系统集成的地理信息系统（ GIS），可具备面向用户、界面友好、易于操作等特点。软件终端提供三种与传感器网络终端节点间的交互方式，即：主动查询、自动预警与周期性自检。 主动查询 如 图 4 所示用户可以在系统进行日常监控，未发现森林火险状况时，主动发起查询，获得目标节点所在位置的相关信息。用户向无线传感器网络发出查询请求，传感器向用户发回相关数据。在未发生火险，且未得到用户主动查询指令的情况下，为降低节点电能消耗， 10 / 22 江苏物泰信息科技有限公司 节点不向用户软件终端发送实时数据。 图 4 用户发起主动查询 自动预警 当传感器节点检测到异常情况，超过阈值时，将自动向用户软件终端发出报警信息。报警信息可以经多种方式 传达到用户。在报警动作完成之后，相关森林防火人员可以借助如手持 GPS 设备等定位装置，结合无线传感器节点部署时的 GPS 定位信息，快速实地查找到火险位置，第一时间进行处理。 图 5 火险报警与灾害点搜寻 周期性自检 传感器网络中的所有传感器节点都必须在规定周期向用户软件终端发送一条自检信息，用于确定传感器节点工作状态，进行网络维护。 11 / 22 江苏物泰信息科技有限公司 3.1.3. 小结 用户软件终端是用户直接接触到的系统组成部分，也是呈现报警信息或进行主动查询的平台。用户软件终端基于 GIS 及 GPS 技术，协同显示 节点位置与节点回传的环境信息数据，以友好直观的方式进行监控状态呈现。 3.2. 基站 /网关部署方案 3.2.1. 基站 /网关功能 基站 /网关作为节点与监控平台的通信桥梁，一方面向远端的用户软件终端转发节点的传感器信息和报警信号；另一方面负责在节点网络中执行用户软件终端的控制命令。基站 /网关模块即可以作为一个独立设备，也可以集成传感模块，作为一个可进行数据采集的传感器节点存在。 图 6 为一个具有基站 /网关功能的传感器节点。 图 6 基站 /网关实物图 基站 /网关具有以下功能： 与远端用户软件终端进行远程通讯，递送节点的报警信号或传感信息； 支持多节点的数据传输，可支持 50 个以上的节点容量； 12 / 22 江苏物泰信息科技有限公司 根据不同应用需要，可以通过 USB 接口支持 3G， GPRS， WIFI 等通信方式； 支持多种供电渠道，支持交流供电、太阳能供电、充电电池供电； 免安装，易部署调试，具有网络故障自动重连机制； 抗干扰设计，适合电磁环境恶劣的应用需求； 可烟雾、火焰、温差、温度、湿度传感器模块连接，执行节点的数据采集任务。 3.2.2. 技术可行性分析及解决方案 3.2.2.1. 硬件设计可行性分析及解决方案 由于森林防火指挥控制中心往往不在所监测的森林区域里，或森林区域极大，检测点与处于森林防火指挥控制中心的软件终端距离极远，因此要求基站 /网关有远程的通信能力，能将自己覆盖范围的节点传感信息和报警信号上传到用户软件终端上。 因为大部分森林位置偏远，当地运营商信号覆盖不全，或者信号不稳定，所以要求基站/网关能同时支持 3G、 GPRS 或其它通信模块，在联通与移动信号均无法接受时，还可以自搭建专有无线网络，进行快速组网通信。 其硬件设计图如 图 7 所示： 图 7 硬件模块设计图 13 / 22 江苏物泰信息科技有限公司 基站 /网关模块除了可以承担与节点及用户软件终端的通信外，还留有功能扩展接口，可支持相应传感模块的集成。目前 3G、 GPRS 等通信技术已经可以成熟应用，而根据目前关于自适应网络的技术在产业化进程中也日益完善，因此自搭建专有无线网络的方案在技术上可行。并且预留的硬件接口也可以根据实际应用情景，扩展其他通信方式。 3.2.2.2. 软件设计可行性分析及解决方案 根据上述硬件可行性分析及设计，基站 /网关的软件功能模块如下： 图 8 软件功能模块 由 图 8 所示，基站 /网关端软件可分为四层。即： 操作系统层（底层）：主要用于进程设计与文件管理，采用商业上成熟的操作系统有助于基站 /网关的稳定运行； 通信驱动层（第二层）：实现跟用户软件终端间的交互； 协议层（第三层）：用于与节点通信，通过可配置的其它协议组件，可扩展满足用户的不同需求； 应用层（第四层）：将节点传感器信息和报警信号 转发到用户软件终端，并执行来自软件终端的命令。在数据转发过程中，应用层根据数据转发类型不同，使用不同的转发算法。对于报警信号，基站 /网关以最高优先级转发数据；对于周期性上报的数据，基站 /网关会等到收到全部节点的传感数据再统一上报到软件终端。命令执行允许用户随时查看森林的各种传感数据，通过点击查看某节点的当前传感数据，软件终端会发送查询命令到基站 /网关。执行完查询命令后，基站 /网关将查询结果返回到软件终端中。 14 / 22 江苏物泰信息科技有限公司 基站 /网关的软件设计是有效支持其运行的基础，采用明朗的软件设计架构可以清晰基站 /网关的功能，明确其任 务。 3.2.2.3. 供电方案可行性分析及解决方案 基站 /网关一般利用蜂窝网络进行数据传输，但是由于相比节点功耗而言，其功耗过高，而基站 /网关转发的数据非常关键，尤其是报警信号，因此基站 /网关需要稳定可靠的电源支持。有以下两种电源配送方案可以采用，适用于基站 /网关的供电。其解决方案有二种： 方案一：通过交流电供电，为基站 /网关提供稳定电源，保证其正常工作，不会受到意外中断。缺点是在林区提供电源困难，难以覆盖所有区域。 方案二：使用大型蓄电池与较大型太阳能电池协同供电，可灵活覆盖所有区域。 3.2.3. 小结 基站 /网关作为信息中转枢纽， 在整个系统中起到桥梁作用，沟通森林的实地信息与远端防火指挥中心，是整个系统正常运行的基础。系统采用成熟技术与可靠设计方案，保障基站 /网关稳定运作。 3.3. 网络架设方案 3.3.1. 网络功能 本系统设计的网络部分包括两个层次，第一层次即节点到基站 /网关的数据传输，第二层次即基站 /网关向用户软件终端上报数据。网络负责信息的传递与通信，是沟通系统各个模块的关键，也是远程数据获取的唯一途径。 3.3.2. 技术可行性分析及解决方案 3.3.2.1. 网络技术选择 本森林火险智能预警系统采用 ZigBee 无线方式将报警信号、传感数据发送到基站 /网关；基站 /网关通过 GPRS/3G 等多种方式传送到远端用户软件终端。 本系统首选采用无线通信模式，相比之下，本项目采用的无线网络具有以下优势： 15 / 22 江苏物泰信息科技有限公司 适性强：不受缺乏现成网络、电力设施及复杂地形环境等森林特性的约束； 采用成熟的多跳自组织网络技术，不需人工值守，远距离进行数据传输；可适用于大范围森林地区，系统易部署且便于网络维护； 超大节点网络容量：每组网络最多可支持 65536 个节点，满足对森林大面积地毯式监测需求； 低功耗网络传输：面向节点的低功耗传输策略，可支持节点在电池供电及太阳能板结合的情况下超长时间工作； 高准确度：协同网络 在执行监测任务时的数据传输准确率可达到 99%。 根据不同的应用需要，可以采用中高速传感器网络技术，用于网络搭建。 考虑到野外山林面积宽广且环境复杂，离监控中心距离遥远等不利因素，林区内的环境监控数据传输受到极大限制，因此需要建设独立的通信网络。传统的有线通信网络往往受到地形和经济条件的限制，无法在实际工作环境中得以应用。相比之下，无线网络具有覆盖面积广、架设方便、方便部署等特点，因此非常适合林区环境。利用可靠的无线网络传输功能，各节点的监控数据能够快速安全地传送回监控中心；不仅避免了火情发现不及时，而且能够大量减少对设备的前期建设和维护投入。 目前，广泛使用的无线技术有： Wifi、 Bluetooth、 GPRS 和 ZigBee。其特点如 图 9 所述： 方案 特点 速率 能耗 传输距离 Wifi 10 MB/S 0.5 W 100-200 米 Bluetooth 50 KB/S 0.12 W 10 米 ZigBee 250 KB/S 0.048 W 200 米 GPRS 20 KB/S 1 W 取决于当地运营商 图 9 各无线网络性能对比 由 图 9 可知， Wifi 的传输速率虽然最高，但是其能耗大、传输距离短，且考虑森林防火监测的实际情况，在实际应用中不需要这么高的传输速率。因此， Wifi 在实用性和经济性上都不占优势。蓝牙（ Bluetooth）技术主要面向移动电话，因此其传输距离太短仅 10米。另外，蓝牙依赖主从关系，实现复杂且最多只能有 8 个节点，不适合需要大量监控网点的防火监控系统。 16 / 22 江苏物泰信息科技有限公司 相比之下，针对山林的 环境特点， ZigBee 可适用于节点与基站 /网关之间的数据通信，GPRS 可适用于基站 /网关将数据转发到用户软件终端。 在实施过程中，针对 ZigBee 低功耗近距离的特点，在森林中安装适量密度的网络节点以监测林中各个区域的烟雾浓度、温度等数据。工作中，每个 ZigBee 网络节点不仅本身可以利用其连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据信息。这样，远处节点采集的数据就能通过各个不同节点，逐步跳越，通过多跳途径，最终传送回监控中心。 实际森林应用中，部分节点可能因为各方面原因损毁、丢失 或者受障碍物、天气影响，使得原本的传输通道（如 图 10）中断。这时， ZigBee 采用的自组网通信方式就能发挥很大优势。自组网就是在通信范围内的节点如果发生变化，网络能够自动重新寻找通信对象，确定彼此间的联络（如 图 11），对原有网络进行刷新。最后，成功将数据传输出去。 图 10 原有传输路径 图 11 新选择的传输路径 17 / 22 江苏物泰信息科技有限公司 3.3.2.2. 网络部署方式设计 如 图 1 所示，在网络部署方面，可以采用中高速传感器网络传输技术等先进技术，实现节点信息向远端客户软件终端的直接传达，也可以使用分组式部署方式。考虑大规模部署的需要，可以优先考虑分组式部署方式。将网关设备与若干节点组成一个组群，可以协同工作协同管理。分组式的网络部署方式便于网络扩展，可以有效适应大规模森林地区的监测。 由于林区地理环境及位置的 特殊性，应该考虑实地部署情况，包括地势、风向、可燃物种类等条件，根据实施地的具体情况进行部署。在森林火险发生可能性较大、易燃物密集程度较高的地区选择部署高强度与密度的监测组群，加强网关 -节点组群内的探测敏感度与传输优先级别。例如，可以在易燃地带或下风口处等敏感地带部署更多更密集的节点或集成更多样化的传感模块，进行交叉监测优势互补，提高监测敏感度。 在以岩石等非易燃物占主要地理成分的区域内，选用常规监测组群。 3.3.3. 小结 本系统采用无线网络技术，实现在不具备传统网络基础的森林地区进行组网通信，同时考虑到森林地区的地 理环境与生态环境的复杂性，引入自组织网络技术，在网络中个别节点出现突发情况时，仍能保证整个监控网络的正常工作与基本覆盖率。优先考虑分组式网络部署方案，依照部署位置的实地地理条件进行有针对性的网络部署架设。 3.4. 节点建设方案 3.4.1. 节点功能 节点通过搭载不同的传感器可以收集相应的环境数据，再通过无线信道发送到基站 /网关中。针对森林火险预警系统，其预警节点可以搭载如烟雾传感器、火焰探测器、短时间内温差探测装置、温度、湿度传感器等。同时，节点也需要携带供应其数据采集与发送的能量供应模块，如电池。典型的用于本系统的节点组成 如 图 12 所示。 18 / 22 江苏物泰信息科技有限公司 图 12 传感器节点基本组成 传感器网络中的节点，根据携带的传感模块不同，节点的功能也不相同。应用于本系统的节点可以实现以下基本功能： 同时支持森林烟雾、火光、瞬间温差、温度、湿度信息的探测与判断； 超低功耗运行：不采用太阳能充电板的情况下，使用系统配置的电池可支持 1 年以上全天候不间断运行；配置全自动太阳能充电系统后，该系统可在充满 1 对可用360 天的充电池，每对 充电池支持充放 1000 次以上。 具有无线自组网的功能，易部署、便于维护； 用户自定义感应阈值，超过阈值全自动远程报警； 丰富的扩展节点及处理能力，可集成更多应用，最多可同时支持 126 个传感器模块； 3.4.2. 技术可行性分析和具体实施方案 3.4.2.1. 传感器节点的设计 根据以往经验，在森林火险发生时，当前着火点及周边的地理情况如位置、温度、湿度、地表温度、烟雾浓度等信息，都是救灾指挥人员迫切需要而不可得的重要信息。因此本火险 19 / 22 江苏物泰信息科技有限公司 预警系统需要在被监测的森林地区部署大量的低速传感节点。 这些低速传感节点不仅在部署时就拥有明确的地理位置信息 ，而且能监测该位置的温度、湿度、烟雾浓度等，并能自动将数据以无线方式转送到基站，保证火险的监控的实时性。同时，中高速传感器网络也在考虑范围之内，根据应用的需要，可以使节点采集到森林火险信息后，直接将数据发送到用户软件终端。 图 13 传感器节点设计 传感器节点的设计如 图 13 所示，该节点由低功耗的处理单元、低功耗 WPAN 基带单元和烟雾及模拟信号处理单元组成。通过 WPAN 基带单元可 以无线传送数据到基站 /网关，通过模拟信号处理单元可以根据需要加载不同的传感器及 GPS 定位设备，如通过烟雾探头可检测覆盖区域内的烟雾情况。 该探头采用光学迷宫设计，可屏蔽外界尘、虫，光线的干扰，但不影响烟雾进入。在无烟状态下，节点处于休眠状态，功耗极低。只有烟雾进入时，由于散射作用，才会唤醒节点，发射无线报警信号。 3.4.2.2. 传感器节点供电模块设计 即使不使用太阳能电板充电策略，使用低功耗中央处理单元及低功耗 WPAN 基带单元可使节点在不充电情况下，在森林中全天候不间断运行 360