森林火灾远程监测及移动预警系统

森林火灾远程监测及移动预警系统李祥林;包理群;李颖【摘要】Accordingtotheinadequaciesincurrentforestfiremonitoring,weproposeandimplementaforestfireremotemonitoringandmobileearlywarningsystembasedonwirelesssensornetworks,GPRSandJ2MEtechnologies,presentsystemarchitectureandimplementationscheme.Experimentaltestaindicatethatthesystemisstable,thesensitivityofnodesandthespeedofnetworktransmissionachievetheidealeffect,itrealisesthefunctionofreal-timemonitoringandmobileearlywarning,andprovidesausefulideaforforestfiremonitoringsystem.%针对目前林火监测技术存在的不足，提出并实现一种基于无线传感器网络、GPRS和J2ME技术的森林火灾远程监测及移动预警系统，给出系统架构及实现方案.实验测试表明，系统性能稳定，节点的灵敏度和网络传输达到理想效果，实现了实时监测和移动预警，对林火监测提供了有益的思路.【期刊名称】《计算机应用与软件》【年(卷)，期】2012(029)004【总页数】4页(P159-162)【关键词】无线传感器网络;GPRS;森林防火;实时监测;移动预警【作者】李祥林;包理群;李颖【作者单位】兰州工业高等专科学校电子信息工程系甘肃兰州730050；兰州工业高等专科学校电子信息工程系甘肃兰州730050;兰州工业高等专科学校电子信息工程系甘肃兰州730050【正文语种】中文【中图分类】TP212;TP3910引言在危害森林的诸因子中，火灾是最具破坏性的灾害，国内外在森林火灾监测方面作了大量研究［1］，目前的监测方法主要有两种:一是利用便携式仪器的人工采样监测，劳动强度大，且监测范围有限［2］;二是利用卫星遥感技术的综合监测［3］,由于受到距离和分辨率的限制，存在数据精细度不高、参数不全等缺点，难以满足对条件恶劣、情况复杂的森林环境进行全方位远程监测的要求，且现有监测系统均局限于Web平台，实时性差［4］。本文将无线传感器网络、GPRS和J2ME技术应用于林火监测，实现了林区无人值守，达到林区数据的实时监测和移动预警。利用无线网络的自组织功能，方便地增加监测点或调整监测点位置，与国内外同类森林火灾监测系统比较，较大地降低了成本，为我国林火监测研究提供了有益的思路。1系统总体设计系统网络架构如图1所示:低层是由一级簇首、二级簇首和无线传感器终端节点组成的无线传感器网络，构成林火前端监测系统。汇聚点连接GPRS硬件模块，组成远程数据传输终端。GPRS、无线基站和Internet形成被测数据传输通路，WEB服务器和数据库服务器组成监测中心。手机客户端既可以从无线传感器网络获取火灾预警数据，也可从监测中心获取火灾动态分析数据。图1系统结构图无线传感器网络节点实时采集林区环境数据，经路由节点(一级簇首、二级簇首)将被测数据转发给协调器节点，然后通过GPRS模块发送到GPRS网络，并将报警信息以短信方式发送至手机客户端洞时将林区被测数据经GPRS模块通过无线基站和Internet送至监测中心数据库，最后利用数据挖掘技术对数据进行处理，达到对火灾隐患的动态分析，实现火灾监控辅助决策。1.1森林火灾监测系统ZigBee无线传感器网络拓扑结构传统的无线传感器网络组网方案是将节点随机地放置在需要进行监控的地点，各个节点对自己的覆盖区域进行数据采集，并将数据传送给汇聚节点。这种自组网存在传输信息量大、数据冲突、节点能量很快耗尽而导致通信中断等突出问题［5］。本文结合森林火灾监测特点，采用局部星型、整体树型的网络拓扑结构，在分布式基础上实现传感器节点的分簇置放［6］，如图1所示，它是一个基于分簇结构的两层无线传感器网络组成的分布式系统［7］,能够较好地解决上述问题。数据采集模块林区信息采集使用温度、湿度、烟雾浓度等传感器。在传感器选型上，综合考虑了稳定性、精度和成本等因素。温度传感器采用DS18B20，分辨率可达0.0625°C,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出;多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，非常适用于远距离多点温度采集系统。湿度传感器采用HS1101，响应时间快、可靠性高、稳定性强。烟雾传感器采用低功耗的NIS-09C。本文采用CC2431芯片开发传感器节点设备，它具有CC2430的优点，而且具有节点定位的功能，适用于各种ZigBee或类似ZigBee的无线网络节点［8］,包括协调器、路由器和终端设备，特别适用于林火监测系统中上传火点地理位置。路由器节点和数据采集终端节点结构如图2所示，网络协调器节点在普通网络节点上通过RS232连接GPRS模块。图2普通节点结构示意图能量供应模块和射频天线由于森林环境限制，以及考虑到太阳能供电技术的成熟度及造价成本，系统采用高能大容量的碱性电池提供电能。在系统设计过程中从硬件和软件两方面尽量保证低功耗，以延长系统运行时间［9］。射频天线采用TA-XPQ2400-3dB橡皮天线，尺寸只有5cm，重量不到20克，易安装，发射频率典型值为2.4GHz。1.2GPRS数据终端模块本文选用DTP-S05Ci，它支持EGSM900/GSM1800频段，采用5VDC电压，500mA电流的外接电源，功耗低，方便用户系统供电，使用RS232标准串口通信。林火监测系统采集到数据后，GPRS模块对智能手机终端发送预警信息，协调器通过串口将数据经过GPRS通信模块按TCP/IP协议转发到Internet，监测中心服务器读取数据并存储至数据库。2系统软件设计2.1节点软件设计协调器节点软件设计协调器主要负责ZigBee网络和GPRS网络的双向数据传输，实际上是一个基于ZigBee协议与GPRS协议的转换网关。协调器上电初始化后，首先主动建立一个网络且等待节点加入，在节点加入后对节点分配网络地址，以及收集、发送节点传来的数据。主要函数包括：(1)协调器初始化网络的函数(2)节点加入上述网络的函数NLME_OrphanJoinRequest(uint32ScanChannels,byteScanDuration);⑶发送短信息函数voidSMS_CMD(uint16*ADDR_BUF，uint8*DATA_BUF，uint16ADDR_MXVL)。GPRS模块的主要指令包括：路由器节点软件设计路由器上电初始化后，首先申请加入协调器建立的网络，成功加入后，其工作于监控状态:(1)监控是否有其他路由节点或终端节点申请加入网络，若有则给该节点分配网络地址。(2)判断是否有从协调器发来的命令，如果有且是设置命令则需根据命令参数设置该节点;如果有且是读状态命令则需发送节点工作状态给协调器。(3)采集相关数据。终端节点软件设计终端节点的主要功能是采集数据，与路由器节点的区别是不支持其他节点的加入，当没有数据发送或接收时，转入休眠模式，使节点功耗降到最低。2.2服务器端软件设计服务器端采用Socket通信，监测中心与传输终端采用客户机/服务器模型。服务器与终端的连接采用了线程技术，防止服务器和多个终端同时进行通信时发生信息阻塞。服务器端开放一个端口，启动服务后，进行终端数据的监听，在有终端请求时便建立一个连接，服务器处理该终端数据发送和接收的数据，如图3所示。图3服务器端监听和接收数据的流程图系统采用中心对多点的组网模式，终端或者同时访问，或者一个终端在一个时间段内多次访问服务器。当GPRS模块掉电后再次上电访问服务器时，IP地址是随机分配的;而GPRS终端IP地址变化后，服务器每次都要判断这些IP地址以确认是否来自同一个设备，影响系统效率，安全性也很难控制;终端设备SIM（20）位卡号是固定不变的，可以作为终端设备的识别，本系统以每包发送的SIM卡号作为终端设备ID的标识，进行数据的接收和处理。2.3手机客户端软件设计手机客户端主要实现火险数据的查询功能，如浏览实时监测的环境数据、按照指定条件查询监测数据。使用J2ME设计客户端的类图如图4所示。图4智能手机客户端类图智能手机客户端与Servlet进行网络通信的关键代码如下：3系统测试ZigBee组网测试终端节点、路由节点、中心节点三者之间组成无线传感器网络。节点下载程序后，用串口线将中心节点与PC机相连。各个节点上电复位，完成自检功能后，自动建立网络，路由节点和终端节点自动找到中心节点并申请入网。中心节点向路由节点和终端节点发送网络参数，终端节点保存参数并加入网络。在PC机上通过串口测试助手查看数据是否正常。如图5所示，其中两个终端节点入网成功，它们的物理地址分别为0x1699和0X169A。采集到的温度分别为0x001D°C（十进制数为29°C，此为加温后测试的温度）和0x0017°C（十进制数为23°C，正常气温）。图5无线传感器网络组网测试GPRS模块测试将GPRS模块用串口线和PC机连接，经超级终端发送AT指令进行短信收发，通过手机查看短信内容判断GPRS通信是否正常。3.3系统联调经过前两步测试后，采用图1所示的系统架构，将GPRS与ZigBee中心节点相连，上电复位后，查看服务器端数据库和智能手机端是否收到节点发来的数据及预警信息，并于实际测量值进行比对，试验结果表明该系统实现了火险信息无线采集和移动预警功能，且性能稳定。图6为智能手机客户端查询服务器端数据库收集的林区数据。图6智能手机端查询结果4结语本文构建的〃森林火灾远程监测及移动预警系统”经项目合作单位在兰州市龚家湾林区综合监控试验证明:系统体系结构设计合理，具备普适性、可用性和可扩展性；系统实现的功能对森林环境监测和森林防火移动预警、应急事件处理过程的监控和应急救援指挥的辅助决策等方面的支持作用明显;系统运行稳定、可靠。局限性及进一步研究的方向:本系统采用了GPRS技术，因此本文仅针对人工林区和GPRS覆盖区进行研究与试验，如果针对原始森林，需要结合卫星通信，是下一步研究的方向。另外，本文研究阶段综合考虑多方面因素采用CC2431芯片研制节点，经反复试验，其在林区可靠通信距离为50米左右(CC2431的理论通信距离为不大于100米)，导致在一个典型林区布点太多。经项目组与合作单位反复讨论，重点考虑技术成熟度、功耗和通信距离三方面因素，系统在实际推广应用中可选用技术比较成熟，功耗更低的芯片(JN5148)，它的低功耗模块通信距离最大可达1KM(其高功耗模块的通信距离最大为4KM)。参考文献[1]国家森林防火指挥部办公室.2006森林火灾扑救典型战例评析[M].中国林业出版社，2009.[2]蒙遥，郑晖，赵丽霞.应用3S技术的森林防火信息系统设计与实现[J].地理空间信息，2010,8(4):108-110.[3]王芳.IPSTAR卫星通信系统在森林草原防火快速处置中的应用[J].卫星与网络，2008(10):45-49.李春艳，杨存建，周其林.森林防火减灾信息系统的设计开发一以四川省遂宁市为例[J].地球信息科学报，2010,12(5):695-698.[5]王珏明，顾超，钱莉.无线传感网之能量篇[J].计算机应用与软件，2007,24(1):85-86,103.[6]雷建军，万润泽.一种基于森