森林火灾远程监测及移动预警系统

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ＡｂｓｔｒａｃｔＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｉｎａｄｅｑｕａｃｉｅｓｉｎｃｕｒｒｅｎｔｆｏｒｅｓｔｆｉｒｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ｗｅｐｒｏｐｏｓｅａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｆｏｒｅｓｔｆｉｒｅｒｅｍｏｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｍｏｂｉｌｅｅａｒｌｙｗａｒｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ，ＧＰＲＳａｎｄＪ２ＭＥｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ｐｒｅｓｅｎｔｓｙｓｔｅｍａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｔｅｓｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｓｔａｂｌｅ，ｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆｎｏｄｅｓａｎｄｔｈｅｓｐｅｅｄｏｆｎｅｔｗｏｒｋｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｉｄｅａｌｅｆｆｅｃｔ，ｉｔｒｅａｌｉｓｅｓｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｒｅａｌｔｉｍｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｍｏｂｉｌｅｅａｒｌｙｗａｒｎｉｎｇ，ａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｓａｕｓｅｆｕｌｉｄｅａｆｏｒｆｏｒｅｓｔｆｉｒｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＷｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓＧＰＲＳＦｏｒｅｓｔｆｉｒｅｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎＲｅａｌｔｉｍｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇＭｏｂｉｌｅｅａｒｌｙｗａｒｎｉｎｇ析数据。
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
０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
１］在森林火灾监测方面作了大量研究［，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
２］３］测范围有限［；二是利用卫星遥感技术的综合监测［，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
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；同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。
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。
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，ຫໍສະໝຸດ Baidu防止服务器和
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
７］式系统［，能够较好地解决上述问题。
（２）节点加入上述网络的函数
ＮＬＭＥ＿ＯｒｐｈａｎＪｏｉｎＲｅｑｕｅｓｔ（ｕｉｎｔ３２ＳｃａｎＣｈａｎｎｅｌｓ，ｂｙｔｅＳｃａｎＤｕｒａｔｉｏｎ）；
ＦＯＲＥＳＴＦＩＲＥＲＥＭＯＴＥＭＯＮＩＴＯＲＩＮＧＡＮＤＭＯＢＩＬＥＥＡＲＬＹＷＡＲＮＩＮＧＳＹＳＴＥＭ
ＬｉＸｉａｎｇｌｉｎＢａｏＬｉｑｕｎＬｉＹｉｎｇ
（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬａｎｚｈｏｕＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００５０，Ｇａｎｓｕ，Ｃｈｉｎａ）
收稿日期：２０１１－０９－０８。甘肃省自然科学基金项目（０９６ＲＪＺＡ０８４）；甘肃省科技支撑项目（１１０４ＧＫＣＡ０３２）；兰州市科技计划项目（２０１０－１－２２５）。李祥林，副教授，主研领域：无线传感器网络，嵌入式移动应用。
（３）发送短信息函数
ｖｏｉｄＳＭＳ＿ＣＭＤ（ｕｉｎｔ１６ＤＤＲ＿ＢＵＦ，ｕｉｎｔ８ＡＴＡ＿ＢＵＦ，ｕｉｎｔ１６ＡＤＡＤＤＲ＿ＭＸＶＬ）。
（２）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 ℃，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ＮＩＳ０９Ｃ。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
８］或类似ＺｉｇＢｅｅ的无线网络节点［，包括协调器、路由器和终端
ＧＰＲＳ模块的主要指令包括：
ｏｎＰｒｉｎｔＲＯＭＳｔｒｉｎｇ（＂＼ｒ＼ｎＡＴ＋Ｉ＼ｒ＼ｎ＂）； ①ｃｏｎＰｒｉｎｔＲＯＭＳｔｒｉｎｇ（＂＼ｒ＼ｎＡＴ＋ＩＭＣＭ＼ｒ＼ｎ＂）； ②ｃｏｎＰｒｉｎｔＲＯＭＳｔｒｉｎｇ（＂＼ｒ＼ｎＡＴ＋ＣＭＧＦ＝１＼ｒ＼ｎ＂）； ③ｃｏｎＰｒｉｎｔＲＯＭＳｔｒｉｎｇ（＂＼ｒ＼ｎＡＴ＋ＣＭＧＳ＝＼ｒ＂）； ④ｃ／／ＡＴ＋ＣＭＧＳ＝（手机号码）。
（兰州工业高等专科学校电子信息工程系甘肃兰州７３００５０）
摘要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。关键词无线传感器网络ＧＰＲＳ森林防火实时监测移动预警中图分类号ＴＰ２１２ＴＰ３９１文献标识码Ａ
ＮＬＭＥ＿ＮｅｔｗｏｒｋＦｏｒｍａｔｉｏｎＲｅｑｕｅｓｔ（ｚｇＣｏｎｆｉｇＰＡＮＩＤ，ｚｇＤｅｆａｕｌｔＣｈａｎｎｅｌＬｉｓｔ，ｚｇＤｅｆａｕｌｔＳｔａｒｔｉｎｇＳｃａｎＤｕｒａｔｉｏｎ，ｂｅａｃｏｎＯｒｄｅｒ，ｓｕｐｅｒｆｒａｍｅＯｒｄｅｒｆａｌｓｅ）；
２）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。３）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。
４］监测的要求，且现有监测系统均局限于Ｗｅｂ平台，实时性差［。
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。
１６０１．１森林火灾监测系统
（１）ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络拓扑结构
计算机应用与软件
２０１２年
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
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
６］结构，在分布式基础上实现传感器节点的分簇置放［，如图１所
第２９卷第４期２０１２年４月
计算机应用与软件ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄＳｏｆｔｗａｒｅ
Ｖｏｌ２９Ｎｏ．４１２Ａｐｒ．２０
森林火灾远程监测及移动预警系统
李祥林包理群李颖