基于WF-IoT的森林防火监测系统

2020-09-13 20:17:40 145
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1 引言

1.1 背景及意义

火灾是森林生态系统发展的最大威胁之一,与其他特定环境的火灾相比较,森林火灾在燃烧过程中具有偶然性强、受自然环境因素影响大、破坏程度大、比较难发现和扑救工作不易实施等显著特征。除了对森林植被带来的损害和破坏之外,森林火灾的频发还会产生以下危害:

1)对森林生态系统产生危害。森林中孕育着丰富多彩的动植物、昆虫和微生物,森林火灾不仅会对森林植被和结构造成直接的破坏,同时,还会间接影响全球生态系统的正常运行。森林火灾使森林对地球气候的调节作用减弱,会导致森林退化、水±流失、山洪、泥石流和山体滑坡等自然灾害的频发。

2)对稀有物种产生危害。森林中生长着大量的稀有植物和珍贵动物,火灾在毁坏森林植被的同时也会给这些珍稀的动物造成伤害,破坏它们的生长环境和栖息地,甚至是造成稀有物种的灭绝。

3)森林火灾对人类生产生活的危害。森林一旦失火,火灾现场难以控制,火势肆意蔓延,会给生活在林区附近的人们带来生命危险或对他们的生产生活带来危害。火灾的发生直接威胁到林区人民的安定生活,给社会带来更多的不安定因素。

1.2 现有的森林防火监测方法

随着我国造林事业的不断发展,防火防灾工作成为首要任务。森林防火贯彻“预防为主、积极扑救”的方针,真正做到早发现,早解决。我国的森林防火技术还处于快速发展阶段,目前比较成熟的森林火灾监测方法主要有以下5种:

1)地面巡护。地面巡护属于较为传统的森林火灾监测方式,主要通过人工作业来完成对森林环境的巡查。依靠这种巡护方式达到森林防火。该方法执行过程简单,不会涉及到其他高科技的技术及产品,但是整体效果较差、耗费大量人力且不能全天候监控。另外考虑到森林的实际情况、肉眼的可见性以及天气情况等诸多因素的影响,都限制了地面巡护的效率和成果。

2)瞭望台监测。瞭望台监测和地面巡护相比,在覆盖范围上有所扩大,同时减少了人工作业。但是,由于瞭望台位置较为固定,所以会存在监测盲区或不利于观察到地下火与余火的现象。一般情况下,瞭望台都是建造在山尖等高处,遇到雷电天气会很不安全,存在隐患。

3)航空巡护。航空巡护(无人机巡护)主要在地形复杂、人不易深入的森林地区使用。航空巡护方式简单、巡查地点灵活、效率高,但它存在如何降低成本和延长飞机续航时间的问题。

4)利用红外线及卫星遥感等“3S”探测技术进行火情的监测。仅使用红外线的方式进行监测极易受到阳光和地面物体的干扰,易造成信息误报。理论上利用“3S”技术可实时监控森林火灾情况,采集环境参数并处理,可以较为方便地判断火情是否发生,对早期的火情进行预警,判断火灾的发展趋势并对可能受害的人群进行疏散,对灭火决策提供数据支撑,但是这种方式仍然存在以下不足:比如,数据的精度是长期困扰通过GIS技术解决火情监测问题的一个难题,扫描时间长、分辨率低、图像像素点的饱和以及火灾参数很难实时量化,卫星遥感图像实时性不高,不能全天候不间断地监控某一地区,在云层较厚等天气情况下确定的着火点位置精度较差,而卫星在偏轨现象的情况下确定的火情发生地点精度也存在同样的问题,同时还会出现漏判或者误判的情况。

5)利用视频CCD摄像头监控的方式进行监控。视频的方式可以对监控区域进行24小时全天候监控,但是摄像头存在一个监控角度的问题,超出监控范围角度的部分无法进行有效监控,同时由于野外林区树木和灌木丛众多,相互遮挡严重,降低了视频监控的纵深距离,严重影响了系统的工作。视频监控也同样存在着容易受气象条件影响的情况,大雾天气、阴霾天气和逆光条件下的天气都会对监控产生干扰,影响监控,使监控效果大打折扣,同时,视频监控的电能也是一大命门,因为摄像头处于24小时不间断工作的状态,能耗非常之高,而摄像头必须设置在人烟稀少的林区,需要布设电线,供电成本高。此外,偏远林区的移动网络覆盖不全,通信质量差,信号在传输过程中受到干扰大,这也限制了视频监控在森林防火中的应用。

 

1.3 基于WSN的森林防火监测系统

随着新兴技术的发展和物联网技术的崛起,除了上述传统森林火灾监测方法外,希望应用前沿科技手段发展技防装备,更好地补充火灾人防功能,以便及时探测森林火情,做好林火发生前的预防监测工作,实现在火灾初期发现并报警,降低森林火灾带来的危害。

基于WSN的森林防火监测系统是基于当前主流技术——无线传感网设计的一类先进技防装备,下图1是该类系统的一般结构。

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1 基于WSN的森林防火监测系统的原理组成图

其中:传感器节点主要通过传感器模块对森林环境参数进行感知和采集,对森林火情进行识别;网络节点是部署在待测地域,负责数据采集和转发;无线传感网络采集的数据最终通过汇聚节点,与互联网或卫星进行通信,最终数据传送至监控中心服务器。

目前,实现该类监测系统的主要技术有:GPRS/3G/4GZigBeeLoRa等。其中,GPRS/3G/4G技术的应用收到移动网络难以覆盖的限制,Zigbee的链接数量有限,LoRa需要大量部署固定基站,这些都限制了WSN技术在森林防火中的应用。

2 需求分析

当前,森林防火普遍面临以下挑战:

l  资源分布存在“点多、面广、战线长”;

l  防火期长,高火险天气多,防火手段落后,护林防火基础设施不够健全;

l  信息化水平严重不足,防火力量地域分布很不平衡;

l  面对扑救大型大火和应对紧急突发性事件时,指挥调度方面能力不强;

l  瞭望塔数量少,遇到火灾时,通讯不畅;

l  现场情况看不到,指挥工作强度大,效率差。

对森林防火监测的技防系统来说,其基本需求主要有:

1)具备非常高的报警率和非常低的误报率;

2)适应人烟稀少的林区,无法布设电线、移动网络覆盖不全、通信质量不佳等现实性问题;

l  森林面积大,传感网络节点数量巨大,每个节点的成本要低;

l  森林地形和环境比较复杂,无线网络应具有一定的灵活性和自组网能力;

l  森林属于野外环境,网络一旦布设,传感网络节点要处于长期服役状态,网络节点应具有功耗低、有休眠模式等特点。

3)应是智能设备,具有通信、采集、处理、决策、运维等能力。

3 WF-IoT解决方案

3.1 WF-IoT概述

WF-IoT融合物联网是划时代的创新技术,其内核是唐芯系列物联网芯片,是一种国内拥有完全自主知识产权的低功耗广域网通信技术,可以同时承载射频识别、实时定位、无线传感和智慧照明等多种业务应用,能够在“纯物联”层面实现无线通信、网格化组网、采集、通信、控制、计算、处理与执行等功能,可以为用户提供一种简单的能实现远距离、大容量、中高速、免付费、低功耗的物联网系统。

1  WF-IoT的核心技术参数

项目

指标

备注

核心芯片

Tangsic系列物联网核心芯片

具有完全自主知识产权。

工作频段

2.45GHz780MHz

符合RFIDGB/T 28925)、RTLSGB/T 30996.2)、WSNGB/T 30269)、C-WSN等国家标准。

通信协议

WF-IoF协议

具有完全自主知识产权。

通信速率

250kbps2Mbps

扩频模式(250kbps),高速模式(2Mbps)。

节点间通信距离

80m2.45GHz

300m780MHz

无遮挡,无增益、无PA

最大峰值功率

1mW

采取单芯片集成和低功耗技术,节点搭载轻量级、低功耗系统,支持休眠和唤醒,节点正常工作一般为微瓦级,节点设备节能、可靠,寿命更长。

并发信道

可多达3000

采用频分×码分方式实现,可以避免出现有限空间内部署较多物联网节点时产生通信拥堵而引起掉线的问题。

子网规模

64K65535)个节点

支持单点级测控。

分组规模

256个分组

支持256个分组测控。

场景规模

64

支持64个内置语境式场景。

组网方式

无中心、自组网,网格式组网

局部故障不影响整体通信。

节点计算

内置雾计算

支持软件定义(SDX),能灵活改变节点的属性和节点间的相互关系。

网关计算

内置霾计算

霾计算与云计算结合,极大压缩通信量。

嵌入式边缘服务器能力

基于嵌入式操作系统、支持IP网络和物联网之间的协议转换、具备管理物联网络功能的WEB服务软件。

对外接口

标准的APIWeb Servers接口

为上层应用提供可以互联互操作的接口。

3.2 整体框架

基于WF-IoT的森林防火监测系统,其整体框图见下图1所示。

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基于WF-IoT森林防火监测系统的整体框图

基于WF-IoT的森林防火监测系统,主要由林区物联网络、通信传输网络、客户端和监测中心等四部分组成。其中:

1)林区物联网络。由WF-IoT节点和WF-IoT网关,在森林林区构建由WF-IoT监测节点组成的一个纯物联的无线监测网络,采集处理林区的温度、湿度、烟雾及火焰数据,并保证上述数据精确;上述数据及位置信息均通过WF-IoT网关节点上报至移动运营商网络。

2)通信传输网络。主要由移动运营商网络、互联网或局域网组成,主要是实现林区物联网络数据的上报以及系统运维管理信息的传输;

3)客户端。智能手机、平板电脑、计算机等各类客户端可以通过移动运营商网络获得林区各个被监测位置的监测数据;

4)监测中心。可以对林区物联网络上报数据及位置信息进行统一存储、处理、分析和决策,还可以通过通信传输网络对林区物联网络进行运维管理。

3.3 主要设计

3.3.1 设计原则

由于森林防火监测系统的设计是面向监测人员设计的,所以在设计过程中应遵从以下原则:

1)便捷易用。在操作过程中易于理解,便于使用,且维护简单。

2)稳定实用。在实施过程中应该能够保证各功能模块可以顺畅运行,且各功能模块都可以达到预期的目标。

3.3.2 WF-IoT监测节点

监测节点是整个系统的关键部分,是监测中心分析和决策的基本数据来源。

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2  WF-IoT监测节点的原理组成框图

WF-IoT节点的硬件电路主要由采集模块、核心控制模块(含微控制器芯片)、无线通信模块和电源管理模块等构成。其中:

l  采集模块可以外接环境温湿度传感器、烟雾传感器和火焰传感器等;

l  电源管理模块可以对太阳能和风能进行管理切换;

l  WF-IoT节点输出的开关量信号可以通过摄像机的报警输入接口(I/O端口)去联动视频监控,视频监控输出的开关量信号也可以通过报警输出接口(I/O端口)去联动WF-IoT节点,必要时WF-IoT节点也可以和视频监控的COM端口进行通信,以相互交换数据信息。

WF-IoT监测节点主要具有以下功能:

l  支持与其他WF-IoT节点灵活组网,实现无线通信;

l  支持温度、湿度、烟雾和火焰等环境参数的实时采集上报;

l  支持本地多种数据的阈值比较、融合判断等计算功能,可以在本地给出防火报警并上报,必要时可以自主引爆或者远程引爆物联网智能消防灭活雷,自动扑灭附近山火;

l  支持与视频监控的联动,提高防火报警的准确性;

l  支持节点状态的远程监测、节点的远程重启和节点程序的远程升级;

l  支持本地防盗报警,并上报盗窃事件;

l  支持风光互补供电或太阳能/风能独立供电,电池状态可上报。

3.3.3 WF-IoT网关

WF-IoT网关既是林区物联网络的一个监测节点,又是IP网络与物联网络之间的协议转换桥梁,更是一个有嵌入式操作系统的边缘服务器。

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3  WF-IoT网关的原理组成框图

WF-IoT网关的硬件电路主要由WF-IoT节点、ARM处理器及存储器、移动通信模块和电源管理模块等构成。其中:

l  WF-IoT节点支持WF-IoT网关在林区物联网内通信;

l  移动通信模块支持在移动运营商网络(IP网络)的通信;

l  电源管理模块可以对太阳能和风能进行管理切换;

l  ARM处理器及存储器,提供IP网络与物联网络之间的协议转换和对所在物联网络全部WF-IoT节点的运维管理。

WF-IoT网关主要具有以下功能:

l  支持与其他WF-IoT节点灵活组网,实现无线通信;

l  支持与IP网络的互联;

l  支持对所在物联网络全部WF-IoT节点的运维管理。

3.3.4 防火预警监测软件

客户端和监测中心的运行均依赖于防火预警监测软件。

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4  WF-IoT防火预警监测软件的功能组成框图

WF-IoT防火预警监测软件的功能主要有采集、显示、分析、运维和扩展等五部分功能。

1)采集。主要是对森林林区环境温湿度、烟雾、火焰等进行数据采集、处理和存储。

2)显示。借助GIS技术,实现GIS态势的全局展现和细化展现;提供对指定位置或区域进行查询的显示;提供联动距离最近的视频进行显示。

3)分析。主要是运用大数据和云计算技术,实现火源分析、烟火蔓延分析预测、灭火路径分析等分析功能。

4)运维。主要提供两类运维功能:

l  设备配置维护。通过软件工具,可以对所有WF-IoT节点的属性和节点之间的相互关系进行编辑或调整,同时支持远程升级和重启;

l  设备状态监测。通过软件工具,可以在线监测WF-IoT节点的通信状态及工作状态,以便保障人员及时准确地实施技术保障。

5)扩展。系统具有极强的可扩展性:

l  系统同时支持无线传感、射频识别、实时定位、智能照明等标准或协议,规模扩展和功能扩展极为简单方便;比如,巡视人员佩带电子标签,即可实现巡视人员的定位。

l  上层业务应用可以通过标准的API接口或Web service接口将本系统无缝集成。

3.4 与其他方案的比较

目前,森林防火监测的物联网技术主要有移动通信、NB-IoTZigBeeLoRa等。除移动通信以外,WF-IoT与其他物联网技术的概略性能比较见表2

国内主要物联网技术的概略比较表

技术名称

项目

NB-IoT

LoRa

ZigBee

WF-IoT

技术属性

源于国外

中国引领国际标准

源于国外

尚未形成国际标准

源于国外

尚未形成国际标准

源于国内

完全自主可控

网络类型

授权网,运营商收费

非授权网,免费

非授权网,免费

非授权网,免费

协议标准

GSM

(国际标准)

LoRaWAN协议

(LoRa联盟推出)

IEEE802.15.4

ZIGBEE

WF-IoT协议

工作频率

B5频段和B8频段

850MHz900MHz

470MHz510MHz

(国内)

2.45GHz/868MHz/915MHz

780MHz2.45GHz

(国标规定的频段)

通信速率

Max40kbps

0.3kbps50kbps

250kbps

250kbps扩频模式

2Mbps高速模式

通信距离

15km

(终端到基站)

2km(城区)

20km(郊区)

(终端到基站)

2 km(终端到基站)

80m300m(终端到终端)

20km(终端到基站)

通信方式

点播

点播

点播

点播、组播、广播

并发信道

12

8

(芯片不同略有差异)

1个(868MHz

10个(915MHz

16个(2.45GHz

20

(频分×码分)

网络拓扑

星形拓扑

星形拓扑

网格拓扑

网格拓扑

节点计算能力

不具备,依赖于上位机

不具备,依赖于上位机

不具备,依赖于上位机

霾计算能力

网络容量

64K /基站(路由)

64K/基站(路由)

50/基站(路由)

64K /子网

功耗等级

低功耗

超低功耗

超低功耗

超低功耗

应用场景

小数据量、时延不敏感

小数据量、时延不敏感

智能家居、小型应用

大数据量、时延敏感

方案适应性

不适应

秦岭中部署困难

不适应

需要部署大量基站

不适应

只支持小范围、小数量

非常适应

自组织、大范围、大数量

3.5 方案的特色

基于WF-IoT方案形成的森林防火监测系统,具有以下特色:

1)全无线设计,组网灵活,部署方便。

2)当节点端不带风能发电和视频监控等设备时,节点端设备小巧,安装灵活。

3)支持海量部署和网格化组网。WF-IoT节点具有低成本、低功耗、高可靠、大容量等特点,可以在林区进行大量部署;节点之间为网格化组网,即使部分节点出现故障也不会影响整个物联网络的通信。

4)节点端支持防火预警的计算与处理。WF-IoT节点可以通过传感器实时采集林区环境的温度、湿度、烟雾及火焰等数据,由于WF-IoT节点具有霾计算能力,能对几种不同监测结果进行融合处理,可以在上报的同时,直接在节点发出火灾报警。

5)节点端支持与视频监控的联动。WF-IoT节点可以与远距离透雾摄像+远红外热成像的视频监控进行联动,克服传统视频监控的盲区,当发生火灾报警时,也可以在节点端进行相互的比对,进一步确认报警的真实性,提高防火预警准确性。

6)支持节点设备的远程维护。系统可以实时采集节点设备状态,可以远程对节点设备进行维护或重启操作。

7)风光互补供电。利用太阳能电池板供电,当无光照条件时自动转换为风力供电。

8)防盗报警。在节点设备上配置防盗报警系统,当有入侵目标触发报警,在上报监测中心的同时,还通过播报预置语音和开启警告灯闪烁予以威慑驱离。

9)环境适应性强。节点设备按照军工级标准设计,产品内部采用恒温设计,采用整体IP67防护等级,安装简便、使用寿命长、密封防尘、防火、抗腐蚀等特点,更能适应室外,野外恶劣、低温的工作环境。

10)模块化结构设计,维护方便。节点设备集成度高、模块化设计,一旦出了故障,只需更换故障器件,设备维护方便。


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