本實(shí)用新型涉及一種監(jiān)測系統(tǒng)，尤其涉及一種基于地理信息GIS采集技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的山林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

森林生態(tài)系統(tǒng)是人類賴以生存的重要資源，森林火災(zāi)嚴(yán)重威脅著林業(yè)生產(chǎn)及人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，具有突發(fā)性和災(zāi)害發(fā)生隨機(jī)性的特點(diǎn)，短時(shí)間內(nèi)能造成巨大的損失。目前我國森林林區(qū)火險(xiǎn)監(jiān)控預(yù)警的方式還主要依靠人工監(jiān)測，存在巡護(hù)面積小、視野狹窄和反應(yīng)速度慢的缺點(diǎn)，有些林區(qū)建有林火監(jiān)測了望塔，監(jiān)測人員在了望塔上對周邊森林進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)火情后通過電話報(bào)告火情，但依然存在監(jiān)測范圍小、防火人員勞動(dòng)強(qiáng)度大和不能全天候進(jìn)行林火監(jiān)測的缺點(diǎn)。

對于森林火災(zāi)的預(yù)報(bào)預(yù)測研究，國內(nèi)外進(jìn)行了很多工作，但是國內(nèi)的研究大多數(shù)側(cè)重于對森林火災(zāi)的指揮和調(diào)度，以及林火的蔓延預(yù)測方面的研究，還沒有對森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)開展系統(tǒng)的研究。對于森林火災(zāi)的監(jiān)控，現(xiàn)運(yùn)用較多的基于3S(GIS、GPS及衛(wèi)星遙感)的森林監(jiān)測， 3S的基本工作原理是林火發(fā)生后,根據(jù)地面報(bào)告或遙感衛(wèi)星監(jiān)測圖像,確定火災(zāi)大概位置,然后迅速趕至火場,用GPS確定火點(diǎn)和火場位置的坐標(biāo)值,并在地圖上定位,確定其確切位置。對于3S技術(shù)，如由于氣象衛(wèi)星影像資料分辨率低，對發(fā)現(xiàn)的火點(diǎn)不能準(zhǔn)確判定是否為火點(diǎn)，常常導(dǎo)致基層森林防火工作者進(jìn)行一些沒有意義的撲火工作。最主要的是該系統(tǒng)是對林火發(fā)生后進(jìn)行監(jiān)測，且實(shí)時(shí)性較差，不能做到預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生。物聯(lián)網(wǎng)和GIS技術(shù)的融合，為森林防火的預(yù)測和實(shí)時(shí)監(jiān)測提供了新的思路和技術(shù)支持。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種基于地理信息GIS采集技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的山林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的目的在于：采用GIS技術(shù)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了山林火災(zāi)遠(yuǎn)程監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，通過安裝在不同位置的裝置監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)傳輸?shù)經(jīng)Q策指揮系統(tǒng)，一旦發(fā)現(xiàn)煙火等疑似警情，自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警，能有效降低監(jiān)控管理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

本實(shí)用新型通過以下技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)：一種基于地理信息GIS采集技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的山林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，包括GPS傳感器、無線傳感器節(jié)點(diǎn)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、GIS系統(tǒng)管理平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫、決策指揮系統(tǒng)；環(huán)境參數(shù)信息以及通過GPS傳感器采集位置信息經(jīng)過無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫；所述GIS系統(tǒng)管理平臺(tái)調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)信息實(shí)時(shí)發(fā)送給決策指揮系統(tǒng)，所述決策指揮系統(tǒng)根據(jù)接收的參數(shù)信息發(fā)出指令；所述環(huán)境參數(shù)信息包括通過煙霧傳感器、溫濕度傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器采集的煙霧、溫濕度、風(fēng)速環(huán)境信息；所述無線傳感網(wǎng)絡(luò)中包括以ARM8為控制核心的中央處理器；所述無線傳感網(wǎng)絡(luò)通過4G網(wǎng)絡(luò)或GPRS與監(jiān)控中心實(shí)時(shí)通信；所述煙霧傳感器型號為MIS-09C；溫濕度傳感器型號為SH11；風(fēng)速風(fēng)向傳感器型號為EC21B或PH100SX。

有益效果：該系統(tǒng)能準(zhǔn)確采集林區(qū)的環(huán)境參數(shù)信息，并進(jìn)行有效分析，與人工監(jiān)測相比，具有監(jiān)測范圍廣泛、火情發(fā)現(xiàn)速度快、響應(yīng)速度快和不受天氣因素影響等優(yōu)勢，對早日實(shí)現(xiàn)森林防火工作的規(guī)范化、科學(xué)化和信息化管理具有重要意義，能為防火提供直觀的規(guī)劃和決策支持。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型基于地理信息GIS采集技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的山林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本實(shí)用新型基于地理信息GIS采集技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的山林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

GIS系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形學(xué)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)融合的產(chǎn)物，是一種利用計(jì)算機(jī)對有關(guān)地理、空間位置的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢和顯示的計(jì)算機(jī)支持系統(tǒng)，主要用來描述現(xiàn)實(shí)世界中地物在空間上的分布及其屬性。GIS和物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)生改變了傳統(tǒng)的信息收集和信息處理方式,使信息的處理由數(shù)值領(lǐng)域進(jìn)入到了空間領(lǐng)域。目前,物聯(lián)網(wǎng)和GIS已經(jīng)在環(huán)境保護(hù)與治理、環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)害監(jiān)測和防治、生態(tài)資源保護(hù)與利用等諸多領(lǐng)域得到了初步的應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)中接入的大量的傳感設(shè)備都具有空間位置信息，這是GIS最擅長的領(lǐng)域，因此物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)為地理信息技術(shù)提供了巨大的發(fā)展機(jī)遇。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)也需要GIS等關(guān)鍵性支持技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)感知的物品信息包括其位置存在信息等空間信息，借助地理信息平臺(tái)，把地理位置與相關(guān)屬性信息有機(jī)地結(jié)合起來,根據(jù)實(shí)際需要科學(xué)準(zhǔn)確、圖文并茂地輸出處理結(jié)果給用戶。借助于 GIS,提高了對空間和非空間數(shù)據(jù)的分析、挖掘能力，強(qiáng)化了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的信息管理水平，有助于促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。

森林環(huán)境監(jiān)測需要對數(shù)量龐大、種類繁多的各種環(huán)境信息進(jìn)行采集、處理、分析、匯總。由于各監(jiān)測數(shù)據(jù)都與空間地理位置相關(guān)，因此處理起來極其復(fù)雜。GIS作為一種綜合處理和分析空間數(shù)據(jù)的技術(shù)系統(tǒng)能夠快速獲取某一空間地物的基本特征，并利用其空間信息可視化技術(shù)，能夠有效地把地理位置和相關(guān)屬性信息有機(jī)地結(jié)合起來。利用GIS技術(shù)構(gòu)筑的森林防火控制信息平臺(tái)，不但能夠使各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)信息在空間上直觀明了地顯示出來，并能為這些信息的深層次挖掘和后臺(tái)的信息服務(wù)及輔助決策提供空間屬性上的支持?；贕IS、物聯(lián)網(wǎng)的森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)包括GPS傳感器、無線傳感器節(jié)點(diǎn)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、GIS系統(tǒng)管理平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫、決策指揮系統(tǒng)、火災(zāi)預(yù)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)、火災(zāi)定位系統(tǒng)、防火應(yīng)急指揮系統(tǒng)；其特征為：環(huán)境參數(shù)信息以及通過GPS傳感器采集位置信息經(jīng)過無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫；所述GIS系統(tǒng)管理平臺(tái)調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)信息實(shí)時(shí)發(fā)送給決策指揮系統(tǒng)，所述決策指揮系統(tǒng)根據(jù)接收的參數(shù)信息向火災(zāi)預(yù)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)、火災(zāi)定位系統(tǒng)、防火應(yīng)急指揮系統(tǒng)發(fā)出指令。

該系統(tǒng)主要模塊功能原理如下：

1、基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)除了感測特定的對象,還進(jìn)行簡單的計(jì)算并維持互相之間的網(wǎng)絡(luò)連接。無線傳感網(wǎng)絡(luò)中包括以ARM8為控制核心的中央處理器，該中央控制器采用開放式設(shè)計(jì)，能夠根據(jù)需要隨時(shí)修改控制程序；所述無線傳感網(wǎng)絡(luò)通過4G網(wǎng)絡(luò)或GPRS與監(jiān)控中心實(shí)時(shí)通信；將傳感節(jié)點(diǎn)布設(shè)于森林中重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)大量實(shí)時(shí)、精確地采集溫度、濕度、光照、等環(huán)境信息，并通過A/D轉(zhuǎn)換后，各傳感節(jié)點(diǎn)采集的信息通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)匯集傳輸?shù)较到y(tǒng)監(jiān)控中心，系統(tǒng)對匯集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，幫助森林管理者有針對地對森林資源進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測，推進(jìn)森林防火的高效管理。其中，采集煙霧的煙霧傳感器型號為MIS-09C、采集溫濕度的傳感器型號為SH11、通信模塊型號為CC2420；采集光照的傳感器型號為HA2003；采集風(fēng)速風(fēng)向的風(fēng)速風(fēng)向傳感器型號為EC21B或PH100SX。

森林防火監(jiān)測系統(tǒng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體示意圖如圖2所示。它由三個(gè)主要部分：傳感節(jié)點(diǎn),匯聚節(jié)點(diǎn)、監(jiān)控中心組成。傳感節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的基本節(jié)點(diǎn),散布在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)負(fù)責(zé)環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和分析,這些節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中所需要的信息，實(shí)現(xiàn)對任意地點(diǎn)的信息在任意時(shí)間的采集、處理和分析。匯聚節(jié)點(diǎn)可以是一個(gè)具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，也可以是一個(gè)網(wǎng)關(guān)。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中,傳感節(jié)點(diǎn)任意安置在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi),除了采集特定的傳感參數(shù)信息,還進(jìn)行簡單的計(jì)算并維持互相之間的網(wǎng)絡(luò)連接。每個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)裝備有一個(gè)連接到傳輸網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān),網(wǎng)關(guān)連接傳感網(wǎng)絡(luò)與外部傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，并把收集到的信息傳到監(jiān)控中心。

2、基于GPS的傳感器定位

GPS(全球定位系統(tǒng))是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的定位手段之一。其定位方法是GPS衛(wèi)星不斷地發(fā)射導(dǎo)航電文，導(dǎo)航電文中包含了各GPS衛(wèi)星的星歷參數(shù)和時(shí)間信息，當(dāng)GPS接收機(jī)接受到導(dǎo)航電文時(shí)，提取出衛(wèi)星時(shí)間并將其與自己的時(shí)鐘作對比后測得衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時(shí)所處位置，測量出接收機(jī)至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率,解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，接收機(jī)中的微處理計(jì)算機(jī)就可按定位解算方法進(jìn)行定位計(jì)算，計(jì)算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度等位置相關(guān)信息。各傳感器節(jié)點(diǎn)在收集傳感器感知的環(huán)境參數(shù)信息參數(shù)的同時(shí)，接收來自該節(jié)點(diǎn)的處的 GPS位置信息，將該節(jié)點(diǎn)傳感器參數(shù)同位置信息進(jìn)行綁定，并將帶有位置信息的參數(shù)通過傳感網(wǎng)絡(luò)后送入到GIS管理系統(tǒng)，為GIS提供帶有定位信息的環(huán)境參數(shù)變量。

3、基于地理信息GIS采集技術(shù)為核心的山林防火決策指揮管理系統(tǒng)

地理空間分析、采集是GIS的重要標(biāo)志，GIS具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)信息管理功能，所存儲(chǔ)的信息不僅僅是屬性和時(shí)序特征，還具有統(tǒng)一的地理定位基礎(chǔ)，因此能將各種信息準(zhǔn)確的顯示、表達(dá)、解析通過地圖的形式可視化的征表現(xiàn)出來。在以GIS為中心的山林防火決策指揮系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)作為一種高效的信息采集手段，通過傳感器快速實(shí)時(shí)的獲取監(jiān)測點(diǎn)的信息，為 GIS提供具有位置信息的傳感器狀態(tài)參數(shù)。GIS森林防火決策指揮系統(tǒng)(如圖1所示)可以包括火災(zāi)預(yù)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)、火災(zāi)定位系統(tǒng)、防火應(yīng)急指揮系統(tǒng)等?；馂?zāi)預(yù)測預(yù)報(bào)功能模塊主要是用來預(yù)測監(jiān)測林區(qū)在一定時(shí)間內(nèi)發(fā)生森林火災(zāi)的可能性和危險(xiǎn)程度，根據(jù)預(yù)測結(jié)果劃分出火險(xiǎn)等級，為防火工作者提前預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生提供參考?；馂?zāi)定位系統(tǒng)接收到GPS解接收機(jī)的位置信息，準(zhǔn)確地在電子地圖上定位和顯示火災(zāi)發(fā)生的位置。并將火災(zāi)位置傳于防火應(yīng)急指揮系統(tǒng)，以便防火指揮中心迅速確定火災(zāi)的位置，進(jìn)行快速的撲火調(diào)度。防火應(yīng)急指揮系統(tǒng)根據(jù)火情的等級及危險(xiǎn)程度，快速制定出可行的火災(zāi)撲救的方法，結(jié)合防火區(qū)域的防火設(shè)施和力量，及時(shí)的實(shí)施撲火指揮調(diào)度，達(dá)到科學(xué)、合理、高效，使森林火災(zāi)的損失降低到最小的程度。在基于地理信息GIS采集技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的山林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)中，GIS作為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析的工具，物聯(lián)網(wǎng)可以作為GIS重要的數(shù)據(jù)源，GPS為物聯(lián)網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)置入位置信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體積小并只需要部署一次就可以長期搜集監(jiān)測數(shù)據(jù)，對于森林環(huán)境信息的及時(shí)快速的收集無線傳感技術(shù)相比衛(wèi)星遙感技術(shù)無可比擬的優(yōu)勢。GIS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理功能和空間分析功能其圖形化的界面增加了人機(jī)交互的方便性和簡易性。通過對 GIS技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)融合技術(shù)的研究，建立起一個(gè)具有火情預(yù)測預(yù)報(bào)、火災(zāi)監(jiān)測實(shí)時(shí)、火災(zāi)定位精確的森林防火監(jiān)測系統(tǒng)。大大提高了火災(zāi)預(yù)測預(yù)報(bào)及撲火指揮的決策能力及調(diào)度效率。

實(shí)施例2

山林內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，而且火災(zāi)信號也具有很大的隨機(jī)性，環(huán)境變化和傳感器系統(tǒng)內(nèi)部噪聲對煙霧參數(shù)會(huì)產(chǎn)生干擾，需要將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波處理，并要求信號處理算法能夠適應(yīng)各種環(huán)境因素變化的影響，自動(dòng)調(diào)整報(bào)警參數(shù)以達(dá)到既能快速探測火災(zāi)又降低誤報(bào)率的目的。

模糊數(shù)學(xué)中的模糊邏輯理論很好地解決了采用精確計(jì)算和布爾邏輯難以確定的問題，故在控制器的信號數(shù)據(jù)處理中采用了模糊邏輯算法，以解決外界干擾的模糊性和報(bào)警閾值變化之間的關(guān)系，從而達(dá)到提高監(jiān)測節(jié)點(diǎn)可靠性的目的。

具體算法如下：首先對經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后的煙霧信號進(jìn)行模糊化處理，具體如下：①當(dāng)煙霧信號值x小于閾值B0時(shí)，認(rèn)為沒有出現(xiàn)火警；②當(dāng)信號值x大于閾值B1時(shí)，認(rèn)為出現(xiàn)火警；③當(dāng)信號值x介于B0和B1兩個(gè)閾值之間時(shí)，認(rèn)為可能出現(xiàn)火警，并且x越大越接近 B1時(shí)，火警出現(xiàn)的根據(jù)越充分。模糊化隸屬度函數(shù)如下：

式中，A為反應(yīng)火災(zāi)出現(xiàn)可能性的模糊量，f(x)為相應(yīng)的隸屬度。外界環(huán)境的干擾信號帶來的影響是瞬態(tài)的，可采用窗口移動(dòng)濾法來提高抗干擾能力。濾波函數(shù)如下：

窗口大小取值為5，當(dāng)連續(xù)有5次f(x)值不為零時(shí)，計(jì)算K值，判斷K值是否超過閾值K0，如果K大于或等于K0時(shí)立即報(bào)警，否則不報(bào)警。

同時(shí)，模糊量A是一個(gè)與溫度相關(guān)的值，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)在探測煙霧的同時(shí)，還通過溫度傳感器對現(xiàn)場環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測，A與溫度的對應(yīng)關(guān)系表預(yù)先存入單片機(jī)中，控制器MSP430F149 根據(jù)監(jiān)測到的環(huán)境溫度查找該關(guān)系表，以確定A的值；閾值B0、B1和K0是3個(gè)關(guān)系報(bào)警器精度的量，需合理設(shè)置以確保報(bào)警器在精度符合國家標(biāo)準(zhǔn)的前提下大幅降低誤報(bào)率。

根據(jù)地理和氣候條件，在林區(qū)設(shè)置了8個(gè)監(jiān)測區(qū)：A～H，每個(gè)監(jiān)測區(qū)布置了8個(gè)監(jiān)測點(diǎn)： P1～P8，選擇了A的8個(gè)點(diǎn)：AP1～AP8對設(shè)備進(jìn)行了現(xiàn)場測試，測得的溫度、濕度、煙霧濃度、風(fēng)向和風(fēng)速等信息如下表1所示。從下表1的數(shù)據(jù)上看，林區(qū)A的溫度較高，平均溫度為25.95℃，平均濕度為20.54RH％，風(fēng)速的平均值為1.004m/s，屬于高溫、干燥和微風(fēng)的環(huán)境，通過煙霧濃度數(shù)據(jù)觀察到目前無火災(zāi)警報(bào)，經(jīng)過火險(xiǎn)等級預(yù)測分析可知：在這種環(huán)境下極易發(fā)生火災(zāi)，可以向森林防火監(jiān)測中心管理部門提供科學(xué)的數(shù)據(jù)，便于盡快做出應(yīng)對方案。

表1

在以上的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本實(shí)用新型。但是以上描述僅是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，本實(shí)用新型能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實(shí)施，因此本實(shí)用新型不受上面公開的具體實(shí)施的限制。同時(shí)任何熟悉本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本實(shí)用新型技術(shù)方案做出許多可能的變動(dòng)和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。凡是未脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。