一种森林火灾远程无线监测及预警系统和方法与流程

1.本发明属于远程监测技术领域，具体涉及一种森林火灾远程无线监测及预警系统和方法。


背景技术：

2.自地球产生植被与森林，森林火灾就从未断绝，有雷击起火，有的是人为失火，也有高压电线短路起火等。据统计，全球每年会发生10万次左右的森林火灾，因森林火灾而损失的森林面积至少占全球森林面积的1％。森林因其地处偏远，交通与通讯困难，一旦发生森林火灾，由于不能及时预警和扑救，将会造成重大的财产损失，甚至大量的人员伤亡。
3.森林火灾不但能烧伤、烧死动植物，甚至导致动植物的灭绝；能破坏土壤的结构和性质，使土壤的保湿性和透气性下降，甚至导致部分森林变成沼泽；森林火灾能使土壤碳化，导致地表阳性杂草丛生，森林贡献的生产力直接减少，造成低价值森林。因此，森林火灾将会严重影响森林生态系统，使得生态平衡失调。随着森林防火需求的不断升级，发明适用于森林火灾的自动监测及预警系统具有重要意义。
4.目前在森林防火领域，市面上已经出现一些基于无线传输方式的火灾监控系统，如浪潮电子信息产业有限公司开发的基于zigbee的森林火灾报警定位系统；基于红外热像仪和短波技术的无线森林火灾报警系统；威锐科技的5.8g无线传输线路的森林防火无线监控系统等。但是其监测范围依旧较小、传输距离近、通信能力弱、成本高，尤其是性能和稳定性较差。今年来，也出出现了一些带gprs或者专用无线网络功能的森林火灾报警系统，但其成本较高，推广性较差，无法适用于远距离的复杂场景火灾监测及预警。


技术实现要素：

5.本发明公开了一种森林火灾远程无线监测及预警系统和方法，拟解决背景技术中提到的无法适用于远距离的复杂场景火灾监测及预警。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
7.一种森林火灾远程无线监测及预警系统，包括设置在各监测节点用于监测火焰信号的监测模块、与所述监测模块通信的主控模块、与主控模块通信的显示模块；所述主控模块通过 as32
‑
d33传输模块与远程监测站通信；
8.所述主控模块包括主控制器、电源、时钟电路、复位电路、启动电路以及jtag接口；
9.所述各监测节点还设置有模数转换模块，模数转换模块用于将传感器输出的模拟电压信号转换为数字信号，并发送给主控模块处理。
10.本发明中无线传输模块采用工业级的as32
‑
d33传输模块，其工作频率为433mhz，功率2w，芯片是射频芯片sx1278，采用lora扩频调制，输出信号为高低电平，可以在四种模式间自由切换(其中省电模式为系统节省了大量能量)。该模块基于lora无线通信技术进行远距离无线通讯传输，环境及干扰程度不同，使用效果也会不同，经实际测试，在空旷地带传输距离约为16000米，故需将该as32
‑
d33传输模块安装在森林的高处，信号的传递效果最
佳。并且还可以调整发射频率改变as32
‑
d33传输模块的穿透力和传输距离；基于上述可知本发明实现了远距离的火灾场景监控及预警，并且本发明的信号传输稳定性高，抗干扰的能力强。
11.优选的，所述主控模块采用stm32f103zet6单片机；stm32f103zet6单片机的时钟不超过14mhz，所述单片机stm32f103zet6的缓冲器设置为dma方式。
12.本发明的stm32f103zet6单片机包括iic通信两线制串行总线、核心芯片采用stm32 芯片，ad转换使用stm自带的12位adc，usart串口选用usart2接口。其中：iic是在微控制器和外部设备之间进行数据传输的协议，时钟线scl及数据线sda共同起到对数据收发行为，在cpu与被控iic之间、iic与iic之间进行双向传送，传输速度400kbps左右，传送数据的过程中iic总线分三类信号；核心芯片采用stm32芯片，该芯片有8个定时器，3个adc，2个iic，2个usart，112个io等，其价格低廉、能量消耗小、拥有强大的性能，是32位mcu中最常选用的类型，stm32自带12位adc，adc的最大的转换速率是1mhz。本发明为了最终的转换结果精度高，故stm32f103zet6单片机的时钟不超过 14mhz；主控制器usart串口采用最为常用的同步异步收发器，主要是因其使用灵活度高，异步串行数据通讯格式是国家工业标准nrz，外部设备利用串口通信可以进行全双工数据交换，分数波特率发生器为串口通讯提供波特率范围广，支持的通讯方式多样，还能实现多处理器之间的通讯，并且本发明为了提高数据传输的速度，将缓冲器设置为dma方式。
13.优选的，所述各监测点还设置有蜂蜜器和报警指示灯。通过在各监测点设置蜂鸣器和报警指示灯使得在监测点附近的人能够基于蜂鸣器和报警指示灯的警示，紧急避险。
14.优选的，所述监测模块采用火焰传感器。
15.本发明的火焰传感器器采用红外火焰传感器yl
‑
38，该模块检测波长760nm
‑
1100nm，工作电压3.3v
‑
5v，设计形式为双面板，实际探测中火焰越大，输出变化越大，输出为模拟量和数字量。该模块接口为四线制：vcc外接单片机提供5v电压；外接gnd；d0小板数字量输出接口(0和1)；a0小板模拟量输出接口。
16.进一步的，所述控制器中设置有极限阈值，控制器接收到的火焰信号大于极限阈值时，则触发报警。由于火焰传感器对火焰和光敏感，但对普通光源也有一定的反应，位置需做好误差处理；数字量输出模块在普通环境或火焰强度太低情况下，d0输出电平为高，不触发报警；当触发报警，模块d0输出电平为低，通过对单片机i0口配置，模块的数值量可以直接用单片机读取，以此判断火灾是否发生；传感器模拟量输出a0与ad模块连接或与单片机直接相连，利用其ad变换器对数据进行处理，可以得到更加精确的电压信号。
17.所述远程监测站包括上位机labview模块、蜂鸣器以及显示屏。
18.一种森林火灾远程无线监测及预警方法，包括以下步骤：
19.步骤1：监测模块采集信号，将采集的信号传输给本地显示模块显示；
20.步骤2：主控模块将步骤1中监测到的信号，进行滤波与模数转换，将模拟量转换为数字量；
21.步骤3：主控模块基于实际监测到的数字量信息与预设的极限阈值比对，当实际监测到的数字量信息大于预设的极限阈值时，则生成报警信号；
22.步骤4：基于生成的报警信号，主控模块控制本地蜂鸣器和报警指示灯工作，并将所述报警信息发送至无线传输网络模块；
23.步骤5：通过无线传输网络模块将报警信号发送至远程监测站的上位机labview模块。
24.优选的，步骤5中所述的上位机labview模块采用while循环模块对接收到的数据进行处理，采用属性节点获取串口容量。
25.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明的森林火灾远程无线监测及预警系统，整个火灾的监测范围大，森林火灾预警及时，费用较低，施工部署简单，装置采用as32
‑
d33无线传输模块构建传输网络，将数据由终端节点发送到协调器节点，通过串口通信将数据传输到labview上位机进行数据显示，通过上位机和无线传输网络实现对多个监测点的实时火灾监测及预警，解决了森林火灾远程监测预警困难问题，并且具有很高的火灾监测效果及稳定性和自动报警特点。
附图说明
26.本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
27.图1为本发明系统硬件结构示意图。
28.图2为本发明系统硬件电路图。
29.图3为本发明的系统主程序流程图。
30.图4为本发明的各监测节点火焰传感器数据采集流程图。
31.图5为本发明的as32
‑
d33无线传输模块数据发送流程图。
32.图6为本发明的深林监测站上位机串口配置程序图。
33.图7为本发明森林监测站上位机数据处理程序图。
具体实施方式
34.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
35.下面结合附图1到附图7对本发明的实施例作详细描述；
36.一种森林火灾远程无线监测及预警系统，包括设置在各监测节点用于监测火焰信号的监测模块、与所述监测模块通信的主控模块、与主控模块通信的显示模块；所述主控模块通过 as32
‑
d33传输模块与远程监测站通信；
37.所述主控模块包括主控制器、电源、时钟电路、复位电路、启动电路以及jtag接口；
38.所述各监测节点还设置有模数转换模块，模数转换模块用于将传感器输出的模拟电压信号转换为数字信号，并发送给主控模块处理。
39.本发明中无线传输模块采用工业级的as32
‑
d33传输模块，其工作频率为433mhz，功率2w，芯片是射频芯片sx1278，采用lora扩频调制，输出信号为高低电平，可以在四种模式间自由切换(其中省电模式为系统节省了大量能量)。该模块基于lora无线通信技术进行
远距离无线通讯传输，环境及干扰程度不同，使用效果也会不同，经实际测试，在空旷地带传输距离约为16000米，故需将该as32
‑
d33传输模块安装在森林的高处，信号的传递效果最佳。并且还可以调整发射频率改变as32
‑
d33传输模块的穿透力和传输距离；基于上述可知本发明实现了远距离的火灾场景监控及预警，并且本发明的信号传输稳定性高，抗干扰的能力强。
40.所述主控模块采用stm32f103zet6单片机；stm32f103zet6单片机的时钟不超过 14mhz，所述单片机stm32f103zet6的缓冲器设置为dma方式。
41.本发明的stm32f103zet6单片机包括iic通信两线制串行总线、核心芯片采用stm32 芯片，ad转换使用stm自带的12位adc，usart串口选用usart2接口。其中：iic是在微控制器和外部设备之间进行数据传输的协议，时钟线scl及数据线sda共同起到对数据收发行为，在cpu与被控iic之间、iic与iic之间进行双向传送，传输速度400kbps左右，传送数据的过程中iic总线分三类信号；核心芯片采用stm32芯片，该芯片有8个定时器，3个adc，2个iic，2个usart，112个io等，其价格低廉、能量消耗小、拥有强大的性能，是32位mcu中最常选用的类型，stm32自带12位adc，adc的最大的转换速率是1mhz。本发明为了最终的转换结果精度高，故stm32f103zet6单片机的时钟不超过 14mhz；主控制器usart串口采用最为常用的同步异步收发器，主要是因其使用灵活度高，异步串行数据通讯格式是国家工业标准nrz，外部设备利用串口通信可以进行全双工数据交换，分数波特率发生器为串口通讯提供波特率范围广，支持的通讯方式多样，还能实现多处理器之间的通讯，并且本发明为了提高数据传输的速度，将缓冲器设置为dma方式。
42.所述各监测点还设置有蜂蜜器和报警指示灯。通过在各监测点设置蜂鸣器和报警指示灯使得在监测点附近的人能够基于蜂鸣器和报警指示灯的警示，紧急避险。
43.所述监测模块采用火焰传感器。
44.本发明的火焰传感器器采用红外火焰传感器yl
‑
38，该模块检测波长760nm
‑
1100nm，工作电压3.3v
‑
5v，设计形式为双面板，实际探测中火焰越大，输出变化越大，输出为模拟量和数字量。该模块接口为四线制：vcc外接单片机提供5v电压；外接gnd；d0小板数字量输出接口(0和1)；a0小板模拟量输出接口。
45.所述控制器中设置有极限阈值，控制器接收到的火焰信号大于极限阈值时，则触发报警。由于火焰传感器对火焰和和光敏感，但对普通光源也有一定的反应，位置需做好误差处理；数字量输出模块在普通环境或火焰强度太低情况下，d0输出电平为高，不触发报警；当触发报警，模块d0输出电平为低，通过对单片机i0口配置，模块的数值量可以直接用单片机读取，以此判断火灾是否发生；传感器模拟量输出a0与ad模块连接或与单片机直接相连，利用其ad变换器对数据进行处理，可以得到更加精确的电压信号。
46.所述远程监测站包括上位机labview模块、蜂鸣器以及显示屏。
47.一种森林火灾远程无线监测及预警方法，包括以下步骤：
48.步骤1：监测模块采集信号，将采集的信号传输给本地显示模块显示；
49.步骤2：主控模块将步骤1中监测到的信号，进行滤波与模数转换，将模拟量转换为数字量；
50.步骤3：主控模块基于实际监测到的数字量信息与预设的极限阈值比对，当实际监测到的数字量信息大于预设的极限阈值时，则生成报警信号；
keil来达到编辑程序的目的，它是stm32系列兼容单片机c语言开发软件，该软件是keil software公司出品。keil uvision软件功能非常强大，适用于大型的软件开发项目。各个模块的流程具体实施如下：
61.(1)各监测节点火焰传感器数据采集模块流程实施：各监测节点火焰传感器数据采集流程如图4所示，火焰传感器模块直接输出电压信号(0
‑
3.3v)，信号一方面在本地显示，另一方面通过滤波与数据处理程序，处理成报警信号，由主程序通过串口通信发送至as32
‑
d33 模块发送。
62.(2)as32
‑
d33模块网络的建立：通过as32
‑
d33传输网络，将数据由终端节点发送到协调器节点，as32
‑
d33无限传输模块数据发送流程如图5。as32
‑
d33组网配置主要包括波特频、停止位，数据位，校验位，数据发送速率，模块模式与地址，通信信道，发射功率，无线模式设置等：1)波特频，停止位，数据位，校验位两模块配置成三者相同。波特频：9600；数据位：8位；停止位：1位；校验位：0位。2)数据发送速率：空中速率(速率越大越快) 为(0.3k，1.2k，2.4k(默认)，4.8k，9.6k，19.2k)，该发明选择4.8k速率。3)根据as32
‑
d33 模块模式地址功能表,本发明选用透明广播模式。通讯地址：1234；通讯信道：99。4)发射功率设置最大功率，功率越大数据传输距离越远，无线模式设置成为全双工。
63.(3)森林监测站上位机labview模块实施：单片机stm32的火灾报警信号通过 as32
‑
d33网络传输到监测站上位机中，发明采用labview图形编程语言作为系统的上位机软件。通过labview中的visa模块进行串口的数据配置，串口配置程序如图6所示，之后获得串口数据(波特率、串口编号、数据位及校验位等)。配置串口后，上位机利用while循环模块，对接收到数据进行处理，发明中通过属性节点获取串口数据容量，为缓冲区提供合适大小的数据。数据处理程序如图7所示，通过处理后的火灾报警信号再通过前面板显示。
64.以上所述实施例仅表达了本技术的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。