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综合多种传感器的森林火灾预警系统设计
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2024-01-17
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1
检测与转换技术
大作业
题 目 森林火灾预警系统设计
院 系 信息工程学院
班 级
学生姓名
学生学号
日 期
序号
2
森林火灾预警系统
摘要:本文介绍了森林火灾预警系统系统的设计背景、系统构成,重点阐述
了火灾预警系统所采用的各种传感器的检测原理,检测电路及转换技术,分析了
系统检测部分精度,误差来源及解决方法。
关键字:森林火灾预警系统,温度传感器,烟雾传感器,图像传感器,北斗
定位,预警控制。
一、 设计背景及意义
设计背景
绿水青山就是金山银山,森林作为人类生存和经济社会发展的必备资源,在
保护生态平衡方面发挥着不可替代的作用。它不仅为人类生活提供必需的木材和
其他产品,而且还具有释放氧气,改善环境,储存水分,调节气候,维持和增加
农业和畜牧业生产等重要作用。我国森林资源丰富,森林覆盖率高,面积广阔,
森林的存在无论是对人类生存环境还是保持物种多样性等方面都至关重要。而这
些森林资源正受到了来自自然灾害、人为破坏以及各种不确定性因素的困扰。其
中,火灾威胁是最大原因之一,每年地球上因各种火灾引起的森林面积减少的事
件时有发生。这些火灾的发生又以自然因素和部分人为因素为主,自然因素引起
的火灾不容易被及时发现,导致的损害也极其恶劣。
设计意义
建立一套森林火灾预警系统一方面可以迅速地发现灾情,另一方面又可以减
少巡查火灾的人员数量,以减轻国家在这方面的财政压力。该系统旨在组建一个
无线传感器网络,通过前端的传感器实时采集森林现场的火灾情况,对火灾进行
预警,通过无线网络将信息发送给森林巡查员或者林业管理部门,以保证林业管
理部门第一时间核实信息,发布火灾灾情,进行扑救。
二、 设计方案
2.1 火灾预警系统要求
1. 实时监测:系统应该能够实时监测森林火灾的情况,包括火势、火源位
3
置。监测数据应准确可靠,并能及时更新。
2. 预测与预警能力:系统应具备火灾预测的能力,通过分析多种因素(如
环境温度、烟雾浓度等),提前预警火灾可能发生的位置和时间,以便及时采取
应对措施。
3. 多样化的传感器:系统应配备多种类型的传感器,包括温度传感器、烟
雾传感器、图像传感器等,以提高火灾检测的准确性和全面性。
4. 数据分析与处理:系统应具备对数据进行分析和处理的能力,以识别火
灾的规模,并提供预警信息和建议。
5. 预警信息的及时传递:系统应能够及时将预警信息传递给相关人员和机
构,包括森林管理者、消防部门等。
7. 可靠性与稳定性:系统应具备高可靠性和稳定性,能够长时间运行,能
够适应当地森林环境。
8. 可操作性:系统应简单易用,操作界面直观清晰,方便相关人员进行监
控。
2.2 火灾预警方法及比较
1. 火灾气象预警:监测气象数据,特别是温度、湿度、风速和风向等参数,
通过火灾气象模型和算法,预测森林火险等级和火灾发生可能性,并及时发布预
警信息。
优点:可以预测火灾发生的可能性,提前做好防范措施,适用范围广。
缺点:预测准确度受到气象数据和模型精度的限制,无法直接检测火点。
2. 火灾雷达预警:利用火灾雷达探测火点,通过监测火源热辐射能量的变
化,及时发出火灾预警信号。
优点:能够实时监测火点的热辐射能量,能够快速发出火灾预警信号。
缺点:设备和技术成本较高,覆盖范围有限。
3. 火灾监测网络预警:建立火灾监测网络,通过安装传感器和监测设备,
实时监测森林火险因素,如干旱程度、气温、相对湿度等,及时发出火灾预警。
优点:通过建立监测网络可以实时监测火险因素,预警及时准确。
缺点:需要投入较大的设备和人力资源,网络覆盖有局限性。
4. 空中监测预警:利用无人机、卫星等空中监测技术,对森林火灾进行实
时监控,通过图像识别和热成像技术,发现潜在的火点,并及时报警。
优点:可以迅速发现火灾火点和火势变化,覆盖范围广。
4
缺点:设备和技术成本高,对气象条件有一定的依赖。
5. 火灾人工巡逻预警:组织专业巡护队伍进行日常巡逻,及时发现火点、
火线和火势变化,迅速报警并采取应急措施。
优点:通过巡护队伍实地巡逻,能够及时发现火点和火势变化。
缺点:依赖人力资源,覆盖范围有限。
这些预警方法可以单独应用,也可以结合使用,以提高对森林火灾的预警效
果。
2.3 火灾预警系统部分常用方案及比较
方案一 《基于 STM32F103RBT66 单片机的新型森林火灾检测报警装置研究》
杨春迪,陆娟,储增帮,范缤元,陈钊,岳喜姗.东北林业大学
本装置系统以 STM32F103RBT6 单片机作为核心部件,采用 MQ-2 烟雾传感器
监测环境中气体浓度,DS18B20 温度传感器实时测温,OV2640 摄像头模块反馈画
面,将上述采集的数据信息通过模数转换输入单片机系统进行一系列处理,使用
蜂鸣器、SIM800C、ATGM336H 模块实现声音报警、短信警、实时定位等功能。一
旦监测环境中气体浓度达到设定的阈限值或环境温度达到报警范围,单片机立刻
驱动蜂鸣器报警,并将起火位置以短信的形式发送至护林员手机。此外,护林员
可通过摄像头实时查看监控画面排查林内情况。报警装置系统框架见图 1。
图 1
比较:采用 3 种传感器,提高了检测结果的准确性与全面性。
方案二 《森林防火远程视频监控预警系统建设》
孟令涛.中国海洋大学
森林防火远程视频监控预警系统的组成主要包含以下三个部分:即林区系统
传输,前端监控、终端管理平台。
林区前端监控主要包括采集定位系统(高清摄像机、重型云台),相应的供
电系统(稳压电源或不间断电源)、传输系统(光端机)、设备防盗监控系统
5
(防盗摄像机、语音呼叫设备、室外设备箱)、以及基塔和避雷接地系统等设施;
系统传输主要是有线(光纤)传输方式,辅以同轴电缆和控制线缆传输信号
的接入;
终端管理平台是由地理信息系统、数字视频管理录像系统、报警与预警系统、
森林烟火自动识别以及 UPS 电源等组合而成。
比较:系统设计完备度高,实用性强,但是传感器类型单一,仅有图像传感
器,缺乏全面性判断能力。
方案三《基于物联网和图像处理的森林智慧烟感预警系统》
张松涛,张洪敏,安浩平,杨森,吴洋.河南省科学院应用物理研究所有限
公司
森林智慧烟感预警系统主要包括传感器采集模块、信息交互模块、物联网基
站、摄像机模块、视频图像处理模块、深度学习模块、云上系统、控制终端和消
防喷淋模块等,如图 1 所示。一方面,传感器采集模块会实时采集农业森林的温
湿度和光照强度等模拟信号,并将模拟信号转换调理成数字信号,通过 4G 无线
通信网络将数字信号发送给物联网基站;物联网基站收到数据信息后,会将一段
时间的数据信息压缩打包后统一发送给云上系统。另一方面,摄像机模块的多个
摄像机在拍摄视频信息后会通过无线网络将视频流发送给视频图像处理模块。视
频图像处理模块将视频进行处理后进行初步的火焰和烟雾识别;同时,每个 20s
对一帧图像进行深度学习处理,判断是否地方发生火灾,判断完成后将处理结果
通过网络发送给云上系统。云上系统汇总温湿度、光照强度和多个摄像机的数据
信息,判断是否有发生火灾,最后将结果发送给控制终端,控制终端根据收到的
信息显示所有数据以及是否有发生火灾。若农业森林有发生火灾,系统会在终端
设备上显示并报警,同时还会打开消防喷淋模块进行灭火。如图 2。
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疾风75
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