一、項(xiàng)目概述
　　1.1 引言
　　森林是人類生存和可持續(xù)發(fā)展的寶貴資源，在國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展中具有不可替代的地位和作用。森林資源是地球上重要的資源之一，是生物多樣化的基礎(chǔ)，它不僅能夠?yàn)樯a(chǎn)和生活提供多種寶貴的木材和原材料，能夠?yàn)槿祟惤?jīng)濟(jì)生活提供多種食品，更重要的是森林能夠調(diào)節(jié)氣候、保持水土、防止和減輕旱澇、風(fēng)沙、冰雹等自然災(zāi)害；還有凈化空氣、消除噪音等功能。但往往出于人為因素和自然因素的影響，使森林資源飽受森林火災(zāi)的致命侵害，嚴(yán)重威脅和損害森林生態(tài)和人類生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，研究森林的火災(zāi)特征并提供相應(yīng)的防治與控制技術(shù)，為其設(shè)計(jì)合理的火災(zāi)自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)及滅火系統(tǒng)是十分必要，而且刻不容緩的。傳統(tǒng)的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)、撲救、火險(xiǎn)預(yù)測(cè)等防火技術(shù)存在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)難、數(shù)據(jù)分散、通信不方便、應(yīng)急反應(yīng)慢、不易歸檔統(tǒng)計(jì)、評(píng)估預(yù)測(cè)無可比性等諸多缺憾。作為與地理信息密切相關(guān)的森林防火，本文采用無線傳感和以太網(wǎng)技術(shù)，可以大為提高森林防火的監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、分析、統(tǒng)計(jì)、決策水平，從而防患于未燃，發(fā)現(xiàn)于小火，及時(shí)撲救，最大限度地減少森林火災(zāi)的損失，保護(hù)森林生態(tài)資源和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。
　　1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)
　　森林是人類賴以生存及社會(huì)發(fā)展最重要和不可缺少的資源之一，更是地球生態(tài)平衡的保護(hù)者。它不僅可以生產(chǎn)木材及其它林副產(chǎn)品，供人類從事生產(chǎn)和生活需要，成為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)不可缺少的物質(zhì)基礎(chǔ)，而且又是維持生態(tài)系統(tǒng)平衡，保護(hù)和美化環(huán)境，有利于農(nóng)、牧、副等生產(chǎn)事業(yè)，造福于人類的一種偉大的力量。但是，由于人們?cè)谏鐣?huì)活動(dòng)中的某些失控及異常自然因素影響等原因，森林火災(zāi)時(shí)有發(fā)生。 森林火災(zāi)是破壞森林資源安全、威脅人類生存環(huán)境最為嚴(yán)重的災(zāi)害之一。近些年隨著氣候變動(dòng)、人為活動(dòng)等因素的影響，森林火災(zāi)有加劇上升的趨勢(shì)，預(yù)防和監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)已成為世界各國森林防火部門的一個(gè)重要研究熱點(diǎn)。
　　森林火災(zāi)是指失去人為控制，在林地內(nèi)自由蔓延和擴(kuò)展，并對(duì)森林、生態(tài)系統(tǒng)和人類帶來一定危害和損失的林火行為。森林火災(zāi)是一種突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、處置救助較為困難，造成的經(jīng)濟(jì)損失相當(dāng)嚴(yán)重的自然災(zāi)害。我國國土遼闊、地形復(fù)雜多樣，各地氣候千差萬別，同時(shí)人口眾多，人口分布廣泛，造成了森林火災(zāi)頻發(fā)，成為一個(gè)森林火災(zāi)多發(fā)的國家。
　　森林火災(zāi)的發(fā)生，絕不是偶然。從氣候角度考察，它們都有一個(gè)孕育的過程，即只有當(dāng)環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、降水量積累到一定閾值，才可能引發(fā)林火。這些條件因素具有明顯的地域性和季節(jié)性特點(diǎn)，和氣象因子有直接密切的關(guān)系。如果能采取積極有效措施，對(duì)重點(diǎn)林區(qū)的環(huán)境因子做到實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地探測(cè)感知，無疑將極大地提高火險(xiǎn)預(yù)知、報(bào)警的主動(dòng)性和準(zhǔn)確性。因此，預(yù)防和監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)技術(shù)的選擇顯得尤為重要。
　　傳統(tǒng)的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)、撲救、火險(xiǎn)預(yù)測(cè)等防火技術(shù)存在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)難、數(shù)據(jù)分散、通信不方便、應(yīng)急反應(yīng)慢、不易歸檔統(tǒng)計(jì)、評(píng)估預(yù)測(cè)無可比性等諸多缺憾。基于傳統(tǒng)森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)方法存在的不足， 本文將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)引入到森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)中來，構(gòu)建了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有關(guān)被測(cè)參數(shù)（例如溫度、煙霧濃度等） 并發(fā)送給監(jiān)控中心的PC機(jī)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并與正常的氣象數(shù)據(jù)以及該地區(qū)森林資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)相比較，判斷是否具有林火發(fā)生的危險(xiǎn)，為有關(guān)部門采取相應(yīng)的防火或滅火措施提供決策依據(jù)。
　　二、需求分析
　　2.1 功能要求
　　本次設(shè)計(jì)的森林防火報(bào)警系統(tǒng)主要由總控系統(tǒng)、傳輸節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)組成。總控系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)都采用AVR32AT32UC3A單片機(jī)作為主控制芯片。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)在AVR32 AT32UC3A單片機(jī)控制下采集溫度傳感器及煙霧傳感器的信息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過Zigbee模塊將采集的信息傳送至傳輸節(jié)點(diǎn)的GPRS模塊，然后GPRS模塊再將各個(gè)Zigbee模塊傳送來的信息通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至總控系統(tǒng)。總控系統(tǒng)用于接收GPRS網(wǎng)絡(luò)傳來的各節(jié)點(diǎn)信息，通過分析處理數(shù)據(jù)，監(jiān)控林火情況并能完成聲光報(bào)警，此外還能通過GSM模塊以短信方式將報(bào)警信息實(shí)時(shí)發(fā)送給相關(guān)人員。其系統(tǒng)架構(gòu)如下圖所示：
　　
　　圖1 系統(tǒng)架構(gòu)
　　2.2 性能要求
　　1、監(jiān)測(cè)結(jié)點(diǎn)每五分鐘發(fā)送一次信號(hào)；
　　2、當(dāng)溫度超過一定值且煙霧濃度超過上限值通過監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的Zigbee模塊傳送至傳輸節(jié)點(diǎn)，再由傳輸節(jié)點(diǎn)通過GPRS模塊將信息傳送至總控系統(tǒng)。
　　三、方案設(shè)計(jì)
　　3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理
　　（1）監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)
　　監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)是組成無線傳感監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的基本單位，是構(gòu)成無線傳感監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)平臺(tái)。 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、無線通訊模塊和電源模塊四部分組成。其中傳感器模塊主要包含溫度傳感器和煙霧濃度傳感器，溫度傳感器由大賽所用開發(fā)平臺(tái)EVK1105提供，而煙霧濃度傳感器由自己配備，負(fù)責(zé)采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)的煙霧濃度、溫度參數(shù)。無線通訊模塊負(fù)責(zé)與傳輸節(jié)點(diǎn)的GPRS模塊進(jìn)行無線通訊，將傳感器所采集的數(shù)據(jù)信息利用Zigbee協(xié)議傳送給傳輸節(jié)點(diǎn)的GPRS模塊。電源部分主要給傳感器模塊、無線通訊模塊供電 ，負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)，是決定網(wǎng)絡(luò)生存期的關(guān)鍵因素。
　　監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件組成包括一個(gè)AVR32 AT32UC3A單片機(jī)，EVK1105中的溫度傳感器部分，自備的煙霧濃度傳感器，無線編碼和發(fā)送器（Zigbee模塊）等。