段延喜

(惠州學(xué)院 電子科學(xué)系，廣東 惠州 516007)

無線傳輸森林防火報(bào)警系統(tǒng)

段延喜

(惠州學(xué)院 電子科學(xué)系，廣東 惠州 516007)

“無線傳輸森林防火報(bào)警系統(tǒng)”以分散安裝在森林里的火源探測器為基本構(gòu)成單元，探測器以太陽能電池為電源，由紅外火源探測裝置和ZigBee構(gòu)成的無線收發(fā)裝置等部分組成，以無線方式進(jìn)行通訊，并通過互聯(lián)網(wǎng)將火警傳送到森林防火指揮中心。為防止信號淹沒,保證實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，給出了通信協(xié)議，并實(shí)現(xiàn)了通信仿真。

森林防火；火警；無線傳輸；探測器；信號淹沒

1 森林防火技術(shù)現(xiàn)狀

森林是國家的重要資源和財(cái)富，不僅具有可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，更重要的還有調(diào)治生態(tài)、保持水土、改善環(huán)境的作用。盡管人為的破壞很嚴(yán)重，但最大的破壞莫過于火災(zāi)。如何利用現(xiàn)代化的科技手段和裝備，建立快速反應(yīng)的報(bào)警系統(tǒng)，協(xié)調(diào)組織指揮，準(zhǔn)確定位火源，迅速采取有效措施滅火，是林業(yè)防火工作急需解決的問題。

縱觀國內(nèi)外森林防火現(xiàn)狀，除人工進(jìn)山巡查外，大致可分為以下幾種方式：

(1) 增加滅火設(shè)備：例如我國的膠東和魯中南山區(qū)是山東省兩大重點(diǎn)林區(qū)，其重點(diǎn)火險(xiǎn)區(qū)綜合治理項(xiàng)目，共完成投資2662萬元，配備大量的風(fēng)力滅火機(jī)、對講機(jī)、油鋸、割灌機(jī)、防火服、水槍、照明工具、GPS定位儀、3號工具、望遠(yuǎn)鏡、了望臺(tái)和短波電臺(tái)等，共新建森林消防專業(yè)隊(duì)伍53支、建撲火隊(duì)營房2016平方米、建國家級森林防火物資儲(chǔ)備庫3處(974平方米)。這種大投入明顯改善了撲滅山火的能力，但對火災(zāi)的報(bào)警能力改善不大。

(2) 雷電監(jiān)測和預(yù)測預(yù)警：由于雷電是可能引起火災(zāi)的原因之一，例如在我國大興安嶺北部林區(qū)及其周邊地區(qū)建設(shè) 15個(gè)閃電定位探測子站，1個(gè)數(shù)據(jù)處理中心，1個(gè)數(shù)據(jù)處理分中心以及8個(gè)自動(dòng)氣象站。這種方式加強(qiáng)對雷電的監(jiān)測和預(yù)測預(yù)警，一旦監(jiān)測到雷電信號則會(huì)自動(dòng)報(bào)警，并將雷電各種信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)酱笈d安嶺各個(gè)森林防火指揮部。但該方式只是對雷電監(jiān)測和預(yù)測預(yù)警，并非對火災(zāi)的報(bào)警。

(3) 電視電腦監(jiān)控系統(tǒng)：以我國朝陽鳳凰山國家森林公園為例，工作人員在辦公室通過森林防火電視電腦監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控整座山的情況。該系統(tǒng)由4個(gè)可旋轉(zhuǎn)的攝像頭組成，它們分別安裝在4個(gè)山頭，24小時(shí)對全山拍攝。該方式靠人工觀察，自動(dòng)化程度低。

(4) 高倍攝像+GPS定位：例如我國大興安嶺森林防火信息指揮中心與沈陽北大青鳥商用信息系統(tǒng)有限公司合作研制開發(fā)的森林防火數(shù)字輔助決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、大屏幕顯示系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、視頻指揮系統(tǒng)、定位跟蹤系統(tǒng)、火場圖像傳輸系統(tǒng)、林火了望監(jiān)測系統(tǒng)等7大系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)結(jié)合我國開發(fā)的兩星定位技術(shù)，將制高點(diǎn)安裝的了望塔上配備的高倍攝像裝置，通過微波將圖像傳送到附近林業(yè)局防火辦。該方式投入大，完全依靠圖像判斷火情等級，自動(dòng)化程度低，且對是否發(fā)生火情的邏輯判斷并報(bào)警方面未有大的改善。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 無線傳輸森林防火報(bào)警系統(tǒng)簡介

“無線傳輸森林防火報(bào)警系統(tǒng)”結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)以分散安裝在森林里的探測器為基本構(gòu)成單元，以無線方式進(jìn)行通訊。各探測器既作火警探測器和報(bào)警發(fā)射器，又作其它探測器所發(fā)出信號的轉(zhuǎn)發(fā)器。因此，火警可以通過各探測器迅速地將報(bào)警信號傳送到系統(tǒng)監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)(以下簡稱中心計(jì)算機(jī))。該中心計(jì)算機(jī)將火源位置標(biāo)示在電子地圖上，并通過互聯(lián)網(wǎng)通知有關(guān)部門快速處理[1]。

圖2 探測器原理結(jié)構(gòu)圖

3 探測器

3.1探測器結(jié)構(gòu)[2]

探測器以單片機(jī)為核心，以太陽能電池為電源，由紅外火源探測裝置和ZigBee構(gòu)成的無線收發(fā)裝置等部分組成，如圖2所示。

3.2探測器分布

探測器按圖1所示的正六邊形分布。每一個(gè)探測器都有唯一的一個(gè)硬件地址碼，該地址碼的前部對應(yīng)正六邊形

的一個(gè)頂點(diǎn)，后部是地址編號，從A001h至FFFFh。中心計(jì)算機(jī)的地址碼為0000h。

3.3探測器通信

每個(gè)探測器發(fā)出的信號僅能夠被相鄰的3個(gè)探測器有效接收到。中心計(jì)算機(jī)也處在一個(gè)正六邊形的頂點(diǎn)，僅能與相鄰探測器通信，且只要安置在森林邊緣，方便管理和監(jiān)控，并能接入互聯(lián)網(wǎng)。

4 電子地圖與火警標(biāo)示

電子地圖是中心計(jì)算機(jī)屏幕上與圖1中探測器分布相似的圖，它完整地繪制了所有的探測器及其彼此間的相對分布情況。每個(gè)探測器均作360°探測，其火源有效探測范圍的半徑與正六邊形的邊長相同。僅以圖1中標(biāo)示的①-⑥共6個(gè)菱形區(qū)域?yàn)槔?，?dāng)出現(xiàn)火警時(shí)，探測到火警的探測器(以下簡稱火源探測器)發(fā)出火警信號，其它探測器相繼轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)中心計(jì)算機(jī)收到火警信號后，即可按表1確定火源所在區(qū)域并在電子地圖上標(biāo)示。

表1 探測器報(bào)警組合及火源所在區(qū)域

5 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)具有豐富的功能，包括：一、校對電子地圖，既中心計(jì)算機(jī)檢查各探測器能否正常工作并校對各探測器及其相互位置與電子地圖的標(biāo)注是否一致；二、發(fā)送火警，既火源探測器探測到火警后發(fā)出火警信號；三、火源標(biāo)示，既中心計(jì)算機(jī)收到火警后，將火源標(biāo)示在電子地圖上，通知有關(guān)部門對火警進(jìn)行處理，并命令火源探測器停止發(fā)送火警，減小電源消耗；四、火警開啟，既當(dāng)某火源探測器發(fā)出火警的現(xiàn)場火情被撲滅后，可由撲火現(xiàn)場工作人員遙控探測器自動(dòng)報(bào)告中心計(jì)算機(jī)火已撲滅并自動(dòng)開啟火警，或有關(guān)部門處理完畢后，可由中心計(jì)算機(jī)向該火源探測器發(fā)出火警開啟命令，使該探測器此后再探測到火警后繼續(xù)報(bào)警；五、探測器更換，既更換出現(xiàn)故障的探測器，該探測器啟動(dòng)復(fù)位時(shí)自動(dòng)發(fā)出信號，中心計(jì)算機(jī)收到該信號后修正電子地圖中的標(biāo)示。

6 信號類型

系統(tǒng)信號分為主動(dòng)信號與應(yīng)答信號兩種類型，主動(dòng)信號有：火源報(bào)警信號、報(bào)警開啟信號、地圖核對信號和火源撲滅信號，應(yīng)答信號有停止報(bào)警信號、開啟應(yīng)答信號，核對應(yīng)答信號。

6.1火源報(bào)警信號

由火源探測器原始發(fā)出，中心計(jì)算機(jī)接收后予以處理。

6.2停止報(bào)警信號

作為“火源報(bào)警信號”的應(yīng)答，由中心計(jì)算機(jī)原始發(fā)出，以制止火源探測器繼續(xù)報(bào)警。

6.3報(bào)警開啟信號

當(dāng)火警被處理完畢后，由中心計(jì)算機(jī)原始發(fā)出，以通知被停止報(bào)警的火源探測器再探測到火警后可繼續(xù)發(fā)送“火源報(bào)警信號”報(bào)警，防止以后的火源報(bào)警被阻斷。

6.4開啟應(yīng)答信號

作為“報(bào)警開啟信號”的應(yīng)答，由所要開啟的目標(biāo)探測器原始發(fā)出，報(bào)告中心計(jì)算機(jī)火源報(bào)警功能已經(jīng)開啟。

6.5地圖核對信號

由中心計(jì)算機(jī)原始發(fā)出，其作用是核對探測器所在位置與電子地圖標(biāo)注是否一致，并檢查探測器能否正常工作。

6.6核對應(yīng)答信號

作為“地圖核對信號”的應(yīng)答，由各探測器原始發(fā)出，報(bào)告其相鄰探測器的地址，其中還攜帶了自身是否有故障的信息。中心計(jì)算機(jī)接收后與電子地圖進(jìn)行核對，若周邊探測器的地址與電子地圖標(biāo)示不同，則更改電子地圖；若有故障，則需處理。

6.7火源撲滅信號

火源撲滅后，在現(xiàn)場由人工遙控探測到火源的探測器原始發(fā)出“火源撲滅信號”，報(bào)告中心計(jì)算機(jī)火源已撲滅。中心計(jì)算機(jī)接收后將火源從電子地圖中相應(yīng)的位置清除，并通知森林防火指揮中心。

7 通信協(xié)議

7.1防止信號淹沒

即使在一個(gè)正六邊形內(nèi)，信號也可能無限循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)。因此，通信協(xié)議的核心問題是：防止信號在相互轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)出現(xiàn)無限的轉(zhuǎn)發(fā)循環(huán)而將探測器淹沒在疲于轉(zhuǎn)發(fā)的信號中。為此，協(xié)議約定：探測器不轉(zhuǎn)發(fā)反饋回來的自身發(fā)出的信號，任何一個(gè)完全相同的信號不重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)。原始信號源對信號的發(fā)送、停止及相應(yīng)的處理如表2所示。

表2 信號的發(fā)送、停止及相應(yīng)的處理

7.2信號報(bào)文

為實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議，所有信號均有嚴(yán)格的報(bào)文格式及其相應(yīng)的通信流程。所有信號報(bào)文的格式如表3所示(最后一個(gè)字節(jié)為校驗(yàn)碼，未在表中列出)。

表3 信號報(bào)文格式

第1字節(jié)為信號類型標(biāo)識碼；第2、3字節(jié)為該信號的原始發(fā)出者地址碼或信號最終的目標(biāo)探測器地址碼 (如前述，探測器地址碼從A001h至FFFFh，中心計(jì)算機(jī)的地址碼為0000h)；第4字節(jié)為流水號，由信號的原始發(fā)出者(見6信號類型)更新；第5、6字節(jié)一般為轉(zhuǎn)發(fā)探測器的地址碼，只有“核對應(yīng)答信號”在原始信號源發(fā)出時(shí)為全零(0000h)，與原始信號源相鄰的探測器轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)填入自己的地址碼，其它探測器此后轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)不再更新，其第7個(gè)字節(jié)為故障代碼，最后一個(gè)字節(jié)仍為校驗(yàn)碼。

7.3通信流程

探測器的總體通信流程如圖3所示。

為避免“火源報(bào)警信號”因某種原因阻塞而無法到達(dá)中心計(jì)算機(jī)，火源探測器間歇式地發(fā)出“火源報(bào)警信號”，其時(shí)間間隔設(shè)定為 “火源報(bào)警信號” 足以到達(dá)中心計(jì)算機(jī)的時(shí)間與收到“停止報(bào)警信號”的時(shí)間之和。間歇后下次發(fā)出“火源報(bào)警信號”時(shí)流水號加1。探測器探測到火源后即發(fā)出“火源報(bào)警信號”，該“發(fā)出火源報(bào)警信號流程”較簡單，故圖略。

圖3 探測器總體通信流程

“轉(zhuǎn)發(fā)火源報(bào)警信號流程”需核對地址碼、“停止報(bào)警信號”及流水號，流程如圖4所示。

“停止報(bào)警信號流程”要將第2、3字節(jié)的地址碼存儲(chǔ)在停止報(bào)警地址碼列表中，此后再收到該地址碼的“火源報(bào)警信號”時(shí)不予轉(zhuǎn)發(fā)，可防止信號淹沒，流程如圖5所示。

“報(bào)警開啟信號流程”要將第2、3字節(jié)的地址碼從停止報(bào)警地址碼列表中清除，流程如圖6所示。

“開啟應(yīng)答信號流程”要將信號傳達(dá)到中心計(jì)算機(jī)，流程如圖7所示。

“地圖核對信號流程”只需保證不重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)，流程如圖8所示。

“核對應(yīng)答信號流程”需加入相鄰探測器地址，流程如圖9所示。

“火源撲滅信號流程” 與“轉(zhuǎn)發(fā)火源報(bào)警信號流程”相似。

圖4 轉(zhuǎn)發(fā)火源報(bào)警信號流程 圖5 停止報(bào)警信號流程 圖6 報(bào)警開啟信號流程

圖7 開啟應(yīng)答信號流程 圖8 地圖核對信號流程 圖9 核對應(yīng)答信號流程

8 通信仿真

仿真系統(tǒng)采用Microsoft Visual Studio 2008開發(fā)工具。運(yùn)行環(huán)境為兩臺(tái)計(jì)算機(jī)，內(nèi)存1G，ASP.NET 2.0，添加IIS服務(wù)。

其中一臺(tái)計(jì)算機(jī)仿真在森林中分布的探測器之間的通信，如圖10所示。該計(jì)算機(jī)可完全仿真各信號在探測器間的傳輸。圖10就是添加著兩個(gè)火點(diǎn)時(shí)的界面。

另一臺(tái)計(jì)算機(jī)仿真在森林邊緣的中心計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)與森林防火指揮中心聯(lián)接，使得森林防火指揮中心能夠得到完全相同的電子地圖畫面，如圖11所示。圖11是接收到圖10的兩個(gè)著火點(diǎn)時(shí)，在電子地圖上用圓形交叉最深顏色標(biāo)示了著火點(diǎn)。

9 結(jié)束語

“無線傳輸森林防火報(bào)警系統(tǒng)”具有反應(yīng)迅速、擴(kuò)充容易、檢測方便、維護(hù)簡單和自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。系統(tǒng)監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)相連，可供各級主管部門及時(shí)了解火情并做出快速部署。本文所述之通信協(xié)議能夠有效防止信號淹沒，確保防火報(bào)警系統(tǒng)各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)。

圖10森林防火現(xiàn)場仿真界面圖11森林防火監(jiān)控中心界面

[1]肖錦輝.森林防火報(bào)警系統(tǒng)中的Web服務(wù)[J].惠州學(xué)院學(xué)報(bào)，2005,25(3):46-50.

[2]張軍國，李文彬，韓寧，等.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29(4):41-45.

(責(zé)任編校：光明)

ForestFirePreventionAlarmSystemofWirelessTransmission

DUANYan-xi

(Department of Electronic Science, Huizhou Institute, Huizhou， 516015， China)

Forest fire prevention alarm system of wireless transmission is a system using fire-alarm detectors which are fixed by dispersing as its basic composition units. A detector was composed of a solar energy battery as its power source, an infrared fire detection device and a Zigbee wireless transceiver. These detectors are communicated with each other by wireless ways, and transmitted the fire alarms to the forest fire prevention command center by the internet. The communication protocol which is for signal-submergence prevention and system function realization is presented, and communication simulation is also carried out.

forest fire prevention；fire alarm；wireless transmission；detector; signal submergence

2010-05-28.

段延喜(1967—— )，男，山東陽谷人，惠州學(xué)院電子科學(xué)系講師，碩士，研究方向：電氣技術(shù)與電路理論。

TP393

A

1673-0712(2010)04-0080-05