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基于物联网的森林防护、预警与监控系统
王浩,王芹
(威海职业学院机电工程系,山东威海264210)
［摘 要］森林火灾是森林最危险的敌人,会给森林带来毁灭性的后果.森林火灾不但烧毁成片的森林,伤害林内的动物,而且降低了森林的繁殖能力,引起土壤的贫瘠,破坏森林涵养水源的作用,甚至会导致生态环境失去平衡.森林防护预警及监控系统将无人机和物联网技术应用在森林防护中,通过对林区的巡航检测,实时反馈信息,一旦发现火情,无人机将火情信息传送给无人机站,由无人机站将信息发送给管理中心.整个系统的运用,增强了反应能力,避免了较大的火灾损失.
［关键词］无人机；物联网；监控系统
［DOI］1013939/jcnkizgsc201721124
1背景
森林火灾是森林最危险的敌人,也是林业最可怕的灾害,它会给森林带来危害,最具有毁灭性的后果.森林火灾不但烧毁成片的森林,伤害林内的动物,而且还降低森林的繁殖能力,引起土壤的贫瘠和破坏森林涵养水源的作用,甚至会导致生态环境失去平衡.尽管当今世界的科技在日新月异地向前发展,但是,人类在预防森林火灾上却依然尚未取得长久的进展.
森林火灾危害大,扑灭困难,于是在火灾还在萌芽状态立即扑灭它就显得尤为重要.森林火灾因为常常处在深山老林中,不易发现,故而发现火灾对于早扑灭火灾具有重要意义.
2传统灭火方式
21兴建瞭望塔
瞭望台监测,是通过瞭望台来观测林火的发生,确定火灾发生的地点,报告火情,它的优点是覆盖面较大、效果较好.存在的不足：是无生活条件的偏远林区不能设瞭望台；它的观察效果受地形地势的限制,覆盖面小,有死角和空白,观察不到,对烟雾浓重的较大面积的火场、余火及地下火无法观察；雷电天气无法上塔观察；瞭望是一种依靠瞭望员的经验来观测的方法,准确率低,误差大.另外,瞭望员人身安全受雷电、野生动物等的威胁.
22建立视频监控系统
这是目前国内主流的监控方式.这是传统城市监控的简单延伸,将采集视频图像通过微波汇总,由人工完成集中监视.
人工监视易造成肉眼疲劳,视频中的火情不易被察觉,造成漏报；监控中心的视频线路较多,人工监视也无法一一监看,易造成漏报.所以,传统视频监控的最大缺点是漏报率非常高.传统视频监控是非数字化系统,许多智能应用无法实现.
23建立智能预警系统
这是森林防火的发展方向,实现森林防火的智能化,信息化.利用无缝融合智能图像识别技术、面向对象的3D GIS技术、大型网络监控技术等高新技术,利用多项专利技术,结合林业管理的专业知识和林业防火的经验,建立林业防火智能监测预警及应急指挥系统,从而实现林区视频的自动监控、烟火准确识别、火点精确定位、火情蔓延趋势推演、扑救指挥的辅助决策、灾后评估等多方面功能,建立森林防火的完整业务链,并针对性地解决用户的各种个性化需求.
如“森林卫士365”系列产品,主要由前端智能监控产品和后端应用系统构成.前端智能监控产品包括重型数字云台、基站智能控制箱、嵌入式的烟火识别智能处理器等；后端应用系统包括海普联网监控管理平台、基于ArcGIS平台的森林防火辅助决策及应急指挥系统.
3系统主要任务
31无人机自动巡航技术
本项目采用无人巡防飞行器携带火焰传感器、红外传感器、地磁传感器对所覆盖林区进行定时巡航.经过反复设计与不断实验,本项目的无人巡防飞行器已经可以自主起飞、避障、自主返航、上报巡查结果、自主充电,真正实现了全智能化.
32物联网技术
本项目采用GPRS链路为无人机站与服务器之间建立网络连接,传输速率为48kbps.当无人机巡航发现火情后,通过GPRS发给无人机站,由机站把火情信息发给服务器及管理员手机上面,管理人员即可知道该无人机站附近发现着火点.后台管理人员通过物联网技术可以方便地掌握整个系统的运行状况,并可以远程对该系统发送控制指令.
33火焰信号的检测
火焰信号包含了紫外光谱信号与红外热信号,经过反复的实验与比较,本项目对火焰的检测主要采用了判断其紫外光谱信号的方案,该方案具有灵敏度高、抗干扰能力强等特点.目前本项目的甄别火源能力已经达到预期要求,通过判别火焰中紫外光,来识别火源.
34烟雾信号的探测
除了对火焰进行检测外,还需要对烟雾进行探测,森林中一旦有火情,起初会有烟雾,能够对烟雾进行检测,也是监控重要的一个方面.本项目经过反复验证与实验最终采用了气敏传感器与CCD图像处理系统协同处理的方式,可准确判断烟雾.在无人机站安装上述传感器后,通过云台进行观察.
35绿色新能源系统
本系统供电采用太阳能光伏发电系统,设计了多电压逆变系统.通过休眠节能化设计,在未发生火情的情况下,极大地减小处理器和电路的电能损耗,节省能源80%以上.
4系统原理框图
本项目采用无人巡防飞行器携带火焰传感器、红外传感器、地磁传感器对所覆盖林区进行定时巡航.经过反复设计与不断实验,本项目的无人巡防飞行器已经可以自主起飞、避障、自主返航、上报巡查结果、自主充电,真正实现了全智能化.本项目采用GPRS链路为无人机站与服务器之间建立网络连接,传输速率为48kbps.当无人机巡航发现火情后,通过GPRS发给无人机站,由机站把火情信息发给服务器及管理员手机上面,管理人员即可知道该无人机站附近发现着火点.后台管理人员通过物联网技术可以方便地掌握整个系统的运行状况,并可以远程对该系统发送控制指令.
5结论
通过本项目,我们验证了通过无人机对森林自主巡防的可行性,本项目把无人机技术、物联网技术、传感器技术进行有机结合,形成一套功能完善、实用性强的森林防护产品.目前项目组正在与北海林场进行洽谈协商,准备在春天风大干燥的时候在北海林场进行试验,产品成熟后,市场前景非常可观.
参考文献:
［1］都基焱 段连飞无人机电视侦察目标定位原理［M］.合肥：中国科学技术大学出版社,2013
［2］Rogelio Lozano无人机嵌入式控制［M］.北京：国防工业出版社,2014
［3］曾庆华无人飞行控制技术与工程［M］.北京：国防工业出版社,2011
［作者简介］王浩(1982—),男,山东威海人,工学硕士.研究方向：自动化类专业建设与改革、自动化控制技术；王芹(1969—),女,山东威海人,工程硕士.研究方向：自动化类专业建设与改革、自动化控制技术.
监控系统论文范文结:
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