基于地理信息GIS采集技术与物联网相结合的山林火灾监测系统的制作方法

本实用新型涉及一种监测系统，尤其涉及一种基于地理信息GIS采集技术与物联网相结合的山林火灾监测系统。

背景技术：

森林生态系统是人类赖以生存的重要资源，森林火灾严重威胁着林业生产及人民群众生命财产安全，具有突发性和灾害发生随机性的特点，短时间内能造成巨大的损失。目前我国森林林区火险监控预警的方式还主要依靠人工监测，存在巡护面积小、视野狭窄和反应速度慢的缺点，有些林区建有林火监测了望塔，监测人员在了望塔上对周边森林进行观察，发现火情后通过电话报告火情，但依然存在监测范围小、防火人员劳动强度大和不能全天候进行林火监测的缺点。

对于森林火灾的预报预测研究，国内外进行了很多工作，但是国内的研究大多数侧重于对森林火灾的指挥和调度，以及林火的蔓延预测方面的研究，还没有对森林火险预报开展系统的研究。对于森林火灾的监控，现运用较多的基于3S(GIS、GPS及卫星遥感)的森林监测， 3S的基本工作原理是林火发生后,根据地面报告或遥感卫星监测图像,确定火灾大概位置,然后迅速赶至火场,用GPS确定火点和火场位置的坐标值,并在地图上定位,确定其确切位置。对于3S技术，如由于气象卫星影像资料分辨率低，对发现的火点不能准确判定是否为火点，常常导致基层森林防火工作者进行一些没有意义的扑火工作。最主要的是该系统是对林火发生后进行监测，且实时性较差，不能做到预防火灾的发生。物联网和GIS技术的融合，为森林防火的预测和实时监测提供了新的思路和技术支持。

技术实现要素：

本实用新型是针对现有技术中存在的不足，提供一种基于地理信息GIS采集技术与物联网相结合的山林火灾监测系统。该系统的目的在于：采用GIS技术结合物联网技术设计了山林火灾远程监测与预警系统，通过安装在不同位置的装置监测环境数据并实时传输到决策指挥系统，一旦发现烟火等疑似警情，自动触发报警，能有效降低监控管理人员的劳动强度。

本实用新型通过以下技术方案加以实现：一种基于地理信息GIS采集技术与物联网相结合的山林火灾监测系统，包括GPS传感器、无线传感器节点、无线传感网络、GIS系统管理平台、数据库、决策指挥系统；环境参数信息以及通过GPS传感器采集位置信息经过无线传感网络传输到数据库；所述GIS系统管理平台调用数据库中的参数信息实时发送给决策指挥系统，所述决策指挥系统根据接收的参数信息发出指令；所述环境参数信息包括通过烟雾传感器、温湿度传感器、风速风向传感器采集的烟雾、温湿度、风速环境信息；所述无线传感网络中包括以ARM8为控制核心的中央处理器；所述无线传感网络通过4G网络或GPRS与监控中心实时通信；所述烟雾传感器型号为MIS-09C；温湿度传感器型号为SH11；风速风向传感器型号为EC21B或PH100SX。

有益效果：该系统能准确采集林区的环境参数信息，并进行有效分析，与人工监测相比，具有监测范围广泛、火情发现速度快、响应速度快和不受天气因素影响等优势，对早日实现森林防火工作的规范化、科学化和信息化管理具有重要意义，能为防火提供直观的规划和决策支持。

附图说明

图1为本实用新型基于地理信息GIS采集技术与物联网相结合的山林火灾监测系统总体结构图；

图2为本实用新型基于地理信息GIS采集技术与物联网相结合的山林火灾监测系统无线传感网络结构示意图。

具体实施方式

实施例1

GIS系统是计算机技术、图形学技术、数据库技术融合的产物，是一种利用计算机对有关地理、空间位置的数据进行存储、查询和显示的计算机支持系统，主要用来描述现实世界中地物在空间上的分布及其属性。GIS和物联网的产生改变了传统的信息收集和信息处理方式,使信息的处理由数值领域进入到了空间领域。目前,物联网和GIS已经在环境保护与治理、环境监测、灾害监测和防治、生态资源保护与利用等诸多领域得到了初步的应用。物联网中接入的大量的传感设备都具有空间位置信息，这是GIS最擅长的领域，因此物联网的建设为地理信息技术提供了巨大的发展机遇。同时，物联网也需要GIS等关键性支持技术。物联网感知的物品信息包括其位置存在信息等空间信息，借助地理信息平台，把地理位置与相关属性信息有机地结合起来,根据实际需要科学准确、图文并茂地输出处理结果给用户。借助于 GIS,提高了对空间和非空间数据的分析、挖掘能力，强化了物联网应用的信息管理水平，有助于促进物联网的建设。

森林环境监测需要对数量庞大、种类繁多的各种环境信息进行采集、处理、分析、汇总。由于各监测数据都与空间地理位置相关，因此处理起来极其复杂。GIS作为一种综合处理和分析空间数据的技术系统能够快速获取某一空间地物的基本特征，并利用其空间信息可视化技术，能够有效地把地理位置和相关属性信息有机地结合起来。利用GIS技术构筑的森林防火控制信息平台，不但能够使各个监控点信息在空间上直观明了地显示出来，并能为这些信息的深层次挖掘和后台的信息服务及辅助决策提供空间属性上的支持。基于GIS、物联网的森林火灾监测系统的系统框图如图1所示。

该系统包括GPS传感器、无线传感器节点、无线传感网络、GIS系统管理平台、数据库、决策指挥系统、火灾预测预报系统、火灾定位系统、防火应急指挥系统；其特征为：环境参数信息以及通过GPS传感器采集位置信息经过无线传感网络传输到数据库；所述GIS系统管理平台调用数据库中的参数信息实时发送给决策指挥系统，所述决策指挥系统根据接收的参数信息向火灾预测预报系统、火灾定位系统、防火应急指挥系统发出指令。

该系统主要模块功能原理如下：

1、基于无线传感网络的物联网结构

无线传感网络是物联网的核心技术，无线传感网络由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，节点除了感测特定的对象,还进行简单的计算并维持互相之间的网络连接。无线传感网络中包括以ARM8为控制核心的中央处理器，该中央控制器采用开放式设计，能够根据需要随时修改控制程序；所述无线传感网络通过4G网络或GPRS与监控中心实时通信；将传感节点布设于森林中重点监测区域，网络节点大量实时、精确地采集温度、湿度、光照、等环境信息，并通过A/D转换后，各传感节点采集的信息通过无线传感网络汇集传输到系统监控中心，系统对汇集的数据进行分析，帮助森林管理者有针对地对森林资源进行重点监测，推进森林防火的高效管理。其中，采集烟雾的烟雾传感器型号为MIS-09C、采集温湿度的传感器型号为SH11、通信模块型号为CC2420；采集光照的传感器型号为HA2003；采集风速风向的风速风向传感器型号为EC21B或PH100SX。

森林防火监测系统无线传感网络结构体示意图如图2所示。它由三个主要部分：传感节点,汇聚节点、监控中心组成。传感节点是网络的基本节点,散布在监测区域内负责环境状态数据的采集和分析,这些节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中所需要的信息，实现对任意地点的信息在任意时间的采集、处理和分析。汇聚节点可以是一个具有增强功能的传感器节点，也可以是一个网关。在传感器网络中,传感节点任意安置在被监测区域内,除了采集特定的传感参数信息,还进行简单的计算并维持互相之间的网络连接。每个传感网络装备有一个连接到传输网络的网关,网关连接传感网络与外部传输网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，并把收集到的信息传到监控中心。

2、基于GPS的传感器定位

GPS(全球定位系统)是当今世界上最先进的定位手段之一。其定位方法是GPS卫星不断地发射导航电文，导航电文中包含了各GPS卫星的星历参数和时间信息，当GPS接收机接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟作对比后测得卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，测量出接收机至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度等位置相关信息。各传感器节点在收集传感器感知的环境参数信息参数的同时，接收来自该节点的处的 GPS位置信息，将该节点传感器参数同位置信息进行绑定，并将带有位置信息的参数通过传感网络后送入到GIS管理系统，为GIS提供带有定位信息的环境参数变量。

3、基于地理信息GIS采集技术为核心的山林防火决策指挥管理系统

地理空间分析、采集是GIS的重要标志，GIS具有强大的数据信息管理功能，所存储的信息不仅仅是属性和时序特征，还具有统一的地理定位基础，因此能将各种信息准确的显示、表达、解析通过地图的形式可视化的征表现出来。在以GIS为中心的山林防火决策指挥系统中，物联网作为一种高效的信息采集手段，通过传感器快速实时的获取监测点的信息，为 GIS提供具有位置信息的传感器状态参数。GIS森林防火决策指挥系统(如图1所示)可以包括火灾预测预报系统、火灾定位系统、防火应急指挥系统等。火灾预测预报功能模块主要是用来预测监测林区在一定时间内发生森林火灾的可能性和危险程度，根据预测结果划分出火险等级，为防火工作者提前预防火灾的发生提供参考。火灾定位系统接收到GPS解接收机的位置信息，准确地在电子地图上定位和显示火灾发生的位置。并将火灾位置传于防火应急指挥系统，以便防火指挥中心迅速确定火灾的位置，进行快速的扑火调度。防火应急指挥系统根据火情的等级及危险程度，快速制定出可行的火灾扑救的方法，结合防火区域的防火设施和力量，及时的实施扑火指挥调度，达到科学、合理、高效，使森林火灾的损失降低到最小的程度。在基于地理信息GIS采集技术和物联网相结合的山林火灾监测系统中，GIS作为物联网数据分析的工具，物联网可以作为GIS重要的数据源，GPS为物联网采集的数据置入位置信息。无线传感器网络节点体积小并只需要部署一次就可以长期搜集监测数据，对于森林环境信息的及时快速的收集无线传感技术相比卫星遥感技术无可比拟的优势。GIS强大的数据管理功能和空间分析功能其图形化的界面增加了人机交互的方便性和简易性。通过对 GIS技术与物联网融合技术的研究，建立起一个具有火情预测预报、火灾监测实时、火灾定位精确的森林防火监测系统。大大提高了火灾预测预报及扑火指挥的决策能力及调度效率。

实施例2

山林内部环境复杂，而且火灾信号也具有很大的随机性，环境变化和传感器系统内部噪声对烟雾参数会产生干扰，需要将A/D转换后的数据经过滤波处理，并要求信号处理算法能够适应各种环境因素变化的影响，自动调整报警参数以达到既能快速探测火灾又降低误报率的目的。

模糊数学中的模糊逻辑理论很好地解决了采用精确计算和布尔逻辑难以确定的问题，故在控制器的信号数据处理中采用了模糊逻辑算法，以解决外界干扰的模糊性和报警阈值变化之间的关系，从而达到提高监测节点可靠性的目的。

具体算法如下：首先对经过模数转换后的烟雾信号进行模糊化处理，具体如下：①当烟雾信号值x小于阈值B0时，认为没有出现火警；②当信号值x大于阈值B1时，认为出现火警；③当信号值x介于B0和B1两个阈值之间时，认为可能出现火警，并且x越大越接近 B1时，火警出现的根据越充分。模糊化隶属度函数如下：

式中，A为反应火灾出现可能性的模糊量，f(x)为相应的隶属度。外界环境的干扰信号带来的影响是瞬态的，可采用窗口移动滤法来提高抗干扰能力。滤波函数如下：

窗口大小取值为5，当连续有5次f(x)值不为零时，计算K值，判断K值是否超过阈值K0，如果K大于或等于K0时立即报警，否则不报警。

同时，模糊量A是一个与温度相关的值，监测节点在探测烟雾的同时，还通过温度传感器对现场环境温度进行监测，A与温度的对应关系表预先存入单片机中，控制器MSP430F149 根据监测到的环境温度查找该关系表，以确定A的值；阈值B0、B1和K0是3个关系报警器精度的量，需合理设置以确保报警器在精度符合国家标准的前提下大幅降低误报率。

根据地理和气候条件，在林区设置了8个监测区：A～H，每个监测区布置了8个监测点： P1～P8，选择了A的8个点：AP1～AP8对设备进行了现场测试，测得的温度、湿度、烟雾浓度、风向和风速等信息如下表1所示。从下表1的数据上看，林区A的温度较高，平均温度为25.95℃，平均湿度为20.54RH％，风速的平均值为1.004m/s，属于高温、干燥和微风的环境，通过烟雾浓度数据观察到目前无火灾警报，经过火险等级预测分析可知：在这种环境下极易发生火灾，可以向森林防火监测中心管理部门提供科学的数据，便于尽快做出应对方案。

表1

在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是以上描述仅是本实用新型的较佳实施例而已，本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本实用新型不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。