基于无线传感器网络的森林防火监控装置及监测方法与流程

本发明属于森林防火的技术领域，具体涉及一种基于无线传感器网络的森林防火监控装置及监测方法。

背景技术：

森林是地球上不可被替代的自然资源，它在全人类的生存和发展中占据有重要的地位。如果发生火灾的话，不仅会严重影响到林业建设和生态环境，更会影响到一个国家的经济建设发展和社会的长久治安，危及人类生命和财产安全，不利于人民的安居乐业和国家的长治久安。森林火灾的发生，具有突发性高、蔓延快、扑救难的特点，一旦发生险情，我们很难控制，与此同时，森林的面积非常巨大，地形又复杂，难以判断引燃的位置。因此，构建实时有效的森林火灾监测系统，对森林火灾实时预警显得尤为重要。

到目前为止，国内的森林防火方法一般采用地面巡护、瞭望台监测、航空巡护、卫星遥感等监控方法。地面巡护和瞭望台监测需要有丰富经验的专业瞭望员来负责进行大面积的监控，他们不仅受到地形地势的限制，覆盖面小，效率低，有死角和空白区域。航空巡护和卫星遥感会受到自然条件限制，而且成本非常高。

目前，森林防火监控方式主要采用建立监控装置，这些装置由设置在监控点上的监控中心和安装在森林中的许多个监测节点组成，监测节点配置有风向传感器、土壤水分传感器、空气温湿度传感器以及二氧化碳传感器，当这些监测节点监测到异常的森林环境信息时，就会把信息通过gprs等无线传输方式传输到监控中心，达到了预防森林火灾的功能。但是因为森林占地面积巨大，地形又复杂，埋设监测节点极其不方便。而对于监测节点的定位来说，传统的监控系统为gps卫星定位系统，监测节点还需要通过gps卫星定位系统的信号确定它的位置信息，这个方法传输时间相对较长、费用较高，再加上森林区域的地形复杂多样、树木较多，容易出现终端隐藏、多径道衰落和阴影效应等问题，容易导致节点定位不够准确的问题。

所以，需要设计一种方便部署、结构简单、维护方便，而且还能够实时、快速地针对森林险情精确定位传输的监控系统。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于无线传感器网络的森林防火监控装置，采用定向天线和全向天线相结合的无线传感器网络来监控森林火灾。

本发明的另一目的在于，提供一种基于无线传感器网络的森林防火监控装置的监测方法。

为了达到上述第一个目的，本发明采用以下技术方案：

基于无线传感器网络的森林防火监控装置，包括多个簇群、汇聚节点、通信网络以及远程监控中心；所述簇群包括簇头节点和监测节点，所述簇头节点用于收集各个监测节点采集到的环境信息，所述监测节点用于采集监测区域的风向、土壤水分、空气温湿度以及二氧化碳浓度等环境信息，所述监测节点之间互相进行通信，并将收集到的森林环境信息传输到簇头节点当中，簇头节点的数据信息将通过通信网络传输到汇聚节点进行融合，最后传输到监控中心；监控中心接收数据并同步森林防火监控区域的环境信息和位置信息，当有传感器检测到烟雾浓度和空气温湿度超过预先设定的数值时会立即发出报警；

所述监测节点配置有风向传感器、土壤水分传感器、空气温湿度传感器以及二氧化碳传感器，所述风向传感器用于监测林区的风向信息，有助于林区火灾的走向的监测以及预测，所述土壤水分传感器用于监测林区地表的土壤含水量，及时监测林区可能发生的林火状况；所述空气温湿度传感器用于及时监测林区环境的温度和湿度，及时感知火灾发生前的环境阈值，有助于森林火灾的提前预警；所述二氧化碳浓度传感器用于采集森林防火区域环境中的二氧化碳浓度信息，并将信息传输给簇群中的簇头节点；

所述监测节点还配置有gps接收模块，监测节点之间互相通信并确定自身位置，众多的监测节点通过无线传感器网络路由协议能形成很多簇群，簇群当中根据能量分布状况选举簇头节点，众多监测节点能将监测数据和自身的位置信息传输到所在簇头节点。

作为优选的技术方案，所述监测节点包括cpu、a/d转换器、风向传感器、空气温湿度传感器、土壤水分传感器、二氧化碳浓度传感器、存储模块、gps模块、无线通信模块、报警模块以及显示模块，所述存储模块、gps模块、无线通信模块、报警模块、显示模块均与cpu连接，所述风向传感器、空气温湿度传感器、土壤水分传感器、二氧化碳浓度传感器均通过a/d转换器与cpu连接。

作为优选的技术方案，所述监测节点还配置有电源提供模块，所述电源提供模块为监测节点提供电源，所述电源提供模块包括普通电池、转换器、稳压电路、太阳能充电模块、太阳能电池板以及可充电锂电池，所述太阳能电池板和可充电锂电池与太阳能充电模块连接，所述普通电池、转换器、稳压电路、太阳能充电模块顺序连接。

作为优选的技术方案，所述监测节点根据gps模块来确定自己的地理位置，且各监测节点之间互相通信，能够及时获取网络的地理位置信息。

作为优选的技术方案，所述汇聚节点包括cpu、a/d转换器、存储模块、gps模块、无线通信模块以及显示模块，所述存储模块、gps模块、无线通信模块、显示模块均与cpu连接，用于收集各个簇头节点采集到的数据信息，并将数据信息传送到远程的监控中心。

作为优选的技术方案，所述通信网络是利用gprs网络将汇聚节点收到的数据实时传送到远程监控中心。

作为优选的技术方案，所述远程监控中心接收数据并同步森林防火监控区域的环境信息和位置信息，当有监测节点的传感器检查到森林环境的温度过高或者二氧化碳浓度超过预先设定的阈值时候，就会发出报警信号，提醒林区工作人员做出应对措施。

为了达到上述另一目的，本发明采用以下技术方案：

基于无线传感器网络的森林防火监控装置及监控方法，包括下述步骤：

s1、在一小部分节点中配置有gps接收模块作为监测节点，监测节点之间互相通信并确定自身位置；

s2、众多的监测节点通过无线传感器网络路由协议能形成很多簇群，簇群当中根据能量分布状况选举簇头节点；

s3、众多监测节点能将监测数据和自身的位置信息传输到所在簇头节点；

s4、簇头节点的数据信息将通过通信网络传输到汇聚节点进行融合；

s5、汇聚节点的数据通过gprs网络最后传输到远程监控中心；

s6、远程监控中心接收数据并同步森林防火监控区域的环境信息和位置信息，当有传感器检测到烟雾浓度和空气温湿度超过预先设定的数值时会立即发出报警，并做出应对措施。

作为优选的技术方案，还包括簇头更替的方法：

通过在wsn节点配备定向天线，并能够根据设定的周期进行转动，在定向天线的信号辐射范围的监测区域内布置wsn节点，由于无线传感器网络能够根据节点的分布区域更替簇头，簇头会及时将信息传送到汇聚节点。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明采用的定向天线和全向天线相结合的无线传感器网络能够自动组成森林防火监控系统，为人工布设监测点减少了难度，更适用在人迹罕至和地形极其复杂的原始森林中。

(2)本发明的无线传感器网络使得监控更加容易，数据融合更加高效，还能减少监测点能量的耗损，提高网络寿命；普通的监测节点还与簇头节点互相通信，用分布式和递增式定位监测节点和簇头节点，能够避免来自树木遮挡引起的多径效应和阴影效应，提高节点定位的准确性，同时能够为汇聚中心的通信减缓压力，从而起到节能的作用.

(3)本发明采用土壤温湿度传感器、风向传感器，以及空气温湿度传感器和二氧化碳浓度传感器能够全面地、实时地监测森林中的环境，能够起到预防火灾的作用。

附图说明

图1是本发明监测节点组成结构图。

图2是本发明电源供给模块结构图；

图3是本发明监测系统体系结构图；

图4是本发明定向天线wsn簇头更替流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图3所示，本实施例是一种基于无线传感器网络的森林防火监控装置，是基于定向天线和全向天线的无线传感器网络森林防火监控系统，包括多个簇群、汇聚节点、通信网络以及远程监控中心；所述簇群包括簇头节点和监测节点，所述簇头节点用于收集各个监测节点采集到的环境信息，所述监测节点用于采集监测区域的风向、土壤水分、空气温湿度以及二氧化碳浓度等环境信息，所述监测节点之间互相进行通信，并将收集到的森林环境信息传输到簇头节点当中，簇头节点的数据信息将通过gprs网络传输到汇聚节点进行融合，最后传输到监控中心；监控中心接收数据并同步森林防火监控区域的环境信息和位置信息，当有传感器检测到烟雾浓度和空气温湿度超过预先设定的数值时会立即发出报警。

本实施例的监控系统中，在一小部分节点中会配置有gps接收模块作为监测节点，监测节点之间互相通信并确定自身位置，众多的监测节点通过无线传感器网络路由协议能形成很多簇群，簇群当中根据能量分布状况选举簇头节点，众多监测节点能将监测数据和自身的位置信息传输到所在簇头节点。

如图1所示，所述监测节点包括cpu、a/d转换器、风向传感器、空气温湿度传感器、土壤水分传感器、二氧化碳浓度传感器、存储模块、gps模块、无线通信模块、报警模块以及显示模块，所述存储模块、gps模块、无线通信模块、报警模块、显示模块均与cpu连接，所述风向传感器、空气温湿度传感器、土壤水分传感器、二氧化碳浓度传感器均通过a/d转换器与cpu连接。所述监测节点还配置有gps接收模块，监测节点之间互相通信并确定自身位置，众多的监测节点通过无线传感器网络路由协议能形成很多簇群，簇群当中根据能量分布状况选举簇头节点，众多监测节点能将监测数据和自身的位置信息传输到所在簇头节点。

如图2所示，所述监测节点还配置有电源提供模块，所述电源提供模块为监测节点提供电源，所述电源提供模块包括普通电池、转换器、稳压电路、太阳能充电模块、太阳能电池板以及可充电锂电池，所述太阳能电池板和可充电锂电池与太阳能充电模块连接，所述普通电池、转换器、稳压电路、太阳能充电模块顺序连接。

所述风向传感器用于采集森林防火区域的风向信息，并将信息传输给本簇的簇头节点。

所述二氧化碳浓度传感器用于采集森林防火区域环境中的二氧化碳浓度信息，并将信息传输给本簇的簇头节点。

所述温湿度传感器用于采集森林防火区域的环境温度和湿度信息，并将信息传输给本簇的簇头节点。

所述簇头节点负责将本簇中风向传感器、土壤水分传感器、空气温湿度传感器以及二氧化碳传感器，所感知的森林环境信息及自身位置信息进行数据融合，然后传输到汇聚节点。不同簇之间的簇头节点可以相互通信。

所述汇聚节点用于接收各簇中簇头节点传来的数据，并将其通过通信网络传输至监控中心。

所述通信网络主要利用卫星、移动网络或internet网络将汇聚节点传来的数据实时传输至监控中心。

所述监控中心负责接收通信网络传输过来的数据，实时获取森林防火监控区域的环境信息及位置信息，当烟雾浓度及温湿度超过设定值时发出报警，监控中心便立即做出相应的应对措施。

一种采用定向天线和全向天线相结合的无线传感器网络森林防火监控系统，主要包括：

(1)普通感知节点及簇头节点通过与其周围监测节点之间的通信来确定自身位置。

(2)普通感知节点及簇头节点通过gps模块能确定自身位置，可以作为新的位置参考点。

本实施例中，基于无线传感器网络的森林防火监控装置的监控方法，

在一小部分节点中配置有gps接收模块作为监测节点，监测节点之间互相通信并确定自身位置；

s2、众多的监测节点通过无线传感器网络路由协议能形成很多簇群，簇群当中根据能量分布状况选举簇头节点；

s3、众多监测节点能将监测数据和自身的位置信息传输到所在簇头节点；

s4、簇头节点的数据信息将通过通信网络传输到汇聚节点进行融合；

s5、汇聚节点的数据通过gprs网络最后传输到远程监控中心；

s6、远程监控中心接收数据并同步森林防火监控区域的环境信息和位置信息，当有传感器检测到烟雾浓度和空气温湿度超过预先设定的数值时会立即发出报警，并做出应对措施。

进一步的，如图4所示，定向天线wsn簇头更替流程的原理为：

(1)通过在wsn节点配备定向天线，并能够根据设定的周期进行转动，在定向天线的信号辐射范围的监测区域内布置wsn节点，由于无线传感器网络能够根据节点的分布区域更替簇头，簇头会及时将信息传送到汇聚节点。

(2)图4中白色节点为成员节点，灰色节点为一级簇头，深灰色节点为二级簇头，黑色节点为三级簇头。一级簇头负责收集监测区域内的环境信息，并将数据传送到二级簇头；二级簇头负责收集一级簇头的数据信息以及监测区域内的环境信息，并将数据传送到三级簇头；三级簇头负责收集二级簇头的数据信息以及监测区域内的环境信息，并将数据传送到wsn汇聚节点。通过定向扩散的方式进行信号的传送。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。