一种基于红外热成像的森林火灾监测与火情预测系统

1.本发明属于监测监控领域，涉及一种基于红外热成像的森林火灾监测与火情预测系统。


背景技术：

2.目前大多数森林火灾监测的方法都存在着漏洞使火灾发生的事件频频发生，监测系统可以克服各种复杂的环境和复杂的地形，能分布在广大林区内，提高火灾监测的灵敏度和准确率。通过窄带物联网技术将传感器得到的数据发送给云端，根据实时采集的环境信息通过神经网络的分析和辅助决策，及时给出火灾发生的可能性，以及发生火情后续火灾进一步扩散的趋势，进行精准实时报告火灾情况，减少发生大规模森林火灾的风险。
3.除了实现精准高效地火灾监测以外，火灾发生后的火情的分析与发展预测也同样值得重视。还需拥有的强大数据处理能力算法，能够在短时间内对得到的各项物理参数，如风向、风速、烟雾浓度等，迅速作出反应，预判出火灾进一步发展的趋势，为快速灭火提供强有力的支持，同时也能够最大限度地保证消防员安全。目前在森林火灾发生后，不能快速有效得到火场内部情报，也不能快速预测火情发展趋势，只能通过临时设立气象监测点测量火场外围气象数据，这种方法存在着很大的缺点，它只能在总体上给出一个大概的趋势，不能精细化，这就会导致一些消防员在灭火的时候，没能意识到火灾其实已经将其包围了，最终造成消防员牺牲。而此专利的火灾监测系统是点到点的监测，能在每一个检测点实现360度全方位无死角的监测，同时辅以风速、风向、烟雾浓度等数据，精准、快速、实时地给出火灾发展情况。这就能让每一位消防员清晰地了解火场情况，最大限度地保障消防人员的生命安全。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明的技术方案为：一种基于红外热成像的森林火灾监测与火情预测系统，包括支撑部和固定安装在支撑部上的环境要素测量传感器、全景红外热成像传感部、微型计算机、nb
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iot窄带物联网通信模块、北斗定位模块、太阳能供电及电源管理电路，其中：
5.所述全景红外热成像传感部包括二维舵机、红外热成像传感器和两台微型计算机，两台微型计算机相互通信，一台微信计算机与二位舵机和红外热成像传感器连接，另一台微信计算机与nb
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iot窄带物联网通信模块、北斗定位模块、太阳能供电及电源管理电路分别连接；
6.所述环境要素测量仪器包括气象多要素百叶箱、气体浓度多要素百叶箱、风速传感器、风向传感器和土壤温湿度传感器；
7.所述nb
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iot窄带物联网通信模块，以北斗定位模块的卫星时间为基准，由微型计算机控制发送数据包至云端。
8.优选地，所述太阳能供电与电源管理电路包括多晶硅太阳能电池板、充电电路、电
源监测电路、铅酸蓄电池和电源电路，多晶硅太阳能电池板采集能量，通过充电电路和电源监测电路对铅酸蓄电池充电，铅酸蓄电池通过电源电路为整个系统供电，电源监测电路与微型计算机通过i2c通信，读取并计算得到电池电压、电流、功率信息。
9.优选地，所述充电电路为最大功率点跟踪开关电源电路。
10.优选地，所述电源监测电路包括ina226芯片。
11.优选地，所述气象多要素百叶箱、气体浓度多要素百叶箱、风速传感器、风向传感器和土壤温湿度传感器均与电平转换电路连接，经过电平转换电路与微型计算机传输传感数据。
12.优选地，所述红外热成像传感器为flir lepton 2.5传感器。
13.优选地，所述支撑部包括底座、底座支撑角铁、立杆、控制箱支撑结构、控制箱、太阳能电池板支撑结构、接线盒、接线盒支撑结构、环境传感器横担支撑角铁、环境传感器横担和红外热成像安装结构，其中，底座通过底座支撑角铁呈90度安装在立杆底端；立杆上呈90度安装太阳能电池板支撑结构，安装于立杆的一侧；控制箱通过控制箱支撑结构安装于立杆上；接线盒通过接线盒支撑结构安装于立杆上；环境传感器横担通过环境传感器横担支撑角铁安装于立杆两侧；红外热成像安装结构安装于立杆顶部，红外热成像安装结构上设置全景红外热成像传感部。
14.优选地，所述二维舵机包括方向舵机安装结构、方向舵机、俯仰舵机安装结构、俯仰舵机和电路安装支架，其中，方向舵机通过方向舵机安装结构安装于红外热成像安装结构上，俯仰舵机通过俯仰舵机安装结构安装于方向舵机的输出轴上，红外热成像传感器、微型计算机和红外热成像传感器扩展电路板通过电路安装支架安装于俯仰舵机的输出轴上，通过方向舵机实现水平360
°
旋转，俯仰舵机实现俯仰角度控制。
15.优选地，所述微型计算机产生两个pwm波形输出给方向舵机和俯仰舵机，通过控制两个pwm波的占空比，控制方向舵机和俯仰舵机的角度。
16.优选地，所述红外热成像传感器通过rs232协议与微型计算机通信，默认状态下每三分钟进行一次火焰扫描，当发现火焰时，进入火灾紧急状态，此时红外热成像传感器将扫描间隔时间缩短至10秒。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
18.1.采用分布式监测站点，站点低成本化，广泛分布在林场中，监测效果好，数据量充足，为神经网络分析处理提供有力的数据源；
19.2.采用服务器端多种神经网络分析处理数据，大大降低系统误报率，提高系统可靠性；
20.3.采用全景红外摄像头火焰识别技术，灵敏度高，范围广，效果好；
21.4.采用nb
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iot窄带物联网通信技术，通信稳定，功耗低，并且有着超多设备接入数，为大面积布置监测站点奠定通信基础；
22.5.能够根据众多站点的数据综合全面分析火场情况，并能够给出火灾风险预警，火情报警及火灾风险热力图，火情现状热力图，火情预测热力图，危险区域规划等数据图表，为消防部门能够在保证保障消防人员的人身安全的前提下科学有效地部署消防灭火方案提供有力支持。
附图说明
23.图1为本发明具体实施例的基于红外热成像的森林火灾监测与火情预测系统的正视结构示意图；
24.图2为本发明具体实施例的基于红外热成像的森林火灾监测与火情预测系统的侧视结构示意图；
25.图3为本发明具体实施例的基于红外热成像的森林火灾监测与火情预测系统的电路部分框图；
26.图4为本发明具体实施例的基于红外热成像的森林火灾监测与火情预测系统的二维舵机结构示意图。
27.图中：1、底座；2、底座支撑角铁；3、立杆；4、控制箱支撑结构；5、控制箱；6、太阳能电池板支撑结构；7、太阳能电池板；8、接线盒；9、接线盒支撑结构；10、环境传感器横担支撑角铁；11、环境传感器横担；12、风速风向传感器安装托片；13、风向传感器；14、风速传感器；15、气象多要素百叶箱；16、气体浓度多要素百叶箱；17、红外热成像安装结构；18、红外热成像传感器；19、多要素百叶箱安装托片；20、方向舵机安装结构；21、方向舵机；22、俯仰舵机安装结构；23、俯仰舵机；24、电路安装支架；25、flir lepton2.5传感器；26、微型计算机电路板；27、红外热成像传感器扩展电路板
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
29.相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
30.参见图1，本发明包括支撑部和固定安装在支撑部上的环境要素测量传感器、全景红外热成像传感部、微型计算机30、nb
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iot窄带物联网通信模块60、北斗定位模块70、太阳能供电及电源管理电路。
31.支撑部包括底座1、底座支撑角铁2、立杆3、控制箱支撑结构4、控制箱5、太阳能电池板支撑结构6、太阳能电池板7、接线盒8、接线盒支撑结构9、环境传感器横担支撑角铁10、环境传感器横担11、风速风向传感器安装托片12和红外热成像安装结构17。底座1为四根长度为50cm的4040铝型材通过底座支撑角铁2呈90度安装在立杆3底端；立杆3为一根长度为180cm的4040铝型材；太阳能电池板支撑结构6由长度分别为20cm，70cm的4040铝型材和4根长度为55cm、2根长度为25cm的38mm*38mm*2mm角铁组成，安装于立杆3一侧；控制箱支撑结构4为四根长度为10cm的4040铝型材安装于立杆3上；接线盒支撑结构9为两根长度为10cm的4040铝型材安装于立杆3上；环境传感器横担11由两根长度为30cm的4040铝型材通过环境传感器横担支撑角铁10安装于立杆两侧；红外热成像安装结构17为一根长度为10cm的4040铝型材安装于立杆顶部。
32.环境要素测量仪器包括气象多要素百叶箱15、风向传感器13、风速传感器14、、土
壤温湿度传感器141、气体浓度多要素百叶箱16，可以测量空气温度、湿度，土壤温度、湿度，平均风向、风速，极大风向、风速，大气压强，光照强度，一氧化碳浓度，二氧化碳浓度，氧气浓度数据。各传感器通过rs485总线，经过电平转换电路50转换后与微型计算机30组网，微型计算机30通过modbus协议读取各传感器数据。
33.太阳能供电与电源管理电路包括多晶硅太阳能电池板81、充电电路82、电源监测电路83、铅酸蓄电池84和电源电路85，使用大小为670mm*530mm的50w多晶硅太阳能板81采集能量，充电电路82使用mppt最大功率点跟踪开关电源为铅酸蓄电池84充电，使用一个容量为86ah的12v免维护铅酸蓄电池84为系统供电，使用ina226电源监测电路83与微型计算机30通过i2c通信，读取并计算得到电池电压、电流、功率，电量等数据。
34.全景红外热成像传感部包括二维舵机40、红外热成像传感器18和微型计算机30。通过微型单片机30控制二维舵机实现360
°
旋转全景监测，通过openmv图像处理与物体检测网络，完成火焰识别。
35.二维舵机包括方向舵机安装结构20、方向舵机21、俯仰舵机安装结构22、俯仰舵机23和电路安装支架24。方向舵机21通过方向舵机安装结构20安装于红外热成像安装结构17上，俯仰舵机23通过俯仰舵机安装结构22安装于方向舵机21的输出轴上，flir lepton 2.5传感器25，微型计算机30的电路板26和红外热成像传感器扩展电路板27通过电路安装支架24安装于俯仰舵机23的输出轴上。通过方向舵机21实现水平360
°
旋转，俯仰舵机23实现俯仰角度控制，实现装置的火焰全景监测，使用微型计算机30的硬件定时器产生pwm波形，通过控制两个pwm波的占空比，控制方向舵机21和俯仰舵机23旋转角度。
36.具体实施里中，火焰识别逻辑，通过对热成像摄像头进行配置，拍摄220℃以上热辐射能量，将拍摄图片以灰度图实时传输至微型计算机30。微型计算机30读取灰度图数据，并通过灰度值限制将满足要求的火焰温度区域进一步筛选出。通过开运算与闭运算图形处理，去除噪点，描绘出热辐射能量形状。之后使用圆形度筛选，像素面积筛选，辐射温度筛选，计算火焰位置。
37.红外热成像传感器18，通过rs232协议与微型计算机30通信，在正常工作状态，传感器每三分钟进行一次火焰扫描，当发现火焰时，进入火灾紧急状态，此时传感器将扫描间隔时间缩短至10秒，同时向微型计算机30发送火灾角度信息，通报火情，直至火灾结束，恢复正常工作状态。
38.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。