基于地理信息GIS采集技术的山林火灾监测系统的制作方法

本实用新型涉及一种系统，尤其涉及一种基于地理信息GIS采集技术的山林火灾监测系统。

背景技术：

森林火灾具有突发性强、破坏力大、影响面广等特点，森林火灾不仅对森林资源的安全产生严重威胁而且破坏人类生态环境甚至还会对人的生命财产造成严重危害。森林火灾监测是对预防森林火灾的发生所采取的各种预防和控制措施。我国是一个森林火灾多发国家，森林防火形势十分严峻。森林火灾监测在森林防火中占有相当重要的地位。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。

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采集技术的山林火灾监测系统。该系统的目的在于：采用GIS技术设计了森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森林防火监测中心，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：包括管理服务器、GIS服务器、数据基站节点、监测节点、传输网络；其特征为：所述GIS服务器与数据库进行数据通信；管理服务器与GIS服务器进行数据通信；所述监测节点与数据基站节点通过ZigBee网络进行数据通信实现数据汇聚；所述数据基站节点与管理服务器通过GPRS网络接入Internet网络，建立TCP/IP网络连接实现各监测节点数据的上传；所述系统中每个监测节点和数据基站节点都有独立的地址编码ID，且每个监测节点的坐标与地理信息系统中的位置一一对应，一旦发现火情，管理服务器接收到来自监测节点的报警信息，再经过GIS服务器的处理，将火灾发生的具体地点直观地显示在电子地图上。

优选为：所述监测节点和数据基站节点都采用以MSP430F149为控制核心。

优选为：所述监测节点包括控制器、烟雾传感器、温湿度传感器、风速风向传感器、通信模块和电池供电单元；所述烟雾传感器、温湿度传感器、风速风向传感器、通信模块分别与控制器连接；电池供电单元为所述控制器、温湿度传感器、通信模块供电。

优选为：所述烟雾传感器型号为MIS-09C；温湿度传感器型号为SH11、通信模块型号为CC2420。

优选为：所述数据基站节点包括控制器MSP430F149、ZigBee通信模块CC2420、GPRS模块、SIM300C和电源管理单元；所述控制器MSP430F149分别与ZigBee通信模块CC2420、GPRS模块、SIM300C进行通信；所述电源管理单元为控制器MSP430F149、GPRS模块供电；数据基站节点负责通过ZigBee网络汇聚从各监测节点发来的数据，经过处理后通过GPRS通信模块SIM300C接入Internet，将数据发送至林区监测中心的服务器上。

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采集技术的山林火灾监测系统监测节点硬件组成示意图；

图3为采用本实用新型基于地理信息GIS采集技术的山林火灾监测系统数据基站节点硬件结构示意图；

图4为本实用新型基于地理信息GIS采集技术的山林火灾监测系统实验数据。

具体实施方式

实施例1

基于地理信息GIS采集技术的山林火灾监测系统主要实现的功能有4个方面：①环境参数获取：利用建立分布在火灾易发区不同至高点的野外信息采集站，获取覆盖范围内的环境参数，实现全天候不间断监测；②实时动态监测：在无线数字化网络平台系统的支持下，将采集到的数据信息实时同步传输到森林防火监测中心，实现实时观测林区的动态情况；③火灾定位：如有火情，利用GIS地理信息系统完成定位；④预报分析：根据检测到的环境参数，并参考林区物候、可燃物特性数据，利用专家数据库模型进行综合分析，预测出相应地区的森林火灾等级数据。

森林火灾远程监测与预警系统主要由监控中心、数据基站节点、监测节点和传输网络组成。系统总体结构如图1所示。监测节点与数据基站节点通过ZigBee网络进行数据通信实现数据汇聚；数据基站节点与远端管理服务器采用C/S架构设计，通过GPRS网络接入Internet网络，建立TCP/IP网络连接实现各监测节点数据的上传。

系统中每个监测节点和数据基站节点都有独立的地址编码ID，且每个节点的坐标与地理信息系统中的位置一一对应，一旦发现火情，管理服务器接收到来自监测节点的报警信息，再经过GIS服务器的处理，会将火灾发生的具体地点直观地显示在电子地图上，并提醒值班人员察看显示画面，便于及时通知消防部门采取有效的扑救措施，结合风速和风向等气象信息，可提供火势蔓延的动态预测，为扑救火决策提供辅助支持，大大降低了工作人员的工作劳动强度，提高了防火、救火决策的科学性和准确性。基于Oracle的数据库管理通过对大量历史资料数据进查询、处理和分析，建立森林火灾预警模型，为今后的森林防火预防工作提供了积极的指导和参考决策价值，将火险控制在萌芽状态。

系统中的节点主要包括监测节点和数据基站节点两种，两者都是采用芯片MSP430F149作为控制核心，不同之处在于所添加的模块。

监测节点

监测节点主要由控制器MSP430F149、烟雾传感器NIS－09C、温湿度传感器SH11、风速风向传感器、ZigBee通信模块CC2420和电池供电单元组成，监测节点硬件结构如图2所示。监测节点主要负责采集周围环境中的烟雾、温湿度、风速和风向等信息，并通过ZigBee无线模块经路由发送至数据基站节点。烟雾传感器输出的电压由控制器MSP430F149的ADC0口输入进行模数转换，由于周围环境复杂多变，并且传感器本事也存在一定的误差，降低误报率成为了技术的关键问题，故在信号数据处理程序中引入了模糊逻辑算法，以解决外界干扰的模糊性和报警阈值变化问题；从监测节点中获取温度、湿度、气压、风向、风速等气象数据，还可根据基础地理数据生成火险指数，划分火险等级进行提前预警。

数据基站节点

数据基站节点主要由控制器MSP430F149、ZigBee通信模块CC2420、GPRS模块SIM300C和电源监测管理单元等组成。数据基站节点硬件结构如图3所示。

数据基站节点负责通过ZigBee网络汇聚从各监测节点发来的数据，经过处理后打包，再通过GPRS通信模块SIM300C接入Internet，将数据发送至林区监测中心的服务器上。由于林区面积广、海拔高、环境复杂、山顶没有电源，布线非常困难，系统采用白天将太阳能换成电能的方式对UPS蓄电池充电，夜间蓄电池向设备供电保证前端设备的稳定运行，采用太阳能保证了前端设备在不同的地理环境和不同气候条件下也能全天候不间断工作。

GIS服务器架构设计

GIS是多种学科交叉的产物，以地理空间为基础，采用地理模型分析方法实施提供多种空间和动态的地理信息，它是一种为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统，其基本功能是将表格型数据转换为地理图形显示，然后对显示结果浏览、操作和分析。

该框架设计采用Oracle+ArcSDE，它是目前世界上最成熟、最稳定的空间数据管理技术，也是基础地理信息数据库工程建设的主流模式，主要存储两种类型的数据：基础地理数据和森林防火数据。数据层采用Oracle关系型数据库系统和ArcSDE空间数据引擎，实现森林防火基础地理数据的高效存储和管理；中间层通过ArcSDE空间数据引擎实现对空间数据的访问，基于Arc－GIS Engine和ArcIMS技术构建空间信息综合应用开发平台，实现空间数据应用的业务逻辑，如空间数据的表现和操作；应用层在ArcGIS Engine和ArcIMS的基础上，实现森林防火基础地理数据库的具体应用。

实施例2

森林内部环境复杂，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附图4所示。从附图4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。

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。