基于无线传感器网络的森林防火智能监控系统的制作方法

本发明涉及森林防火技术领域，具体涉及基于无线传感器网络的森林防火智能监控系统。

背景技术

森林作为地球上不可替代的自然资源，在人类生存和发展中占有重要地位。森林火灾的发生不仅会对林业建设、生态环境造成严重影响，更会影响到一个国家的经济建设及社会的长久治安，影响到人民的生命财产安全，给国家及人民造成巨大经济损失。森林火灾具有蔓延快、扑救困难、突发性强等特点，一旦发生险情，很难受到控制，同时由于森林面积巨大，地形复杂，很难判断引燃的位置。因此，建立合理的森林防火监控系统，并对森林火灾进行预防尤为重要。

目前，国内通常采用的监控方法有地面巡护、瞭望台监测、航空巡护、卫星遥感等。地面巡护和瞭望台监测需要经验丰富的瞭望员大范围的监控，不仅受地形地势的限制，覆盖面小，且有死角和空白，效率非常低。航空巡护和卫星遥感则受自然条件限制，且成本极高。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供基于无线传感器网络的森林防火智能监控系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了基于无线传感器网络的森林防火智能监控系统，该系统包括数据采集子系统、监控终端；数据采集子系统用于采集森林防火监测区域内的环境监测数据，数据采集子系统包括单个汇聚节点、四个中继节点和多个传感器节点，所述汇聚节点部署于设定的森林防火监测区域的中心位置，四个中继节点设置于森林防火监测区域中的不同位置，且四个中继节点与汇聚节点之间的距离相同，所述多个传感器节点按照实际监测需要部署于所述森林防火监测区域内；传感器节点负责采集环境监测数据并将环境监测数据发送至其中一个中继节点，中继节点将接收的环境监测数据单跳发送至汇聚节点，汇聚节点汇聚所接收的环境监测数据，并发送至所述监控终端。

在一种能够实现的方式中，传感器节点设有传感器模块，传感器模块包括以下传感器的一种或多种：

风向传感器，用于采集森林防火区域的风向信息；

视频摄像传感器，用于采集森林防火区域的视频信息；

烟雾传感器，用于采集森林防火区域环境中的烟雾浓度信息；

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。

其中，所述监控终端负责接收数据采集子系统传输过来的数据，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，监控终端便立即做出相应的应对措施。

在一种能够实现的方式中，所述监控终端包括用于存储环境监测数据的存储模块、用于显示环境监测数据的显示模块，以及用于分析环境监测数据是否超出对应的设定阈值的分析模块；所述监控终端还包括报警模块，用于在环境监测数据超出对应的设定阈值时发出报警。

本发明的有益效果为：利用无线传感器网络技术组成森林防火监控系统，减少了人工布设监测点的复杂性和难度，适用于人迹罕至、地形复杂的原始森林；采用风向传感器、温湿度传感器、烟雾浓度传感器及视频摄像传感器能够全面监测森林环境，将火灾防患于未发生之前，起到预防作用。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明一个示例性实施例的基于无线传感器网络的森林防火智能监控系统的结构示意框图；

图2是本发明一个示例性实施例的监控终端的结构示意框图。

附图标记：

数据采集子系统1、监控终端2、存储模块10、显示模块20、分析模块30、报警模块40。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

参见图1，本发明实施例提供了基于无线传感器网络的森林防火智能监控系统，该系统包括数据采集子系统1、监控终端2；数据采集子系统1用于采集森林防火监测区域内的环境监测数据，数据采集子系统1包括单个汇聚节点、四个中继节点和多个传感器节点，所述汇聚节点部署于设定的森林防火监测区域的中心位置，四个中继节点设置于森林防火监测区域中的不同位置，且四个中继节点与汇聚节点之间的距离相同，所述多个传感器节点按照实际监测需要部署于所述森林防火监测区域内；传感器节点负责采集环境监测数据并将环境监测数据发送至其中一个中继节点，中继节点将接收的环境监测数据单跳发送至汇聚节点，汇聚节点汇聚所接收的环境监测数据，并发送至所述监控终端2。

在一种能够实现的方式中，传感器节点设有传感器模块，传感器模块包括以下传感器的一种或多种：

风向传感器，用于采集森林防火区域的风向信息；

视频摄像传感器，用于采集森林防火区域的视频信息；

烟雾传感器，用于采集森林防火区域环境中的烟雾浓度信息；

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。

其中，所述监控终端2负责接收数据采集子系统1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，监控终端2便立即做出相应的应对措施。

在一种能够实现的方式中，如图2所示，所述监控终端2包括用于存储环境监测数据的存储模块10、用于显示环境监测数据的显示模块20，以及用于分析环境监测数据是否超出对应的设定阈值的分析模块30；所述监控终端2还包括报警模块40，用于在环境监测数据超出对应的设定阈值时发出报警。

其中阈值条件的设定，可以根据实际情况进行设置。在一种实施方式中，可针对不同环境监测数据设置不同的标准阈值，当环境监测数据超出对应的标准阈值判定该环境监测数据为异常，进而输出报警信息。其中，该报警信息可包括异常的环境监测数据，和/或异常的环境监测数据产生的位置。

本发明上述实施例的有益效果为：利用无线传感器网络技术组成森林防火监控系统，减少了人工布设监测点的复杂性和难度，适用于人迹罕至、地形复杂的原始森林；采用风向传感器、温湿度传感器、烟雾浓度传感器及视频摄像传感器能够全面监测森林环境，将火灾防患于未发生之前，起到预防作用。

在一个实施例中，将多个传感器节点按照实际监测需要部署于所述监测区域内后，将监测区域平均划分为f个方形网格区域，从f个方形网格区域选择f个监测需求力度大的区域作为待优化区域，并判断待优化区域是否满足覆盖率不足条件，若存在待优化区域j满足覆盖率不足条件，则在待优化区域j中增加部署传感器节点；

传感器节点模型采用布尔感知模型，传感器节点感知半径异构，任意传感器节点的感知半径可在[cmin,cmax]范围内调节，其中cmax和cmin分为传感器节点感知半径的上下限，设定所述覆盖率不足条件为：

式中，ni表示第i个待优化区域内已部署的传感器节点数量，di为所述第i个待优化区域的面积；mt为预设的覆盖率阈值，p为监测需求力度影响因子，p的取值范围为[0.10,0.20]。

本实施例将多个传感器节点按照实际监测需要部署于所述监测区域内后，将监测区域平均划分为多个方形网格区域，从中选择监测需求力度较大的方形网格区域作为待优化区域，并检测待优化区域的网络覆盖率是否过低。本实施例创新性地设定了检测待优化区域的网络覆盖率是否过低的标准，即覆盖率不足条件，进而在满足覆盖率不足条件的区域中增加部署传感器节点，有利于优化监测需求力度较大的方形网格区域中的传感器节点部署，进一步保障监测需求，提升无线传感器网络的监测性能。

在一个实施例中，在待优化区域j中增加部署传感器节点，包括：

(1)将待优化区域j分成多个方形网格子区域，按照下列公式计算每个方形网格子区域的最大可能覆盖率：

式中，mr为待优化区域j中第r个方形网格子区域的最大可能覆盖率，nr为所述第r个方形网格子区域中的传感器节点数量，dr为所述第r个方形网格子区域的面积大小；

(2)计算所有方形网格子区域的平均最大可能覆盖率mavg，将最大可能覆盖率小于mavg的方形网格子区域作为节点增添区域；

(3)在每个节点增添区域中增加部署1个传感器节点。

在一种实施方式中，所述在每个节点增添区域中增加部署1个传感器节点，具体为：若节点增添区域中没有传感器节点，则在节点增添区域的中心位置增加部署1个传感器节点；若节点增添区域中已部署有传感器节点，计算节点增添区域的重心位置，并在与节点增添区域邻接的方形网格子区域中，选取与所述重心位置最近的传感器节点作为基准节点，在重心位置与所述基准节点连线的中点处增加部署1个传感器节点。

其中，按照下列公式计算节点增添区域的重心位置：

式中，ka表示节点增添区域a的重心位置，x(b)表示所述节点增添区域a中第b个传感器节点所在位置的横坐标，y(b)为所述第b个传感器节点所在位置的纵坐标，其中以汇聚节点为坐标原点，na为所述节点增添区域a具有的传感器节点个数。

本实施例设定了在待优化区域中增加部署传感器节点的具体机制，该机制通过将待优化区域分成多个方形网格子区域，基于最大可能覆盖率确定节点增添区域，并进一步设定了在节点增添区域中增加部署传感器节点的具体位置确定方式。本实施例有利于在增加网络覆盖率的基础上进一步均衡传感器节点的分布，尽量减少覆盖空洞，进而提升无线传感器网络的监测性能，延长网络生存时间。

在一种能够实现的方式中，传感器节点将环境监测数据发送至其中一个中继节点，具体为：传感器节点与最近的中继节点的距离不超过设定的距离阈值时，传感器节点直接将环境监测数据发送至该最近的中继节点，否则，计算其邻居节点的权值，并选择权值最大的邻居节点作为下一跳节点，将环境监测数据发送至该下一跳节点，所述的邻居节点为位于传感器节点通信范围内的其余传感器节点。

其中，所述的权值的计算公式为：

式中，wtq为传感器节点t的第q个邻居节点的权值，utq为传感器节点t与其第q个邻居节点的距离，为所述第q个邻居节点与第h个中继节点的距离，utα为传感器节点t与其第α个邻居节点的距离，为所述第α个邻居节点与第h个中继节点的距离，nt为传感器节点t的邻居节点个数，v1、v2为设定的权重系数。

本实施例创新性的设定了权值的计算公式，本实施例中，传感器节点与最近的中继节点的距离超过设定的距离阈值时选择权值最大的邻居节点作为下一跳节点，将环境监测数据发送至该下一跳节点，有利于节省环境监测数据传输至中继节点的能耗，进一步节省系统在环境监测数据收集方面的成本。

利用无线传感器网络技术组成森林防火监控系统，减少了人工布设监测点的复杂性和难度，适用于人迹罕至、地形复杂的原始森林；采用风向传感器、温湿度传感器、烟雾浓度传感器及视频摄像传感器能够全面监测森林环境，将火灾防患于未发生之前，起到预防作用。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。