段延喜

(惠州學(xué)院 電子科學(xué)系，廣東 惠州 516007)

無(wú)線傳輸森林防火報(bào)警系統(tǒng)

段延喜

(惠州學(xué)院 電子科學(xué)系，廣東 惠州 516007)

“無(wú)線傳輸森林防火報(bào)警系統(tǒng)”以分散安裝在森林里的火源探測(cè)器為基本構(gòu)成單元，探測(cè)器以太陽(yáng)能電池為電源，由紅外火源探測(cè)裝置和ZigBee構(gòu)成的無(wú)線收發(fā)裝置等部分組成，以無(wú)線方式進(jìn)行通訊，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將火警傳送到森林防火指揮中心。為防止信號(hào)淹沒(méi),保證實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，給出了通信協(xié)議，并實(shí)現(xiàn)了通信仿真。

森林防火；火警；無(wú)線傳輸；探測(cè)器；信號(hào)淹沒(méi)

1 森林防火技術(shù)現(xiàn)狀

森林是國(guó)家的重要資源和財(cái)富，不僅具有可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，更重要的還有調(diào)治生態(tài)、保持水土、改善環(huán)境的作用。盡管人為的破壞很?chē)?yán)重，但最大的破壞莫過(guò)于火災(zāi)。如何利用現(xiàn)代化的科技手段和裝備，建立快速反應(yīng)的報(bào)警系統(tǒng)，協(xié)調(diào)組織指揮，準(zhǔn)確定位火源，迅速采取有效措施滅火，是林業(yè)防火工作急需解決的問(wèn)題。

縱觀國(guó)內(nèi)外森林防火現(xiàn)狀，除人工進(jìn)山巡查外，大致可分為以下幾種方式：

(1) 增加滅火設(shè)備：例如我國(guó)的膠東和魯中南山區(qū)是山東省兩大重點(diǎn)林區(qū)，其重點(diǎn)火險(xiǎn)區(qū)綜合治理項(xiàng)目，共完成投資2662萬(wàn)元，配備大量的風(fēng)力滅火機(jī)、對(duì)講機(jī)、油鋸、割灌機(jī)、防火服、水槍、照明工具、GPS定位儀、3號(hào)工具、望遠(yuǎn)鏡、了望臺(tái)和短波電臺(tái)等，共新建森林消防專(zhuān)業(yè)隊(duì)伍53支、建撲火隊(duì)營(yíng)房2016平方米、建國(guó)家級(jí)森林防火物資儲(chǔ)備庫(kù)3處(974平方米)。這種大投入明顯改善了撲滅山火的能力，但對(duì)火災(zāi)的報(bào)警能力改善不大。

(2) 雷電監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)預(yù)警：由于雷電是可能引起火災(zāi)的原因之一，例如在我國(guó)大興安嶺北部林區(qū)及其周邊地區(qū)建設(shè) 15個(gè)閃電定位探測(cè)子站，1個(gè)數(shù)據(jù)處理中心，1個(gè)數(shù)據(jù)處理分中心以及8個(gè)自動(dòng)氣象站。這種方式加強(qiáng)對(duì)雷電的監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)預(yù)警，一旦監(jiān)測(cè)到雷電信號(hào)則會(huì)自動(dòng)報(bào)警，并將雷電各種信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)酱笈d安嶺各個(gè)森林防火指揮部。但該方式只是對(duì)雷電監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)預(yù)警，并非對(duì)火災(zāi)的報(bào)警。

(3) 電視電腦監(jiān)控系統(tǒng)：以我國(guó)朝陽(yáng)鳳凰山國(guó)家森林公園為例，工作人員在辦公室通過(guò)森林防火電視電腦監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控整座山的情況。該系統(tǒng)由4個(gè)可旋轉(zhuǎn)的攝像頭組成，它們分別安裝在4個(gè)山頭，24小時(shí)對(duì)全山拍攝。該方式靠人工觀察，自動(dòng)化程度低。

(4) 高倍攝像+GPS定位：例如我國(guó)大興安嶺森林防火信息指揮中心與沈陽(yáng)北大青鳥(niǎo)商用信息系統(tǒng)有限公司合作研制開(kāi)發(fā)的森林防火數(shù)字輔助決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、大屏幕顯示系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、視頻指揮系統(tǒng)、定位跟蹤系統(tǒng)、火場(chǎng)圖像傳輸系統(tǒng)、林火了望監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等7大系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)結(jié)合我國(guó)開(kāi)發(fā)的兩星定位技術(shù)，將制高點(diǎn)安裝的了望塔上配備的高倍攝像裝置，通過(guò)微波將圖像傳送到附近林業(yè)局防火辦。該方式投入大，完全依靠圖像判斷火情等級(jí)，自動(dòng)化程度低，且對(duì)是否發(fā)生火情的邏輯判斷并報(bào)警方面未有大的改善。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 無(wú)線傳輸森林防火報(bào)警系統(tǒng)簡(jiǎn)介

“無(wú)線傳輸森林防火報(bào)警系統(tǒng)”結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)以分散安裝在森林里的探測(cè)器為基本構(gòu)成單元，以無(wú)線方式進(jìn)行通訊。各探測(cè)器既作火警探測(cè)器和報(bào)警發(fā)射器，又作其它探測(cè)器所發(fā)出信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)器。因此，火警可以通過(guò)各探測(cè)器迅速地將報(bào)警信號(hào)傳送到系統(tǒng)監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)中心計(jì)算機(jī))。該中心計(jì)算機(jī)將火源位置標(biāo)示在電子地圖上，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)通知有關(guān)部門(mén)快速處理[1]。

圖2 探測(cè)器原理結(jié)構(gòu)圖

3 探測(cè)器

3.1探測(cè)器結(jié)構(gòu)[2]

探測(cè)器以單片機(jī)為核心，以太陽(yáng)能電池為電源，由紅外火源探測(cè)裝置和ZigBee構(gòu)成的無(wú)線收發(fā)裝置等部分組成，如圖2所示。

3.2探測(cè)器分布

探測(cè)器按圖1所示的正六邊形分布。每一個(gè)探測(cè)器都有唯一的一個(gè)硬件地址碼，該地址碼的前部對(duì)應(yīng)正六邊形

的一個(gè)頂點(diǎn)，后部是地址編號(hào)，從A001h至FFFFh。中心計(jì)算機(jī)的地址碼為0000h。

3.3探測(cè)器通信

每個(gè)探測(cè)器發(fā)出的信號(hào)僅能夠被相鄰的3個(gè)探測(cè)器有效接收到。中心計(jì)算機(jī)也處在一個(gè)正六邊形的頂點(diǎn)，僅能與相鄰探測(cè)器通信，且只要安置在森林邊緣，方便管理和監(jiān)控，并能接入互聯(lián)網(wǎng)。

4 電子地圖與火警標(biāo)示

電子地圖是中心計(jì)算機(jī)屏幕上與圖1中探測(cè)器分布相似的圖，它完整地繪制了所有的探測(cè)器及其彼此間的相對(duì)分布情況。每個(gè)探測(cè)器均作360°探測(cè)，其火源有效探測(cè)范圍的半徑與正六邊形的邊長(zhǎng)相同。僅以圖1中標(biāo)示的①-⑥共6個(gè)菱形區(qū)域?yàn)槔?，?dāng)出現(xiàn)火警時(shí)，探測(cè)到火警的探測(cè)器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)火源探測(cè)器)發(fā)出火警信號(hào)，其它探測(cè)器相繼轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)中心計(jì)算機(jī)收到火警信號(hào)后，即可按表1確定火源所在區(qū)域并在電子地圖上標(biāo)示。

表1 探測(cè)器報(bào)警組合及火源所在區(qū)域

5 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)具有豐富的功能，包括：一、校對(duì)電子地圖，既中心計(jì)算機(jī)檢查各探測(cè)器能否正常工作并校對(duì)各探測(cè)器及其相互位置與電子地圖的標(biāo)注是否一致；二、發(fā)送火警，既火源探測(cè)器探測(cè)到火警后發(fā)出火警信號(hào)；三、火源標(biāo)示，既中心計(jì)算機(jī)收到火警后，將火源標(biāo)示在電子地圖上，通知有關(guān)部門(mén)對(duì)火警進(jìn)行處理，并命令火源探測(cè)器停止發(fā)送火警，減小電源消耗；四、火警開(kāi)啟，既當(dāng)某火源探測(cè)器發(fā)出火警的現(xiàn)場(chǎng)火情被撲滅后，可由撲火現(xiàn)場(chǎng)工作人員遙控探測(cè)器自動(dòng)報(bào)告中心計(jì)算機(jī)火已撲滅并自動(dòng)開(kāi)啟火警，或有關(guān)部門(mén)處理完畢后，可由中心計(jì)算機(jī)向該火源探測(cè)器發(fā)出火警開(kāi)啟命令，使該探測(cè)器此后再探測(cè)到火警后繼續(xù)報(bào)警；五、探測(cè)器更換，既更換出現(xiàn)故障的探測(cè)器，該探測(cè)器啟動(dòng)復(fù)位時(shí)自動(dòng)發(fā)出信號(hào)，中心計(jì)算機(jī)收到該信號(hào)后修正電子地圖中的標(biāo)示。

6 信號(hào)類(lèi)型

系統(tǒng)信號(hào)分為主動(dòng)信號(hào)與應(yīng)答信號(hào)兩種類(lèi)型，主動(dòng)信號(hào)有：火源報(bào)警信號(hào)、報(bào)警開(kāi)啟信號(hào)、地圖核對(duì)信號(hào)和火源撲滅信號(hào)，應(yīng)答信號(hào)有停止報(bào)警信號(hào)、開(kāi)啟應(yīng)答信號(hào)，核對(duì)應(yīng)答信號(hào)。

6.1火源報(bào)警信號(hào)

由火源探測(cè)器原始發(fā)出，中心計(jì)算機(jī)接收后予以處理。

6.2停止報(bào)警信號(hào)

作為“火源報(bào)警信號(hào)”的應(yīng)答，由中心計(jì)算機(jī)原始發(fā)出，以制止火源探測(cè)器繼續(xù)報(bào)警。

6.3報(bào)警開(kāi)啟信號(hào)

當(dāng)火警被處理完畢后，由中心計(jì)算機(jī)原始發(fā)出，以通知被停止報(bào)警的火源探測(cè)器再探測(cè)到火警后可繼續(xù)發(fā)送“火源報(bào)警信號(hào)”報(bào)警，防止以后的火源報(bào)警被阻斷。

6.4開(kāi)啟應(yīng)答信號(hào)

作為“報(bào)警開(kāi)啟信號(hào)”的應(yīng)答，由所要開(kāi)啟的目標(biāo)探測(cè)器原始發(fā)出，報(bào)告中心計(jì)算機(jī)火源報(bào)警功能已經(jīng)開(kāi)啟。

6.5地圖核對(duì)信號(hào)

由中心計(jì)算機(jī)原始發(fā)出，其作用是核對(duì)探測(cè)器所在位置與電子地圖標(biāo)注是否一致，并檢查探測(cè)器能否正常工作。

6.6核對(duì)應(yīng)答信號(hào)

作為“地圖核對(duì)信號(hào)”的應(yīng)答，由各探測(cè)器原始發(fā)出，報(bào)告其相鄰探測(cè)器的地址，其中還攜帶了自身是否有故障的信息。中心計(jì)算機(jī)接收后與電子地圖進(jìn)行核對(duì)，若周邊探測(cè)器的地址與電子地圖標(biāo)示不同，則更改電子地圖；若有故障，則需處理。

6.7火源撲滅信號(hào)

火源撲滅后，在現(xiàn)場(chǎng)由人工遙控探測(cè)到火源的探測(cè)器原始發(fā)出“火源撲滅信號(hào)”，報(bào)告中心計(jì)算機(jī)火源已撲滅。中心計(jì)算機(jī)接收后將火源從電子地圖中相應(yīng)的位置清除，并通知森林防火指揮中心。

7 通信協(xié)議

7.1防止信號(hào)淹沒(méi)

即使在一個(gè)正六邊形內(nèi)，信號(hào)也可能無(wú)限循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)。因此，通信協(xié)議的核心問(wèn)題是：防止信號(hào)在相互轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)出現(xiàn)無(wú)限的轉(zhuǎn)發(fā)循環(huán)而將探測(cè)器淹沒(méi)在疲于轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)中。為此，協(xié)議約定：探測(cè)器不轉(zhuǎn)發(fā)反饋回來(lái)的自身發(fā)出的信號(hào)，任何一個(gè)完全相同的信號(hào)不重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)。原始信號(hào)源對(duì)信號(hào)的發(fā)送、停止及相應(yīng)的處理如表2所示。

表2 信號(hào)的發(fā)送、停止及相應(yīng)的處理

7.2信號(hào)報(bào)文

為實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議，所有信號(hào)均有嚴(yán)格的報(bào)文格式及其相應(yīng)的通信流程。所有信號(hào)報(bào)文的格式如表3所示(最后一個(gè)字節(jié)為校驗(yàn)碼，未在表中列出)。

表3 信號(hào)報(bào)文格式

第1字節(jié)為信號(hào)類(lèi)型標(biāo)識(shí)碼；第2、3字節(jié)為該信號(hào)的原始發(fā)出者地址碼或信號(hào)最終的目標(biāo)探測(cè)器地址碼 (如前述，探測(cè)器地址碼從A001h至FFFFh，中心計(jì)算機(jī)的地址碼為0000h)；第4字節(jié)為流水號(hào)，由信號(hào)的原始發(fā)出者(見(jiàn)6信號(hào)類(lèi)型)更新；第5、6字節(jié)一般為轉(zhuǎn)發(fā)探測(cè)器的地址碼，只有“核對(duì)應(yīng)答信號(hào)”在原始信號(hào)源發(fā)出時(shí)為全零(0000h)，與原始信號(hào)源相鄰的探測(cè)器轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)填入自己的地址碼，其它探測(cè)器此后轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)不再更新，其第7個(gè)字節(jié)為故障代碼，最后一個(gè)字節(jié)仍為校驗(yàn)碼。

7.3通信流程

探測(cè)器的總體通信流程如圖3所示。

為避免“火源報(bào)警信號(hào)”因某種原因阻塞而無(wú)法到達(dá)中心計(jì)算機(jī)，火源探測(cè)器間歇式地發(fā)出“火源報(bào)警信號(hào)”，其時(shí)間間隔設(shè)定為 “火源報(bào)警信號(hào)” 足以到達(dá)中心計(jì)算機(jī)的時(shí)間與收到“停止報(bào)警信號(hào)”的時(shí)間之和。間歇后下次發(fā)出“火源報(bào)警信號(hào)”時(shí)流水號(hào)加1。探測(cè)器探測(cè)到火源后即發(fā)出“火源報(bào)警信號(hào)”，該“發(fā)出火源報(bào)警信號(hào)流程”較簡(jiǎn)單，故圖略。

圖3 探測(cè)器總體通信流程

“轉(zhuǎn)發(fā)火源報(bào)警信號(hào)流程”需核對(duì)地址碼、“停止報(bào)警信號(hào)”及流水號(hào)，流程如圖4所示。

“停止報(bào)警信號(hào)流程”要將第2、3字節(jié)的地址碼存儲(chǔ)在停止報(bào)警地址碼列表中，此后再收到該地址碼的“火源報(bào)警信號(hào)”時(shí)不予轉(zhuǎn)發(fā)，可防止信號(hào)淹沒(méi)，流程如圖5所示。

“報(bào)警開(kāi)啟信號(hào)流程”要將第2、3字節(jié)的地址碼從停止報(bào)警地址碼列表中清除，流程如圖6所示。

“開(kāi)啟應(yīng)答信號(hào)流程”要將信號(hào)傳達(dá)到中心計(jì)算機(jī)，流程如圖7所示。

“地圖核對(duì)信號(hào)流程”只需保證不重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)，流程如圖8所示。

“核對(duì)應(yīng)答信號(hào)流程”需加入相鄰探測(cè)器地址，流程如圖9所示。

“火源撲滅信號(hào)流程” 與“轉(zhuǎn)發(fā)火源報(bào)警信號(hào)流程”相似。

圖4 轉(zhuǎn)發(fā)火源報(bào)警信號(hào)流程 圖5 停止報(bào)警信號(hào)流程 圖6 報(bào)警開(kāi)啟信號(hào)流程

圖7 開(kāi)啟應(yīng)答信號(hào)流程 圖8 地圖核對(duì)信號(hào)流程 圖9 核對(duì)應(yīng)答信號(hào)流程

8 通信仿真

仿真系統(tǒng)采用Microsoft Visual Studio 2008開(kāi)發(fā)工具。運(yùn)行環(huán)境為兩臺(tái)計(jì)算機(jī)，內(nèi)存1G，ASP.NET 2.0，添加IIS服務(wù)。

其中一臺(tái)計(jì)算機(jī)仿真在森林中分布的探測(cè)器之間的通信，如圖10所示。該計(jì)算機(jī)可完全仿真各信號(hào)在探測(cè)器間的傳輸。圖10就是添加著兩個(gè)火點(diǎn)時(shí)的界面。

另一臺(tái)計(jì)算機(jī)仿真在森林邊緣的中心計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與森林防火指揮中心聯(lián)接，使得森林防火指揮中心能夠得到完全相同的電子地圖畫(huà)面，如圖11所示。圖11是接收到圖10的兩個(gè)著火點(diǎn)時(shí)，在電子地圖上用圓形交叉最深顏色標(biāo)示了著火點(diǎn)。

9 結(jié)束語(yǔ)

“無(wú)線傳輸森林防火報(bào)警系統(tǒng)”具有反應(yīng)迅速、擴(kuò)充容易、檢測(cè)方便、維護(hù)簡(jiǎn)單和自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。系統(tǒng)監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)相連，可供各級(jí)主管部門(mén)及時(shí)了解火情并做出快速部署。本文所述之通信協(xié)議能夠有效防止信號(hào)淹沒(méi)，確保防火報(bào)警系統(tǒng)各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)。

圖10森林防火現(xiàn)場(chǎng)仿真界面圖11森林防火監(jiān)控中心界面

[1]肖錦輝.森林防火報(bào)警系統(tǒng)中的Web服務(wù)[J].惠州學(xué)院學(xué)報(bào)，2005,25(3):46-50.

[2]張軍國(guó)，李文彬，韓寧，等.基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29(4):41-45.

(責(zé)任編校：光明)

ForestFirePreventionAlarmSystemofWirelessTransmission

DUANYan-xi

(Department of Electronic Science, Huizhou Institute, Huizhou， 516015， China)

Forest fire prevention alarm system of wireless transmission is a system using fire-alarm detectors which are fixed by dispersing as its basic composition units. A detector was composed of a solar energy battery as its power source, an infrared fire detection device and a Zigbee wireless transceiver. These detectors are communicated with each other by wireless ways, and transmitted the fire alarms to the forest fire prevention command center by the internet. The communication protocol which is for signal-submergence prevention and system function realization is presented, and communication simulation is also carried out.

forest fire prevention；fire alarm；wireless transmission；detector; signal submergence

2010-05-28.

段延喜(1967—— )，男，山東陽(yáng)谷人，惠州學(xué)院電子科學(xué)系講師，碩士，研究方向：電氣技術(shù)與電路理論。

TP393

A

1673-0712(2010)04-0080-05