馬小琴 程 芳 張欽禮

（1.池州學院 大數據與人工智能學院，安徽 池州 247000；2.杭州蛋蛋語音科技有限公司，浙江 杭州 310005）

我國幅員遼闊，資源豐富，第九次全國森林資源清查成果——《中國森林資源報告（2014—2018）》數據顯示，全國森林覆蓋率22.96%，森林面積2.2億公頃。林區(qū)中部分倉儲企業(yè)大多對于環(huán)境濕度的要求較高。再如寺廟常年香火繚繞，木構件較為干燥，極易引發(fā)火災。如果按傳統(tǒng)的興建瞭望塔、衛(wèi)星遙感視頻監(jiān)控以及地面巡護的方式，不僅會花費大量人力、物力、財力，而且獲取信息不全。另外，瞭望塔監(jiān)測又經常受地形天氣等條件限制，從而造成處理不及時，給林區(qū)帶來毀滅性的災難[1]。然而林區(qū)覆蓋面積大，流轉數據太多，需要采集的信息非常龐大，大數據與人工智化是必先考慮的技術。為響應國家的環(huán)保、節(jié)能、低碳等政策要求，本文將現代化網絡技術運用到林區(qū)重點單位如木質建筑群、倉儲企業(yè)、養(yǎng)殖企業(yè)或木材加工廠等消防監(jiān)測中，提出一種基于WSN的林區(qū)重點單位智能消防系統(tǒng)，有效地預防火災，遏制已發(fā)生的火災，從而保護人員及財產安全。

1 基于WSN 的林區(qū)重點單位智能消防系統(tǒng)

本文提出的智能消防系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。該系統(tǒng)在分布式處理的基礎上實現傳感器節(jié)點的分簇置數。為了降低節(jié)點能耗和系統(tǒng)復雜性，無線傳感監(jiān)測網絡采用分簇的拓撲結構。簇內成員節(jié)點通過多跳無線通信方式與簇首通信，將采集的信息源源不斷地傳送至簇首[2-3]?；緟R總通過LoRa 無線網絡傳輸[4]各簇網關節(jié)點的數據，存檔于監(jiān)控中心的服務器中。所傳送的數據經分布式數據處理機進行存儲、查詢分布程序等處理后，將結果發(fā)送至客戶端。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

1.1 系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)主要由五個模塊組成，如圖2所示。首先通過傳感器采集模塊搜集著火點信息，然后經過無線網絡傳輸模塊將搜集到的數據交給分布式信息處理模塊進行數據處理，最后對于處理的結果判斷是否啟動火情遏制模塊和預警模塊。各模塊間協(xié)調合作，保證該系統(tǒng)的正常運行。

圖2 系統(tǒng)模塊結構圖

1.2 各模塊實現

（1）傳感器信息采集模塊。根據森林火災產生的熱量、紅外線和煙霧等特點選擇靈敏度高、抗干擾性強的溫度傳感器、紅外傳感器、煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞯榷喾N類型傳感器，組成立體化傳感器監(jiān)測陣列。立體化傳感器將采集到的信息就近傳輸到匯聚節(jié)點，再由簇首傳到主系統(tǒng)進行數據處理；（2）無線網絡傳輸模塊。無線傳感網絡中的采集節(jié)點將其采集到的信息通過LoRa無線網絡傳輸到匯聚節(jié)點，由匯聚節(jié)點通過多跳躍方式與網關節(jié)點通信,然后結合GPRS網絡通過無線基站和Internet將數據傳送至監(jiān)控主機；（3）分布式數據處理模塊。分布式數據處理模塊采用分布式數據處理系統(tǒng)（DDSMS）[5]。采集節(jié)點將收集到的數據信息發(fā)送至基站，基站首先進行判斷，經過數據監(jiān)控模塊、存儲模塊、查詢模塊對信息進行處理，如若達到著火條件，則發(fā)送數據至監(jiān)控中心進行預警及報警；（4）預警及自動報警模塊。報警模塊采用GPS定位技術和導航技術，在接收到數據處理模塊傳出的指令后，首先進行報警，然后通過GPS定位迅速定位火災發(fā)生地點，同時結合地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System 或 Geo－Information system，GIS）進行火勢分析，并規(guī)劃出最佳路線，以便及時救災；（5）火情遏制模塊。該模塊是圍繞建筑物的全方位灑水裝置，當接到中心處理模塊的報警信號后，該模塊會啟動打開灑水器向四周灑水，從而達到削弱火勢或滅火目的。

1.3 系統(tǒng)具體工作流程

通過對各模塊的分析，可以進一步精確到系統(tǒng)具體的工作流程如圖3所示。實現流程如下：

圖3 系統(tǒng)工作流程圖

（1）由若干立體式傳感器實時收集相關數據，并將采集的信息由LoRa無線網絡傳輸至匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點將信息匯總傳輸至基站，由基站進行初步判斷。若采集到的數據達到或接近設置的閾值，則發(fā)出預警信息。

（2）若形成著火條件，則將基站判斷通過的數據信息傳輸至監(jiān)控中心。監(jiān)控中心通過DDSMS進行數據處理，進一步判斷是否形成火災。①DDSMS的處理過程。DDSMS由數據監(jiān)控模塊、存儲模塊、查詢模塊構成。具體處理流程如圖4所示。服務器接收到信號后會將數據信息進行監(jiān)控、存儲、查詢等處理后，與以往經驗數據進行對比。如超出臨界值，則將信息傳送至客戶端發(fā)出報警信息。當有大量數據流進行傳輸時，服務器中的DDSMS可識別智能識別節(jié)點的閑忙程度、距離、路線，然后對節(jié)點數據進行合理的采集和處理。②DDSMS的特點。DDSMS可以極大地縮短數據處理時間，提高響應速度，有能力應對動態(tài)的數據流，能形成隨時間而變化的查詢結果，它在大規(guī)模的網絡應用環(huán)境中不受限制，DDSMS從外部數據源獲取數據，當系統(tǒng)檢測到符合查詢條件的數據時將數據返回給用戶。DDSMS是連續(xù)查詢，只要用戶注冊了一個查詢，并且沒有注銷這個查詢，那么這個查詢將持續(xù)有效。DDSMS實時進行數據分析，并向用戶實時返回查詢結果。因此，該系統(tǒng)在出現火災時會及時報警，簡單方便，無需人員反復操作。

圖4 DDSMS數據處理流程圖

（3）如若形成火災，將形成火災的數據信息傳輸至云端進行存儲，同時進行預警及報警，利用GPS確定火場周圍界限的經緯度，同時結合GIS地理信息系統(tǒng)進行火勢分析，并自動規(guī)劃出最佳救火路線及方案。

（4）如系統(tǒng)判斷有誤，則將錯誤數據整理歸類存儲至云端，并作為特例在下次同地區(qū)發(fā)現火情時與云端存儲數據進行比對，通過不斷對以往信息的判斷、歸納、分析、總結來進行數據的不斷更新，從而逐步完善系統(tǒng)，確保系統(tǒng)監(jiān)測結果的可靠性和實用性。該系統(tǒng)火災數據的自學習模式流程圖如圖5所示。

圖5 火災數據自學習模式流程圖

1.4 系統(tǒng)特點

（1）WSN 技術不僅可以彌補當下防火技術的不足，且與采用固定攝像裝置的監(jiān)控技術相比，成本更低，部署更方便，更節(jié)省數據存儲空間；（2）設置預警及報警系統(tǒng)，根據實時收集到的環(huán)境信息預測火災發(fā)生的可能性，并根據以往的經驗數據作出火災發(fā)生可能性的判斷，在誤報或漏報的情形下將相關數據發(fā)送至云服務器進行自學習，提高了報警系統(tǒng)的精度；（3）由于系統(tǒng)是根據各個節(jié)點的忙閑程度、距離遠近程度以及線路的擁堵程度來分配任務，所以各個數據采集節(jié)點之間是真正獨立“并行”工作，從而使系統(tǒng)響應快；（4）火災發(fā)生時，系統(tǒng)會自動打開火災遏制裝置，并向建筑物內發(fā)出有指向性的報警提示，且及時自動報警，以減小火災造成的人員傷亡和財產損失，并規(guī)劃最佳救火路線。

2 系統(tǒng)測試

2.1 測試環(huán)境構建

選擇一座位于空曠地帶的無人居住的木建筑屋，對于建筑物周邊環(huán)境的營造應該盡量貼合實際環(huán)境。有選擇地針對著火條件放置相應的傳感器、火情遏制裝置。通過無線網絡傳輸與監(jiān)控中心之間進行數據傳輸，保證各模塊正常工作。各模塊之間能夠進行必要的通信，發(fā)揮相應的聯動功能。

2.2 測試內容

（1）觀察監(jiān)測中心是否能在火情剛剛起勢時及時收到傳感器發(fā)出的異常信息，并進行火情等級劃分，及時報警；（2）觀察監(jiān)控中心報警后，火情遏制系統(tǒng)是否正常啟動；（3）觀察火情擴散至離建筑物較近處時，GPS定位是否迅速定位火災發(fā)生地點，并規(guī)劃出最佳救援路線；（4）測試非火焰因素是否會使系統(tǒng)出現誤判；（5）反復測試。

2.3 測試結果

根據系統(tǒng)做出的反應可以判斷該系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行，數據能夠準確傳輸。

（1）當林區(qū)和周圍建筑物有著火的跡象時，即可燃氣體濃度過高，溫度過高等，啟動火情遏制模塊；并將通過傳感器傳回的數據進行處理后進一步判斷火情是否得到控制，若沒有則進行下一步；

（2）林區(qū)已經發(fā)生火災且火勢較大，此時遏制裝置已經不起作用時，根據傳感器傳回的數據進行報警和自動生成最佳火場救援規(guī)劃路線。

3 結束語

火情監(jiān)測與控制是林區(qū)防火工作的重要內容，同時也是預防和控制火災至關重要的一步。本文提出的林區(qū)智能消防系統(tǒng)基于無線傳感器網絡實現多渠道著火點信息的采集，經過LoRa無線網絡傳輸后，由DDSMS結合火災數據自學習系統(tǒng)對傳回的信息作出及時準確的處理。系統(tǒng)測試表明，該系統(tǒng)可穩(wěn)定運行，能有效防止火災對林區(qū)重點單位的損害，最大程度地預防火災，遏制已發(fā)生的火災，從而保護人員生命安全減少財產損失。