物联网GIS森林防火智能预警系统江苏物泰信息科技有限公司2011-4-6目录物联网GIS森林防火智能预警系统 (1)1.需求分析 (3)2.系统概述 (3)2.1.系统功能与特点 (4)2.2.系统整体架构 (4)3.具体实施方案 (7)3.1.用户软件终端建设方案 (7)3.1.1.用户软件终端功能 (7)3.1.2.技术可行性分析及解决方案 (9)3.1.3.小结 (11)3.2.基站/网关部署方案 (11)3.2.1.基站/网关功能 (11)3.2.2.技术可行性分析及解决方案 (12)3.2.3.小结 (14)3.3.网络架设方案 (14)3.3.1.网络功能 (14)3.3.2.技术可行性分析及解决方案 (14)3.3.3.小结 (17)3.4.节点建设方案 (17)3.4.1.节点功能 (17)3.4.2.技术可行性分析和具体实施方案 (18)3.4.3.手持终端 (22)1.需求分析森林火灾，是一种通常发生在林野间难以控制的火情。
森林火灾通常是由闪电引起的，同时，也可能是由于人为疏忽、故意纵火、热浪、干旱等原因造成山火危机。
自地球出现森林以来，森林火灾就伴随发生。
全世界每年平均发生森林火灾20多万次,烧毁森林面积约占全世界森林总面积的1‰以上。
中国现在每年平均发生森林火灾约1万多次,烧毁森林几十万至上百万公顷，约占全国森林面积的5～8‰。
其社会危害甚大。
森林火灾会侵吞大片林木、侵害人民生命财产安全，并对地球资源及生态环境造成了巨大的危害。
森林火灾不仅烧死、烧伤林木，直接减少森林面积，而且严重破坏森林结构和森林环境，导致森林生态系统失去平衡，森林生物量下降，生产力减弱，益兽益鸟减少，甚至造成人畜伤亡。
高强度的大火，能破坏土壤的化学、物理性质，降低土壤的保水性和渗透性，使某些林地和低洼地的地下水位上升，引起沼泽化；另外，由于土壤表面炭化增温，还会加速火烧迹地干燥，导致阳性杂草丛生，不利森林更新或造成耐极端生态条件的低价值森林更替。
目前在实际中并没有可行的事前预警方法，对森林火灾的处理方式仍停留在事后补救阶段，即在火险发生，并通常是在扩大后，再进行抢险救灾。
这样既极大的增大了救灾难度，也增大了火灾造成的损失。
同时，由于森林火灾是突发事件，需要持续性的监控，因此从覆盖面积及成本等多方面的考虑，原始的人力巡山或航拍方式都不能满足森林防火的需求。
2.系统概述物联网GIS森林防火智能预警系统，是利用传感技术、卫星定位、地理信息、人工智能等高新技术研制的物联网系统，适用于城市森林、自然保护区、旅游景区等环境，可对监测区域实现全数字、全覆盖、全天候火情与盗林监测，可探测着火位置、蔓延面积、蔓延速度、蔓延方向和发展趋势，真正实现森林火灾“打早、打小、打了”；可探测盗伐树木、环境温湿度、珍稀动植物等信息，构建起数字化森林的物联网络，可为森林防火、林木盗伐等提供实时、准确、科学的决策。
该预警系统由：火灾探测传感器网络、防火基站和G IS 预警系统三部分组成。
火灾探测传感器网络由分布在森林边界及林内的若干个火焰探测器构成，每个火焰探测具有火焰探测和无线通信功能，可在10 秒内探测到100 范围内不超过2平方米的早期火焰，并通过无线通信方式向相邻探测器发送火情消息，并自动在网络中以“接力”方式跳传，直到将火情传到防火基站，再由防火基站通过 GPRS 远程无线传输到G IS 预警系统，以电子沙盘地图方式呈现火灾现场情形森林火险智能预警系统是针对大规模森林设计的，基于无线传感器网络技术，结合GIS，GPS技术，可实现全天候不间断持续性火险监控，并提前预警的自动智能火险监控系统。
可有效用于大范围森林区域的森林火险防灾减灾工作。
本系统整合成熟可靠的先进信息技术，对危害性极大的森林火险进行监控，获得处理森林火险的主动权，将灾难消灭在萌芽状态，或是在灾害还未扩大之前就及时进行遏制。
2.1.系统功能与特点本森林火险智能预警系统具有如下功能：•覆盖面广，无需人工值守：通过网络进行远程信息感知，无需人工巡山，因此可有效用于大范围区域；•自动化持续监控，实时预警：传感器自动智能采集数据，实现大量实时数据采集处理；•部署灵活，架设方便：采用无线传输技术，彻底解决布线障碍，可无源无线长时间工作。
•快速精准定位：结合GIS系统与GPS技术，直观标志火险发生地的相关信息。
2.2.系统整体架构本系统采用动态可分割的设计模式，通过传感器节点、网络、网关及用户软件终端的有机结合，实现大范围野外无线传感器网络部署与平稳运行。
系统结构如图 1所示：图 1 系统架构图本系统通过部署一定密度的传感器节点（如图 2所示），采集所需的环境信息数据，从而实现对整个被测森林的监控。
传感器节点上除用于进行数据采集的温度传感模块、湿度传感模块或烟雾探测器、火焰探测器、温差探测器等传感模块之外，还配备有无线通信模块用于无线网络搭建。
节点采用节能策略，支持超长时间续航。
图 2 传感器节点实地部署无线传感器将自身采集到的环境数据进行处理，通过分析烟雾浓度、火焰光、短时间内温差与温度、湿度等数据，确定森林火险等级以及是否有火险存在，在需要时，节点可通过节点与基站/网关组成的网络或其他传输途径，向远端的监控系统软件终端报告。
在险情发生时，系统的自动预警系统进行响应，通知监控系统软件终端处的工作人员，利用地理信息系统（GIS）直观查看火险位置。
相关人员可以第一时间获得远处森林深处的火险报告，并及时进行处理，从而在灾情扩大之前采取有力措施。
3.具体实施方案3.1.用户软件终端建设方案3.1.1.用户软件终端功能图 3 软件终端查询机制展示系统的用户软件终端为用户提供与无线传感器节点及网络的交互平台。
通过软件终端，如图 3所示，用户可以主动查询所部署节点处的实时环境信息。
更为重要的是，软件终端是处理来自节点报警信息的中枢。
火险报警信息将在软件终端显示。
（A）某地林场-右视近景（B）某地林场-右视远景（C）某地14号探测器实景照（D）某地32号探测器实景照系统也可以根据不同的定制要求，扩展联动网络、手机等多种报警渠道。
3.1.2.技术可行性分析及解决方案考虑到森林防火预警系统与森林火点的地理位置关系极为密切，并且涉及到多种环境数据的可视化处理，因此本系统的可支持软件终端集成GIS系统，结合GPS技术进行节点定位以及追踪。
实现地理位置与该位置实时信息的协同显示。
地理信息系统（GIS，Geographic Information System）结合地理学与地图学，已经广泛的应用在不同的领域，是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统。
GIS 技术已经有相对深厚的技术基础，可以稳定有效的支持本系统涉及的功能实现。
全球定位系统（GPS，Global Positioning System）可以为地球表面绝大部分户外地区（98%）提供准确的定位，目前已是主流成熟的定位技术。
GPS系统可全天候工作，不受任何天气的影响，高效可靠。
本系统的用户软件终端基于成熟技术搭建，集成传感数据展示功能。
本系统集成的地理信息系统（GIS），可具备面向用户、界面友好、易于操作等特点。
软件终端提供三种与传感器网络终端节点间的交互方式，即：主动查询、自动预警与周期性自检。
主动查询如图 4所示用户可以在系统进行日常监控，未发现森林火险状况时，主动发起查询，获得目标节点所在位置的相关信息。
用户向无线传感器网络发出查询请求，传感器向用户发回相关数据。
在未发生火险，且未得到用户主动查询指令的情况下，为降低节点电能消耗，节点不向用户软件终端发送实时数据。
图 4 用户发起主动查询•自动预警当传感器节点检测到异常情况，超过阈值时，将自动向用户软件终端发出报警信息。
报警信息可以经多种方式传达到用户。
在报警动作完成之后，相关森林防火人员可以借助如手持GPS设备等定位装置，结合无线传感器节点部署时的GPS定位信息，快速实地查找到火险位置，第一时间进行处理。
图 5 火险报警与灾害点搜寻•周期性自检传感器网络中的所有传感器节点都必须在规定周期向用户软件终端发送一条自检信息，用于确定传感器节点工作状态，进行网络维护。
3.1.3.小结用户软件终端是用户直接接触到的系统组成部分，也是呈现报警信息或进行主动查询的平台。
用户软件终端基于GIS及GPS技术，协同显示节点位置与节点回传的环境信息数据，以友好直观的方式进行监控状态呈现。
3.2.基站/网关部署方案3.2.1.基站/网关功能基站/网关作为节点与监控平台的通信桥梁，一方面向远端的用户软件终端转发节点的传感器信息和报警信号；另一方面负责在节点网络中执行用户软件终端的控制命令。
基站/网关模块即可以作为一个独立设备，也可以集成传感模块，作为一个可进行数据采集的传感器节点存在。
图 6为一个具有基站/网关功能的传感器节点。
图 6 基站/网关实物图基站/网关具有以下功能：•与远端用户软件终端进行远程通讯，递送节点的报警信号或传感信息；•支持多节点的数据传输，可支持50个以上的节点容量；•根据不同应用需要，可以通过USB接口支持3G，GPRS，WIFI等通信方式；•支持多种供电渠道，支持交流供电、太阳能供电、充电电池供电；•免安装，易部署调试，具有网络故障自动重连机制；•抗干扰设计，适合电磁环境恶劣的应用需求；•可烟雾、火焰、温差、温度、湿度传感器模块连接，执行节点的数据采集任务。
3.2.2.技术可行性分析及解决方案3.2.2.1.硬件设计可行性分析及解决方案由于森林防火指挥控制中心往往不在所监测的森林区域里，或森林区域极大，检测点与处于森林防火指挥控制中心的软件终端距离极远，因此要求基站/网关有远程的通信能力，能将自己覆盖范围的节点传感信息和报警信号上传到用户软件终端上。
因为大部分森林位置偏远，当地运营商信号覆盖不全，或者信号不稳定，所以要求基站/网关能同时支持3G、GPRS或其它通信模块，在联通与移动信号均无法接受时，还可以自搭建专有无线网络，进行快速组网通信。
其硬件设计图如图 7所示：图 7 硬件模块设计图基站/网关模块除了可以承担与节点及用户软件终端的通信外，还留有功能扩展接口，可支持相应传感模块的集成。
目前3G、GPRS等通信技术已经可以成熟应用，而根据目前关于自适应网络的技术在产业化进程中也日益完善，因此自搭建专有无线网络的方案在技术上可行。
并且预留的硬件接口也可以根据实际应用情景，扩展其他通信方式。
3.2.2.2.软件设计可行性分析及解决方案根据上述硬件可行性分析及设计，基站/网关的软件功能模块如下：图 8 软件功能模块由图 8所示，基站/网关端软件可分为四层。
即：•操作系统层（底层）：主要用于进程设计与文件管理，采用商业上成熟的操作系统有助于基站/网关的稳定运行；•通信驱动层（第二层）：实现跟用户软件终端间的交互；•协议层（第三层）：用于与节点通信，通过可配置的其它协议组件，可扩展满足用户的不同需求；•应用层（第四层）：将节点传感器信息和报警信号转发到用户软件终端，并执行来自软件终端的命令。
