摘要：森林火災是當前世界林業上最嚴重的災害之一，每年造成的人員財產損失不計其數。設計了森林火災區域監測系統，運用無人機搭載探測模塊，能夠在人為控制下對較大的森林區域進行巡視。系統可以在火災發生時對其進行數據的采集，并通過無線傳輸到瞭望臺內的上位機，以達到火災預警的作用。本系統在現有的傳統火災檢測手段的基礎上進行改進，采用多種傳感器同時檢測，效果更加精準。探測結果在上位機通過警示燈和波形圖顯示，更加直觀。

　　關鍵詞：森林火災;上位機;傳感器

　　一、引言

　　作為溫室氣體排放的重要來源，林火每年釋放約1p2Pg〜4Pg的碳至大氣，超過化石燃料燃燒排放量的50%[11。目前，現有的森林火災檢測手段有人工巡護、瞭望塔觀測和衛星遙感等，各種手段都有各自的優勢和不足。人工巡護可以深入森林內部，對難以觀測的死角進行排查，并且機動性強，可有選擇地挑選重點巡護路線，但是效率較低，視野較為狹窄，受地形地貌影響比較大;瞭望塔觀測視野廣闊，能借助望遠鏡等設備對大片面積的森林進行觀察，但在樹林茂密的區域存在視野盲區，機動性差，觀測范圍取決于瞭望臺的位置;衛星遙感探測區域最為廣闊，能夠準確地定位，進行全天候觀測，但是成本高，僅能在形成大片火災面積時識別[M]。

　　森林火災對社會經濟的可持續發展、生態平衡、人民生命財產安全構成重大威脅，嚴重制約了植樹造林和生態環境建設的進程[4]。現如今森林火災頻發，需要一種高效、高機動性且低成本的方案對森林進行監測。本設計系統采用多種傳感器對火源、煙霧以及溫濕度變化進行檢測，能夠代替人的感知功能，與人工巡護和瞭望塔觀測相結合，起到輔助的作用，減少嚴重的森林火災的發生。

　　二、系統設計

　　1、系統的總體框架

　　本系統分為四個模塊：移動模塊、探測模塊、無線傳輸模塊和上位機模塊。整個系統的結構框圖如圖1所示。其中移動模塊為一臺四旋翼無人機，作為搭載火災探測器的載體。無人飛行器的飛控是APM，APM基于一塊AVR單片機，來完成飛行任務。APM飛控集成了磁羅盤、陀螺儀、加速度計和GPS。無人機尺寸約40cm，最大飛行高度在100m左右，攜帶有攝像頭，分辨率為720P,電源為充電電池。配件有護架、腳架、風葉、攝像頭、USB充電器、電池和遙控器。該無人機操作簡單，由人為控制，含一鍵起降和急停等功能。

　　探測模塊采用STM32單片機為主板，上面集成了火焰傳感器、煙霧傳感器、溫濕度傳感器，負責森林環境數據的采集。無線傳輸模塊分為發送和接收兩部分，分別接單片機和上位機，負責探測模塊數據的發送與接收。上位機模塊，通過LabView軟件對數據進行分析處理，得到相應的火焰和煙霧的信號以及溫濕度的變化值。

　　2、系統硬件設計方案

　　(1)探測模塊探測模塊所使用的三種傳感器。火災發生的一個顯著特征是產生火焰并向外發射特定波長范圍的光線，因此采用火焰傳感器來探測此特征151。當有火源產生時，火焰傳感器探測到760nm〜llOOnm的波長，隨即工作，上面的火焰報警LED燈閃爍，輸出口的輸出由原來低電平變為高電平，由單片機接收此信號，串口輸出數據由0變為1并通過無線模塊傳輸到上位機。

　　該信號每隔3s判斷一次，傳感器安裝在探測模塊的下方靠外位置，能夠更好地接收火焰的信號并作出判斷。煙霧傳感器可檢測可燃氣體和煙霧，當森林中的火源被茂密的樹冠所遮擋時，火焰傳感器的作用將降低，此時可以使用煙霧傳感器進行檢測。傳感器的接觸端設計為圓柱形，增加了與煙霧接觸的面積，當有煙霧與傳感器接觸時，其材料的晶粒間界處的勢壘收到調制而變化，會引起表面導電率的變化，從而改變輸出電阻并最終影響模擬信號的輸出。

　　傳感器工作后，煙霧報警LED燈閃爍，輸出由原來的低電平轉變為高電平，并將這一變化傳輸到單片機內，單片機的串口輸出由0變為丨，并通過無線傳輸裝置發送到上位機進行處理。煙霧傳感器安裝在探測模塊的下方靠外位置，每隔3s進行一次判斷，能與火焰傳感器共同對森林的火災進行檢測。當火焰和煙霧傳感器均未能準確探測出火源時，可以通過溫濕度傳感器來進行判斷。溫濕度傳感器含有己校準數字信號輸出，能夠對森林環境的變化進行實時的監測。

　　該傳感器能夠感知周圍環境的微小變化，并使其中的熱敏電阻或濕敏電阻發生改變，把傳感器輸出的電壓轉換成數字值，通過溫度和濕度的數字變化展示出來。當有火源發生，勢必會使其周圍的溫度和濕度發生明顯的變化，此時探測器經過，溫度會有一個小幅度的上升，而濕度則會下降。這些變化的數值由傳感器感知并傳輸到單片機內，單片機進行計算處理，將溫度和濕度的值通過串口輸出。接下來則由無線傳輸模塊將數據傳入上位機。該傳感器安裝于檢測裝置的下方靠外位置，數據每隔3s測量一次，采集的數據能夠保存并比較。

　　(2)無線傳輸模塊

　　無線傳輸模塊選用Semtech原裝的SX1278型號的射頻芯片，分為兩部分。第一部分作為信號的發出裝置，前接單片機，單片機接收探測裝置數據，處理后變為數字信號從串口輸出并發出;另一部分接上位機，作為信號的接收裝置，接收的信號通過USB接口送入上位機進行讀取。上位機模塊上裝有LabView軟件，在軟件內搜索到接口后即可對得到的數據進行進一步的處理。

　　3、系統的軟件設計

　　(1)探測模塊程序本系統的探測模塊所用程序種類為C語言。當溫濕度傳感器正常工作時，溫濕度子程序函數成功運行，將溫度和濕度的整數部分和小數部分的電壓變化數據從DATA引腳傳入單片機，并由單片機將該數據轉換為溫度和濕度值。火焰傳感器工作時，輸出電位發生改變，將數據傳入單片機，進行判斷并得出狀態。煙霧傳感器工作原理同火焰傳感器。最后輸出的字符分別表示火焰、煙霧是否存在和濕度值及溫度值，例如00,32.0,28.0表示無火焰、無煙霧、濕度為32%RH和溫度為28.0T：。這樣設計是為了方便下一步在上位機進行數字的截取。電源接通，該過程進行循環，每隔3s進行一次數據采集。

　　(2)上位機程序將探測模塊所得到的數據在上位機進行處理，可以將火災現場的情況實時的反映，更加直觀和具體。這里我們用到了Labview軟件，將上一步所得到的字符串進行切割，分別得到了火焰、煙霧以及濕度和溫度的四組數據。

　　三、系統功能的實現與驗證

　　首先要保證各引腳的連接是否牢固，傳感器帶有螺絲栓，可以通過螺絲固定在探測裝置上，無線裝置要確保天線的位置能夠準確的收發信號。另一部分無線裝置通過USB接口與上位機進行連接，也要保證其牢固。無人機和探測模塊通過螺絲和螺拴進行連接，保證帶有傳感器的一面朝下，便于數據的采集。設備連接好后接通電源，上位機可在軟件的程序框圖的VISA配置串口處進行搜索，找到連接的設備，連接成功后點擊運行即可。經過多次場景模擬及實驗，最終得出火焰傳感器的有效探測范圍為50cm內的直徑lcm左右的火焰。

　　隨著探測距離的增加，可探測的火焰直徑也會增加。在火源出現后約0.5s內火焰傳感器自帶的警示燈亮起，約Is后上位機顯示界面火焰警報紅燈亮起，稍有延遲，這與本程序設置的延遲時間(3s)有關。當火源的煙霧升起時，距離火源約50cm的煙霧傳感器在接觸到火源產生的微弱煙霧后的2s內發生反應，上面自帶的警示燈亮起，與火焰傳感器同理，上位機顯示界面的煙霧報警紅燈亮起。溫濕度傳感器在環境發生變化時能夠迅速將信號傳輸到上位機，能夠從顯示界面的波形圖上看到實時的溫濕度的變化，并且有窗口顯示溫度和濕度的數值變化，精確度約為土rc左右。因為本場景模擬采用的是微小火焰(約lcm),所以探測距離有限，當裝置應用于森林較大火源時，探測距離會有大幅度提升。

　　林業論文投稿刊物：《資源節約與環保》雜志是天津市經濟委員會主管，天津市節能協會主辦的國內外發行的雙月刊雜志，雜志創刊于1984年。《資源節約與環保》雜志作為政府、節能協會和企業之間的信息橋梁和信息平臺，刊發了大量的有關經濟建設、資源節約、環境保護、清潔生產、綜合利用以及節能、節水新產品、新技術建設小康社會的信息，起到了本刊應有的作用。

　　四、結束語

　　無線傳感技術的加入提高了傳統監測系統的效率，在森林火災的檢測和防護中起到了重要的作用。目前的趨勢是將多種傳感器合理的結合與運用，以達到高效和穩定的目的[61»研發該系統為了更好地監測森林的火災，減輕護林員的負擔，保障他們的人身安全，進而減少人員傷亡和財產損失。本系統將傳感器技術、嵌入式以及物聯網進行結合，用無人機代替人工巡護，探測裝置代替人為觀測，節省了人力物力。

　　可與瞭望臺進行配合，對森林進行區域性的監測。成本低，實用性強且需求量大。目前，很多設計將圖像識別技術的探測與無人機技術相結合，對森林火災的監測起到了一定的作用。本系統仍然存在一些不足之處：所用的傳感器功能和效果較為一般，無人機在森林上空巡視，對極小的火源的監測能力較為有限。另外，無人機和上位機的操作也對相關工作人員具有一定的能力上的要求，設備在森林中瞭望臺的信號問題以及維護工作亦需要重視。

　　參考文獻

　　[1]胡海清，魏書精，孫龍，等.氣候變化、火干擾與生態系統碳循環[J].干旱區地理，2013,36(01):57-75.

　　[2]陳義.遙感技術在環境監測中的應用[J].資源節約與環保，2019,(10):72.

　　[3]李英科，李全民.基于衛星數據的森林火災監測系統探討卩].森林防火，2019,(02):25-29,43.

　　作者：周子肖朱嘉林程進李光東劉寶宇王駿琦常創創姚宇軍程景華孫瑞卿馮平平鄒小平