基于物联网技术的森林火灾监测研究

论文摘要

森林火灾灾害在全球几乎所有地区时有发生,其产生的危害十分严重,给火灾发生地的生态、社会、经济等方面都造成了巨大的损失。监测森林区域环境主要关键因子可以预测该区域的火灾发生风险分析的重要组成环节,并为森林火灾的前期预测和制定灭火方案提供真实可靠的数据来源。由于森林一般覆盖面积很大,所处地区偏僻,交通不便,多是无人或少人的值守区域,在风大、天气干燥的季节,一旦火灾发生,如果不能及时发现,火灾将迅速蔓延。等到发现火情时,很难以控制局面,因此对森林火灾的监测已成为当务之急,目前对森林火灾监测的手段主要集中在人工巡逻,瞭望塔观测,视频监测、机巡逻监测和卫星监测方面。由于感知、传输、数据挖掘分析等物联网技术的兴起,对森林火灾监测区域现场温度、湿度等数据的高精度的自动监测,并利用这样数据,进行数据挖掘分析,成为有效预测森林火灾、减少森林火灾危害的一个重要研究方向。本文根据森林火灾监测的需要,结合物联网技术,应用ZigBee无线传感器网络,GPRS数据通信、Internet和计算机软件等技术,构建了基于物联网技术的森林监测区域现场温度、相对湿度等森林火灾关键因子的远程实时监测系统。本文对构建基于物联网技术的森林火灾监测关键性技术问题进行了分析研究,主要完成了以下工作：(1)在介绍了当前物联网技术的发展趋势的基础上,分析了物联网的体系结构,对基于物联网技术的森林火灾监测要达到的目标进行了分析,并提出了森林火灾监测的总体方案和物联网三层架构各层的工作任务；(2)在物联网的感知层,选择无线传感器网络负责数据的采集。接下来分析比较了几种主流无线短程通讯协议后,结合森林火灾监测的特点,选择zigBee协议为无线传感器网络的通讯协议。将基于ZigBee的无线传感器网络应用在森林火灾监测系统中,能大大提高网络的可扩展性,降低设备维护的成本,优化整个网络系统。给出了传感器网络节点的组网方案,选择设计了传感器模块节点,并完成了无线传感器网络节点软件的设计。(3)在物联网的网络层,选择GPR、Internet网络为数据的传输网络。分析设计了负责建立数据链路通道的PPP协议；选择设计了GPRS无线数据透明传输终端,该终端负责无线传感器网络与外网之间的数据传递；GPRS无线数据透明传输终端能实现数据的透明传输,其GPRS模块硬件芯片内嵌了TCP/IP协议,用户不需要知道复杂的协议,对使用者来说,降低了软件协议开发成本。汇聚节点(GPRS无线数据透明传输终端)通过GPRS和Internet网络交互无线传感器网络和森林火灾监测中心的数据；此外,设计了GPRS无线数据透明传输终端的组网方案和汇聚节点口串口收发程序。(4)分析设计森林火灾监测中心硬件配置。以C#为物联网应用层主要软件开发平台,开发森林火灾监测中心软件服务平台,实现与森林火灾监测区域的实时数据通讯、存储、显示功能；历史和当前气象、历史火情数据等的查询功能；综合相关数据,分析当前森林火灾监测区域相关数据,提供森林火灾预警等功能。本文应用先进的物联网技术到森林火灾监测中的研究,提供了一种用很少的人力和财力的情况下,实现对森林火灾监测现场区域的远程实时监测的可行方案,对预防和减少森林火灾的发生,推进我国森林火灾监测工作的信息化、智能化提供了一种新的思路。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 相关概念
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.3.3 森林火灾监测研究现状
• 1.4 研究的理论基础
• 1.5 研究的技术、方法
• 1.6 存在问题和研究前景
• 1.6.1 存在问题
• 1.6.2 研究前景
• 1.7 研究内容
• 1.8 技术路线
• 2 基于物联网技术的森林火灾监测总体方案
• 2.1 物联网的体系结构
• 2.2 基于物联网架构的森林火灾监测总体方案确定
• 2.3 基于物联网三层架构的森林火灾监测各功能子层方案
• 2.3.1 物联网感知层-无线传感器网络
• 2.3.2 物联网网络层-现有远程数据传输网络
• 2.3.3 物联网应用层-森林火灾监测中心
• 2.4 本章小结
• 3 基于ZigBee协议的无线传感器网络设计
• 3.1 基于森林火灾监测的无线传感器节点的布设
• 3.2 基于森林火灾监测的无线传感器网络通讯协议
• 3.2.1 需求分析
• 3.2.2 短程无线通讯技术
• 3.2.3 森林火灾监测传感器网络通讯协议确定
• 3.3 基于ZigBee的无线传感器网络
• 3.3.1 ZigBee协议框架
• 3.3.2 ZigBee网络设备和网络拓扑结构
• 3.3.3 ZigBee组网
• 3.4 无线传感器网络节点设计
• 3.4.1 无线传感器网络节点结构
• 3.4.2 芯片的选择
• 3.4.3 数据采集传感器模块
• 3.4.4 数据处理模块
• 3.4.5 数据传输模块
• 3.4.6 电源管理模块
• 3.4.7 普通节点硬件设计
• 3.5 无线传感器网络节点软件设计
• 3.5.1 汇聚节点建立网络
• 3.5.2 节点加入和离开网络
• 3.5.3 在ZigBee协议栈中实现应用任务的方法
• 3.5.4 单个温度传感器信号A/D转换程序
• 3.5.5 节点之间数据收发程序
• 3.5.6 节点休眠和唤醒程序
• 3.6 本章小结
• 4 基于GPRS的森林火灾监测数据传输设计
• 4.1 GPRS介绍
• 4.1.1 GPRS简介
• 4.1.2 GPRS基本工作流程
• 4.1.3 GPRS用于森林火灾监测的优点
• 4.2 数据传输网络
• 4.2.1 GPRS透明传输终端功能介绍
• 4.2.2 GRPS无线透明传输模块
• 4.3 传输协议
• 4.3.1 GPRS涉及协议研究
• 4.3.2 GPRS TCP/IP协议实现
• 4.3.3 GPRS透明传输模块总体设计
• 4.4 GPRS无线数据透传终端组网方案
• 4.5 GPRS无线数据透明传输节点（汇聚节点）串口程序
• 4.6 本章小结
• 5 森林火灾监测中心设计
• 5.1 森林火灾监测中心硬件平台设计
• 5.2 监测软件总体设计
• 5.2.1 软件总体结构
• 5.2.2 软件开发环境及用户界面
• 5.3 软件功能模块化设计
• 5.3.1 数据通讯模块设计
• 5.3.2 数据管理、查询设计
• 5.3.3 数据分析模块设计
• 5.4 本章小结
• 6 结论与讨论
• 6.1 结论
• 6.2 讨论
• 参考文献
• 附录A:攻读学位期间的主要学术成果
• 致谢