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嵌入式系统和模糊神经网络基础上森林火灾报警系统设计分析
摘要：研究了森林火灾报警系统的设计，提出将嵌入式系统和模糊神经网络相结合应用于森林火灾报警系统的设计中，以提高报警系统对森林火灾监测报告的准确性。系统由探测模块及无线通信模块、火灾报警控制器和总控平台组成。探测模块将传感器采集的火灾参量信号处理后通过无线通信模块发送给相应的火灾报警控制理器。火灾报警控制器以包含ARMCortex-M7核的STM32H743微控制器为核心进行设计，具有很强的浮点数运算能力，通过软件编写模糊神经网络算法对火灾参量信号进行处理分析，判断探测点的火灾状态。当火灾报警控制器判断某个探测模块存在火情，通过以太网将火灾数据上报给总控平台。总控平台通过以太网接收火情信息，并显示火灾具体位置同时发出警报，此外平台根据动态气象数据通过遗传算法改进的BP神经网络算法分析某个区域该天气条件下发生森林火灾的概率，当概率超过预定值时发出警告并实时提高探测模块采集火灾参量信号的频率。
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森林火灾极大地威胁着森林资源安全，造成当地生态平衡严重破坏，影响生物多样性，同时严重损害了人们的生命财产安全。监测森林火灾的发生是及时有效扑灭林火并防止火势进一步蔓延的重要措施，因此，需要对森林火灾进行及时、准确的监测与定位。
森林火灾的出现和火势蔓延与林区地理特征、当地气候变化规律以及人类活动有极大关系，同时由于森林地形、气候情况复杂，林火不易第一时间有效察觉[1]，这都给有效监测森林火灾带来了极大的困难。现有监测森林火灾的方法主要有4种：地面人工巡护监测、传统地面设备监控、航空巡查、卫星探测[2]。但现有方法仍存在准确率不高、智能化水平有待提高等问题。
针对上述存在问题，需要一种智能化程度高、准确有效的森林火情地面监测系统对林区进行监测，准确探测森林火灾的发生和判断火情的发展，并将情况和相关数据及时报告给当地林业、消防和公安部门。
1、森林火灾报警系统硬件设计
森林火灾报警系统主要包括火灾探测模块、无线通讯模块、火灾报警控制器[3]等。
1.1 火灾探测模块硬件设计
森林火灾探测模块是一种集合烟雾、温度、CO浓度和明火监测为一体的综合探测模块，通过无线通信模块与火灾报警控制器通信。
1.1.1 传感器部分设计
本系统中的探测节点的前端传感器部分由离子烟雾传感器NIS-05A、负温度系数NTC热敏电阻-温度传感器MF61系列、NAP-505型电化学CO气体传感器和明火传感器JC-MH-ZN01组成。这些传感器均可采用电池驱动，且具有高精度、高灵敏度、稳定性好和低功耗等优良性能，使用时不会对森林环境造成影响。其中，明火传感器可探测明火中的紫外线，对火焰反应快，且内置单片机，采用智能算法，既可以实现快速报警，又可以降低误报率。
1.1.2 信号调理电路及处理单元电路
传感器采集的信号不可避免地包含杂波，而且传感器采集到的微弱模拟信号不适合直接进行A/D转换，需要先经过信号调理再输入单片机ADC的输入端中转换成数字量。模块中有烟雾浓度、温度和CO浓度3路传感器信号采集通道，采用MAX407构成调理电路对这3路信号进行调理后送入MSP430F4794微控制器中进行模数转换并进行初步判断。MSP430F4794微控制器与无线通信模块相连进行串行通信，将采集到的异常信号通过无线通信模块发送给对应的火灾报警控制器做进一步的分析处理。
1.2 无线通信模块硬件设计
无线通信模块的设计采用AI-Thinker公司的A9G模块。A9G模块具有GPRS通信功能，可利用现有基站进行通信，而且模块功耗低、传输速率高，可由锂电池供电，非常适合作为森林火灾报警系统的无线通信模块。本系统中采用4V锂电池给A9G模块供电，选用高增益天线，使无线通信网络覆盖更大范围，并选用900MHz作为A9G模块的工作频段。A9G模块可使用AT指令进行编程设置，从而实现与远程服务器建立TCP通信，发送探测模块的数据，接收火灾报警控制器的指令并与微控制器进行同步串口通信。
1.3 火灾报警控制器硬件设计
火灾报警控制器是森林火灾报警系统中的关键部分，控制器除了具有基本功能，还具有基于算法的智能化火灾识别能力。本系统选用包含ARMCortex-M7内核的STM32H743作为火灾报警控制器的核心。STM32H743的CPU工作频率为480MHz，具有双精度浮点单元，有极高的综合性能，适应本系统神经网络的庞大计算需求。在其控制核心基础上还扩展了串行通信功能、人机界面和以太网控制器功能等。
1.3.1 液晶显示控制器
LCD是控制器人机交互功能的一个重要组成部分。本系统中所选的控制器STM32H743自带LCD-TFT显示控制器，采用ATK-35’TFT-LCD显示模块与控制器上LCD-TFT外部信号接口连接，并通过软件配置STM32H743上的寄存器，使显示模块与控制器之间实现串行通信。
1.3.2 基站串行通信
控制器与相连的基站进行通信，基站再与无线通信模块进行GPRS通信。将STM32H743的SPI设置为全双工通信，控制器和基站中的移位寄存器通过MOSI和MISO引脚之间的两条单向线连接。在SPI通信过程中，数据随控制器提供的SCK时钟边沿同步移位。
1.3.3 以太网控制器
每一管理区域的火灾报警控制器都通过以太网向总控平台传递火情信息。STM32H743自身即带有以太网模块，可通过ST公司开发的STM32CubeMx软件对微控制器进行相关配置，同时选择LAN8720芯片作为物理层芯片，用来为STM32H743提供PHY层。
2、森林火灾报警系统软件设计
本系统采用模糊神经网络判断森林火灾是否发生，同时为有效预防森林火灾，根据该林区具体的天气变化，动态评估发生火灾的概率，从而有针对性地加大地面-天空一体化的巡查监视力度。
2.1 火灾探测模块软件设计
火灾探测模块的主要任务是由微控制器MSP430F4794来控制火灾参量信号的采集与AD转换，并向火灾报警控制器发送数据。探测节点上电或复位后，首先需要进行硬件和软件的初始化工作，同时A9G模块向基站建立连接。传感器每隔一定时间（由总控平台根据天气情况动态调整）采集周围环境中的火灾参数信号并发送给单片机进行处理。
传感器采集到的数据是微弱的模拟量信号，经过放大调理电路的信号放大和调理后，由单片机内置的ADC进行模拟/数字转换，得到数字信号，当判断出现明火或温度、烟雾浓度、CO浓度超过阈值时，单片机通过无线通信模块向控制器发送现场数据作进一步分析处理。
2.2 火灾报警控制器软件设计
火灾报警控制器具有强大的浮点数处理能力、分析能力强、处理运算速度快，因此可由火灾报警控制器实现模糊神经网络算法、完成复杂数据的处理以及对数据采集单元的控制与管理。当火灾报警控制器收到能明显判断存在火情的数据时，控制器立即将情况上报给总控平台；当收到的火灾参量数据存在异常但不能做出立即判断时，则利用模糊神经网络进行进一步计算分析，如果发生了火灾，则上报总控平台，否则中断返回。
火灾状态判断程序运用了模糊神经网络算法，从而实现森林火灾的智能化判断。探测模块将探测到的各种火灾参量数据传递到对应区域内的火灾报警控制器，模糊神经网络通过隶属函数将其模糊化，然后经过神经网络学习对网络权值进行修改，计算输出模糊逻辑的语言变量无火、阴燃和有火。
2.3 总控平台软件设计
总控平台接收来自各个火灾报警控制器发送的火灾情况，并在人机交互界面上显示火灾发生的具体位置地点以及火情数据信息，同时发出警报。
本系统利用历年来森林火灾提供的相关数据建立并训练神经网络，并运用遗传算法改进的BP神经网络的权值和阈值[4]，从而提高BP神经网络的准确性和运算速度。总控平台根据当地气象部门实时提供的该地区的温度、湿度、风力等气象数据输入训练好的神经网络中计算此时发生森林火灾的概率。当动态估计的火灾发生概率在某一时刻超过事先设定好的警戒值时，则立即通过该区域内的火灾报警控制器调整提高区域内探测模块轮询采集信号的频率，增大对森林火灾的监测力度。同时总控平台上传有关情况给管理部门，请求增加对该林区的情况航空、卫星、地面巡逻等一体化监测，防止大规模森林火灾的发生。
3、结束语
本系统通过探测节点及无线通信模块、火灾报警控制器和总控平台，构成了森林火灾监测一体化系统。火灾报警控制器中运用模糊神经网络提高了对森林火灾状态判断的准确性，基于遗传算法改进的BP神经网络则根据气象数据动态分析森林火灾的发生概率并动态调整探测节点的数据采集频率。控制器与探测节点间采用GPRS通信技术，控制器与总控平台则通过以太网互联，构成了完整高效的数据传输网络。本系统可以准确、有效地监测森林火灾状态并及时发出警报，具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1]房鸣骏.新形势下增强森林防火工作的有效措施分析[J].决策探索,2020(1):70-71.
[2]管婧杉,杨雨欣,文鹏.林火视频监控系统发展现状概述[J].森林防火,2019(4):41-43.
[3]张响亮.智能建筑火灾自动报警系统的设计与研究[D].武汉:武汉理工大学,2010.
[4]墨蒙,赵龙章,龚嫒雯,等.基于遗传算法优化的BP神经网络研究应用[J].现代电子技术,2018,41(9):41-44.
邓亦骁.基于嵌入式系统和模糊神经网络的森林火灾报警系统设计[J].科技与创新,2020(16):136-137.
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2024-11-05
森林是一种非常重要的自然资源，近年来由各种因素导致的火灾事故频发，严重影响了森林资源的稳定和安全。面对森林防火这一问题，在开展人工育林的过程中，应用先进合理的营林技术可发挥明显的效果，在保护森林资源的同时，进一步促进了林业资源的发展。目前，中国对森林资源的保护工作极为重视，投入了大量的人力、资金。
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2021-08-23
林业资源保护是改善生态系统并生产可再生资源的一种环保性特殊产业，同时也是重要的公益事业，是保证生态文明建设和森林建设的基础产业，是需要重点保护的项目之一。火是造成广泛、严重破坏且难以救援的自然灾害之一。尽管当前的灭火技术有了很大的进步，而消防技术也取得了空前的进步，但是火灾仍然是有史以来最大的灾难之一。
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2020-10-14
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2020-08-26
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2020-08-26
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2020-06-24我要评论
期刊名称：森林防火
期刊人气：2266
主管单位：国家林业和草原局
主办单位：南京森林警察学院
出版地方：江苏
专业分类：农业
国际刊号：1002-2511
国内刊号：32-1667/S
创刊时间：1983年
发行周期：季刊
期刊开本：大16开
见刊时间：7-9个月
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2020-08-26
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