齊懷琴，田坤峰，李春林

(齊齊哈爾大學 通信與電子工程學院，黑龍江 齊齊哈爾161006)

責任編輯:任健男

火災對森林的破壞性極大，危害極深，造成的經(jīng)濟損失相當嚴重。它不僅燒毀大量的森林資源，破壞自然環(huán)境和生態(tài)平衡，而且直接影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，嚴重威脅著人民生命財產(chǎn)的安全[1]。森林火災是森林資源的主要災害之一，因此，林火監(jiān)測在森林保護工作中占有相當重要的地位。但是由于森林面積大、地理位置比較分散、地廣人稀、交通不便、氣候惡劣、布線困難，再加上監(jiān)測技術(shù)不高、監(jiān)測人員少以及資金不足等原因，通常對林火監(jiān)測難于及時發(fā)現(xiàn)，從而錯過最佳撲救時間。針對上述問題和我國森林的分布情況，提出了一種微功率的無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和WCDMA無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，組成并應(yīng)用于森林火災無線遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)。為有效解決森林火災監(jiān)測中存在的火災監(jiān)測不準確、圖像傳輸不實時、終端傳感器設(shè)備供電等問題提供了新思路。

1 森林火災監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由溫濕度傳感器，紅外攝像機，TM1300多媒體數(shù)字信號處理芯片，SAA7111和SAA7113視頻編解碼芯片，無線傳輸網(wǎng)絡(luò)和遠程監(jiān)控中心等部分組成。森林火災監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 森林火災監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

溫濕度傳感器和紅外攝像機主要負責終端監(jiān)測環(huán)境的數(shù)據(jù)采集，模擬視頻信號經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換和編碼后，通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。匯聚節(jié)點具有一定的數(shù)據(jù)融合處理能力，同時也是用來連接傳輸網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。通信網(wǎng)絡(luò)包括傳感器網(wǎng)絡(luò)、Internet網(wǎng)絡(luò)和WCDMA網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)采集處理后的信息經(jīng)由WCDMA無線傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠程監(jiān)控中心，終端處理程序?qū)邮盏綌?shù)據(jù)進行匯總、分析、判斷、存儲。如果數(shù)據(jù)超出預設(shè)值，發(fā)出報警，通知監(jiān)控中心工作人員采取相應(yīng)的解決方案。

2 森林火災監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

林火災監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能就是負責采集森林的溫濕度、煙霧、圖像等環(huán)境參數(shù)，將采集到數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，監(jiān)控中心通過數(shù)據(jù)匯總、分析后做出相應(yīng)的滅火方案。該森林火災監(jiān)控系統(tǒng)主要由終端數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線傳輸模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、能量供應(yīng)模塊以及遠程監(jiān)控模塊組成。該森林火災監(jiān)控系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計方框圖如圖2所示。

圖2 硬件總體設(shè)計方框圖

2.1 終端數(shù)據(jù)采集模塊

該模塊的主要功能就是對森林環(huán)境的測量，其中主要包括溫濕度傳感器、煙霧傳感器和紅外攝像機。溫濕度傳感器將采集的物理信號轉(zhuǎn)換成微弱電信號(電流或電壓)后，經(jīng)放大電路放大，傳給A/D轉(zhuǎn)化器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。由于森林監(jiān)測要求終端傳感器具有性能穩(wěn)定、功耗低、反應(yīng)快、抗干擾能力強等特性，所以筆者選擇瑞士公司的SHT10溫濕度數(shù)字集成傳感器，采用CMOS過程微加工專利技術(shù)，具有極高的穩(wěn)定性和可靠性。其工作電壓2.4～5.5 V，測溫精度為±0.5℃。紅外攝像機采用大恒圖像的DH-IR08，它性能高，靈敏度好，空間分辨率為324×256像素，在-40℃～75℃的工作環(huán)境中都能保證極好的圖像動態(tài)范圍和均勻性，支持25幀/s(f/s)的PAL制式模擬視頻輸出。

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

信號處理模塊由PHILIPS公司的TM1300多媒體數(shù)字信號處理器結(jié)合SAA7113和SAA7121可編程數(shù)字視頻解/編碼芯片完成。TM1300[2]工作頻率為166 MHz，支持SIMD和IEEE浮點運算，片上獨立式DMA驅(qū)動的多媒體I/O協(xié)處理器，減少CPU的負擔?？膳c外接16 Mbyte和64 Mbyte兩種SDRAM。SAA7113具有4路模擬信號輸入和2路模擬信號處理通道，輸出信號分別兼容NISC制式和PAL。模擬視頻信號經(jīng)過A/D采樣編碼得到的YUV數(shù)據(jù)寫入TM1300的視頻輸入模塊的緩存區(qū)。SAA7121是具有3路D/A轉(zhuǎn)換器，完成視頻信號的解碼，從視頻輸出模塊中接入YUV數(shù)據(jù)，進行D/A轉(zhuǎn)換，輸出模擬視頻信號。

2.3 太陽能供電模塊

對處在地理位置偏僻、自然環(huán)境惡劣、無人值守的復雜野外環(huán)境監(jiān)測終端設(shè)備來說，供電問題是必須解決的。采用市電，布線復雜困難，工程量大，成本高，不宜采用;風光互補供電，風力資源不穩(wěn)定因素太多，系統(tǒng)設(shè)計復雜，投資成本較大。因此，決定監(jiān)測終端使用高性能單晶硅太陽能電池板配合高性能蓄電池進行供電[3-4]。太陽能供電模塊主要由太陽能電池板、充放電控制電路、蓄電池、電源控制電路、負載組成。其中電源控制電路主要為終端負載提供標準電壓。太陽能供電模塊框圖如圖3所示。

圖3 太陽能供電模塊框圖

2.4 無線傳輸模塊

無線收發(fā)模塊采用廈門藍斯通信股份有限公司的LZ953C CDMA DTU，支持RS-232和RS-422數(shù)據(jù)接口，符合CDMA IS-95A/B空中接口，支持虛擬數(shù)據(jù)專用網(wǎng)，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議和UIM手機卡，支持AT指令集，基于現(xiàn)有中國聯(lián)通的WCDMA網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)遠程無線的數(shù)據(jù)傳輸。

3 森林火災監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 總體設(shè)計流程圖

系統(tǒng)軟件采用模塊化編程方式，主要包括數(shù)據(jù)采集和處理程序、圖像火焰識別程序、視頻編解碼程序、無線收發(fā)程序、電源控制程序以及上位機通信程序[5-7]。系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

3.2 實驗結(jié)果

系統(tǒng)實驗是在實驗室進行，客戶端通過中國聯(lián)通的WCDMA網(wǎng)絡(luò)與連接到中國聯(lián)通ASDL的服務(wù)器進行通信。終端太陽能供電系統(tǒng)在齊齊哈爾大學與中山大學太陽能聯(lián)合實驗室進行試發(fā)電。太陽能電池板組件如圖5所示，逆變器轉(zhuǎn)換如圖6所示，實時功率曲線如圖7所示，某日發(fā)電量及環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)截圖如圖8所示，實驗室生火監(jiān)控的圖像如圖9所示，客戶端上位機軟件接收數(shù)據(jù)截圖如圖10所示，數(shù)據(jù)庫調(diào)用溫濕度曲線如圖11所示。

從實驗結(jié)果可以看到，文中提出的監(jiān)控系統(tǒng)通過WCDMA網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了實時視頻圖像傳輸，太陽能發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電良好，可以實現(xiàn)為終端設(shè)備提供穩(wěn)定的電能，為下一步綜合設(shè)計工作打下了堅實的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

本文的創(chuàng)新點在于成功地將3G技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和太陽能技術(shù)應(yīng)用森林火災遠程視頻監(jiān)控之中。利用目前中國聯(lián)通大范圍覆蓋的WCDMA網(wǎng)絡(luò)，將火災情況實時傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，達到了森林火災監(jiān)測的目的，解決了地理位置偏僻、交通不便、氣候惡劣的森林監(jiān)測終端設(shè)備的供電問題，具有很大的實用價值和應(yīng)用前景。

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