胡霞 劉文軍 鄒欣欣 費鵬

摘要：森林防火工作是國家公共應(yīng)急體系建設(shè)的重要內(nèi)容，與人民群眾生命財產(chǎn)安全休戚相關(guān)，也是生態(tài)建設(shè)的重中之重。自新中國成立以來，森林火災(zāi)多次導(dǎo)致了人員的傷亡以及財產(chǎn)的損失，破壞了生態(tài)環(huán)境，成為林業(yè)最可怕的災(zāi)害。除了強化管理，加強森林巡查工作，還可以借助于物聯(lián)網(wǎng)實施森林遠程監(jiān)測，建立森林火災(zāi)預(yù)警管理系統(tǒng)，便于森林管理人員能在手機、電腦等終端及時發(fā)現(xiàn)火災(zāi)態(tài)勢，實時向救援人員提供災(zāi)情預(yù)警信息，減少了人力物力以及森林資源的損失。該文結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使用濕度傳感器、煙霧濃度等設(shè)備通過4G網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)采集工作，構(gòu)建了一個基于Vue.JS的森林火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，為森林安全智能化監(jiān)控提供了科學(xué)的技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：森林火災(zāi);物聯(lián)網(wǎng);數(shù)據(jù)可視化

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）36-0162-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

1 引言

森林生態(tài)安全和林業(yè)生態(tài)建設(shè)對于加快我國國土綠化進程、推進林業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)具有重要的現(xiàn)實意義和深遠的歷史意義。而近年來隨著地球溫度持續(xù)升溫，森林火災(zāi)事件頻繁發(fā)生，嚴重破壞了生態(tài)環(huán)境平衡，造成了不可挽回的人力物力財力的損失。針對不同的地域情況和時空特點，建設(shè)科學(xué)、有效的林火監(jiān)測體系是科學(xué)預(yù)防森林火災(zāi)的重點。物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展為森林火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警管理提出了一種新的解決方案，可以對森林環(huán)境進行智能化監(jiān)控管理，可以快速監(jiān)測到森林安全隱患，及時發(fā)出報警，快速救援，將隱患扼殺在搖籃里。本文擬探討基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建森林火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，及時地將監(jiān)測到的森林數(shù)據(jù)以大屏的方式進行可視化呈現(xiàn)，直觀地展現(xiàn)了站點分布、監(jiān)控視頻嵌入、站點報警信息播報、網(wǎng)絡(luò)攝像頭能耗情況等內(nèi)容。本課題通過可視化呈現(xiàn)的方式直觀地監(jiān)控到森林設(shè)置站點周邊環(huán)境信息情況，監(jiān)測效率大大提高，最大限度地減少了森林火災(zāi)事件的發(fā)生，有效地保護我國森林資源以及生態(tài)環(huán)境。

2 技術(shù)概述

森林火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)要解決的核心問題有兩個方面，一方面是需要完成森林監(jiān)測點的數(shù)據(jù)采集，另一方面需要將監(jiān)測的數(shù)據(jù)以用戶友好的可視化的方式呈現(xiàn)。本課題使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完成數(shù)據(jù)采集，使用Vue.JS框架技術(shù)來實現(xiàn)可視化呈現(xiàn)。

（1）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將各種傳感器設(shè)備通過制定各種特定的協(xié)議，將各種需要的事務(wù)連接起來通過網(wǎng)絡(luò)進行事物間的信息交換，最終達成信息網(wǎng)絡(luò)的智能化。本系統(tǒng)設(shè)計底層采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，周期性地對森林覆蓋范圍內(nèi)會導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生的參數(shù)信息通過傳感器設(shè)備進行采集，通過約定的通信協(xié)議以及自組網(wǎng)絡(luò)的多跳轉(zhuǎn)模式將相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)發(fā)送至遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控管理平臺，數(shù)據(jù)采集流程圖如圖1所示。本系統(tǒng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采用ZigBee網(wǎng)關(guān)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了森林火災(zāi)實時監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的目標，有效地預(yù)防森林火災(zāi)發(fā)生。

（2）Vue.js技術(shù)

Vue.js是一套構(gòu)建用戶界面的漸進式框架。區(qū)別于其他重量級框架的是Vue 采用設(shè)計是自底向上增量開發(fā)的模式。Vue主要關(guān)注視圖層，也就是將數(shù)據(jù)用可視化方式呈現(xiàn)到頁面。Vue生態(tài)系統(tǒng)支持數(shù)據(jù)驅(qū)動加上組件的前端開發(fā)模式。在數(shù)據(jù)可視化大屏界面上，結(jié)合echars.js技術(shù)將數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)出來，方便管理員對監(jiān)控平臺采集到的信息進行監(jiān)測。

3 系統(tǒng)分析

3.1 用戶角色

本系統(tǒng)主要角色有二類：普通用戶和超級管理員。

（1）普通用戶：由管理人員添加，用戶驗證后登錄系統(tǒng)，實時查看可視化大屏數(shù)據(jù)。

（2）超級管理員：可以登錄系統(tǒng)進行站點管理、人員管理、設(shè)備管理、執(zhí)勤管理、監(jiān)控系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)查詢及系統(tǒng)大屏顯示。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

（1）硬件數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)為核心，建立森林防滅火基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫是森林防滅火智能監(jiān)測系統(tǒng)的前提。本系統(tǒng)安裝溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧濃霧傳感器、風(fēng)速儀、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、Zigbee網(wǎng)關(guān)等設(shè)備，模擬森林場景設(shè)置站點，測量站點方圓五十米溫度、濕度、煙霧濃度等參數(shù)，通過Zigbee網(wǎng)關(guān)節(jié)點，使用4G網(wǎng)絡(luò)將采集數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器。如圖2所示。

（2）軟件系統(tǒng)實現(xiàn)

硬件系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)通過云服務(wù)器，到達PC端和手機端的數(shù)據(jù)管理平臺，軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理平臺完成數(shù)據(jù)的整理，并以可視化的方式呈現(xiàn)出來。用戶可操作的軟件平臺主要需具備用戶管理、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)管理、成員管理、站點管理等功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

4 系統(tǒng)設(shè)計

4.1 硬件設(shè)計

4.1.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點硬件

（1）溫度傳感層

溫度傳感器能夠感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號，本系統(tǒng)中選擇pt100溫度傳感器CWF4收集站點覆蓋森林的溫度參數(shù)數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)關(guān)上傳數(shù)據(jù)到管理平臺，速度快、精度高、抗干擾能力強，適用于森林特殊環(huán)境。

（2）濕度傳感層

本課題使用的濕度傳感器型號是HTF3223，其屬于頻率輸出式濕度傳感器，線性度好、具有較強的抗干擾能力、接口簡單，其利用溫度信號輸出端和負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻作為溫度傳感，適用于本系統(tǒng)環(huán)境。

（3）煙霧濃度傳感層

MQ-2煙霧濃度傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2），使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該煙霧傳感器氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號，用于本系統(tǒng)中進行煙霧氣體濃度的采集，煙霧或氣體濃度超出設(shè)置安全范圍，就會向平臺發(fā)出警報。

（4）風(fēng)速層

風(fēng)速層采用TM816風(fēng)速儀測量站點風(fēng)速風(fēng)向等信息數(shù)據(jù)。風(fēng)速儀是利用超聲波時差法來進行風(fēng)速的測量。

（5）網(wǎng)絡(luò)攝像頭

網(wǎng)絡(luò)攝像頭用于監(jiān)控站點與火災(zāi)密切相關(guān)因素包括天災(zāi)人禍。周期性地將視頻傳送到數(shù)據(jù)可視化大屏供相關(guān)人員監(jiān)控森林。

4.1.2 數(shù)據(jù)接收節(jié)點硬件

（1）Zigbee網(wǎng)關(guān)節(jié)點層

Zigbee低功耗、低成本、近距離、短延遲、高容量高，可以滿足森林惡劣的地方，應(yīng)用于森林防火監(jiān)控系統(tǒng)中，作為傳感器與通信網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁。

（2）通信協(xié)議層

Zigbee無線通信通過約定的通信協(xié)議與站點底層設(shè)置的無線傳感器進行連接，無線傳感器設(shè)備利用通信協(xié)議通道將采集森林站點環(huán)境數(shù)據(jù)參數(shù)上傳至數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺進行數(shù)據(jù)處理分析顯示。

4.2 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用Vue.JS前端框架完成界面設(shè)計，同時結(jié)合echars.js技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)，方便管理員對監(jiān)控平臺采集到的信息進行監(jiān)測，主要功能如下。

（1）用戶管理

本系統(tǒng)使用shiro安全權(quán)限管理框架實現(xiàn)了對不同權(quán)限用戶操作權(quán)限管理，同時為了便于用戶二次登錄，在客戶端存儲用戶輸入信息，提供了友好的用戶交互設(shè)計。

（2）設(shè)備管理

本系統(tǒng)需要對所使用到的設(shè)備的編號、類型、名稱、狀態(tài)、能耗情況進行常規(guī)維護，超級管理員具有對設(shè)備進行添加、查詢、刪除、修改等相關(guān)操作的權(quán)限。

（3）站點管理

森林火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)測試時在不同地方設(shè)置一個總站及十個分站點，分別安裝傳感器設(shè)備負責(zé)實時采集森林環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫中，同時對超級管理員開放對站點設(shè)置、修改、統(tǒng)計等功能。

（4）報警管理

報警管理模塊可以查看各個站點的即時信息的查看，同時對管理員開放按時間區(qū)間進行歷史報警數(shù)據(jù)的查詢。

（5）執(zhí)勤管理

該模塊主要用于站點管理人員在巡邏過程中，對站點設(shè)備完成周期性的檢查后，完成信息的錄入與管理。

（6）監(jiān)控平臺可視化大屏

數(shù)據(jù)可視化技術(shù)主要通過圖形化手段對需要的數(shù)據(jù)進行處理，展示出直觀、鮮明、分而有類的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)需要監(jiān)測的部分主要包括站點采集的網(wǎng)絡(luò)攝像頭嵌入顯示、攝像頭電量監(jiān)測、報警數(shù)據(jù)實時監(jiān)測 、設(shè)備站點分布展示，具體實現(xiàn)如圖4所示。

5 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展使森林火災(zāi)防控越來越智能化，利用傳感器設(shè)備進行森林溫度、濕度、煙濃度、風(fēng)速監(jiān)測，并通過各種特定的協(xié)議，完成數(shù)據(jù)信息交換，同時以可視化的方式實時向救援人員提供火災(zāi)信息以便有效地提供救援，在一定程度上減少了人力物力以及森林資源的損失。

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