胡霞 劉文軍 鄒欣欣 費(fèi)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(cái)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(cái)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(qiáng)化管理，加強(qiáng)森林巡查工作，還可以借助于物聯(lián)網(wǎng)實(shí)施森林遠(yuǎn)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(jī)、電腦等終端及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)態(tài)勢，實(shí)時(shí)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(gè)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(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）36-0162-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)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(jìn)程、推進(jìn)林業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)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(yán)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(cái)力的損失。針對不同的地域情況和時(shí)空特點(diǎn)，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(diǎn)。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(jìn)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(shí)發(fā)出報(bào)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(shí)地將監(jiān)測到的森林?jǐn)?shù)據(jù)以大屏的方式進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，直觀地展現(xiàn)了站點(diǎn)分布、監(jiān)控視頻嵌入、站點(diǎn)報(bào)警信息播報(bào)、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(diǎn)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(hù)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(gè)方面，一方面是需要完成森林監(jiān)測點(diǎn)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(shí)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(jìn)行事物間的信息交換，最終達(dá)成信息網(wǎng)絡(luò)的智能化。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(huì)導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生的參數(shù)信息通過傳感器設(shè)備進(jìn)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(yuǎn)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(shí)現(xiàn)了森林火災(zāi)實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的目標(biāo)，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(jìn)式框架。區(qū)別于其他重量級框架的是Vue 采用設(shè)計(jì)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?jǐn)?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)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(jìn)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(yàn)證后登錄系統(tǒng)，實(shí)時(shí)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(jìn)行站點(diǎn)管理、人員管理、設(shè)備管理、執(zhí)勤管理、監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(diǎn)，測量站點(diǎn)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(diǎn)，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(shí)現(xiàn)

硬件系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)通過云服務(wù)器，到達(dá)PC端和手機(jī)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(diǎn)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(jì)

4.1 硬件設(shè)計(jì)

4.1.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(qiáng)，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(qiáng)的抗干擾能力、接口簡單，其利用溫度信號輸出端和負(fù)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(jìn)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(huì)向平臺發(fā)出警報(bào)。

（4）風(fēng)速層

風(fēng)速層采用TM816風(fēng)速儀測量站點(diǎn)風(fēng)速風(fēng)向等信息數(shù)據(jù)。風(fēng)速儀是利用超聲波時(shí)差法來進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)硬件

（1）Zigbee網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)底層設(shè)置的無線傳感器進(jìn)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(diǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)參數(shù)上傳至數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析顯示。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用Vue.JS前端框架完成界面設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合echars.js技術(shù)實(shí)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(jìn)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(shí)現(xiàn)了對不同權(quán)限用戶操作權(quán)限管理，同時(shí)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(jì)。

（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(jìn)行常規(guī)維護(hù)，超級管理員具有對設(shè)備進(jìn)行添加、查詢、刪除、修改等相關(guān)操作的權(quán)限。

（3）站點(diǎn)管理

森林火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)測試時(shí)在不同地方設(shè)置一個(gè)總站及十個(gè)分站點(diǎn)，分別安裝傳感器設(shè)備負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)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(shí)對超級管理員開放對站點(diǎn)設(shè)置、修改、統(tǒng)計(jì)等功能。

（4）報(bào)警管理

報(bào)警管理模塊可以查看各個(gè)站點(diǎn)的即時(shí)信息的查看，同時(shí)對管理員開放按時(shí)間區(qū)間進(jìn)行歷史報(bào)警數(shù)據(jù)的查詢。

（5）執(zhí)勤管理

該模塊主要用于站點(diǎn)管理人員在巡邏過程中，對站點(diǎn)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(jìn)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(diǎn)采集的網(wǎng)絡(luò)攝像頭嵌入顯示、攝像頭電量監(jiān)測、報(bào)警數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測 、設(shè)備站點(diǎn)分布展示，具體實(shí)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(jìn)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(shí)以可視化的方式實(shí)時(shí)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。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙云華，喬新，朱豐杰.測繪地理信息智能化監(jiān)測在森林防滅火工作中的應(yīng)用[J].測繪通報(bào)，2021（7）：126-130.

[2] 賈斌英.遼寧省林火監(jiān)測體系構(gòu)建與發(fā)展研究[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2021（3）：78-79.

[3] 徐曉峰，張皓琳，孫志超.天地一體化森林防火監(jiān)測體系建設(shè)[J].林業(yè)資源管理，2019（5）：121-129.

[4] 陸志平，秦會(huì)斌，王春芳.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在森林火災(zāi)監(jiān)測中的應(yīng)用[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26（5）：48-51.

[5] 楊朝輝，張聯(lián)超，楊長業(yè).溫度、濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[J].氣象水文海洋儀器，2005，22（2）：51-55.

[6] 楊易辰.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能老年公寓火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].沈陽：遼寧大學(xué)，2020.

[7] 李春成，楊云，陳亮，等.自供電低功耗森林火災(zāi)無線監(jiān)測系統(tǒng)[J].電子器件，2021，44（3）：707-712.

[8] 余健豪.可視化技術(shù)在景區(qū)大數(shù)據(jù)平臺中的應(yīng)用[J].電子科技，2018，31（9）：77-79.

[9] 薛曉宇，張萬舜.基于Python的數(shù)據(jù)可視化大屏的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)產(chǎn)品與流通，2020（7）：91-92.

[10] 章全.高校大數(shù)據(jù)應(yīng)用與平臺設(shè)計(jì)[J].科技廣場，2017（7）：44-48.

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