康萬杰，潘有順，陳秋菊

(茅臺學院 釀酒工程自動化系，貴州 仁懷 564500)

森林火災的發(fā)生嚴重影響到大自然生態(tài)環(huán)境，并且使人類生命財產(chǎn)等出現(xiàn)重大損失.我國的森林環(huán)境所面臨的關鍵問題之一為森林火災，但因人類的活動與自然狀況等時常造成不同程度的森林火災，且全球氣候逐漸變暖，導致森林火災的發(fā)生概率逐漸上升.為了有效保護森林資源，需采取相應的措施，實時監(jiān)控森林狀況[1].以往大多采取人工特定時間的航空巡邏及觀測臺監(jiān)測等方式監(jiān)控森林火災，但此類方法耗費大量人力和物力，且技術相對落后，無法實時采集信息，無法達到實時監(jiān)控森林狀況的目的[2-4].為解決以上問題，運用火災探測器等傳感器類設備實時監(jiān)控森林火災信號.通常森林火災發(fā)生的不同時期，形成的特征信號存在差別，僅依靠單一探測傳感器只能對某一種特征信號實施監(jiān)測，易遺漏森林火災發(fā)生的關鍵特征信號[5].因此，運用各種不同參數(shù)的探測傳感器監(jiān)測森林火災的各種特征信號，能夠及時精準地監(jiān)控森林火災，降低火災的危害[6].

無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)由數(shù)個傳感器節(jié)點構成，各傳感器節(jié)點可以任意布設于需要監(jiān)控的區(qū)間，并通過自組織形式形成無線網(wǎng)絡系統(tǒng)，在各類災害監(jiān)控領域內(nèi)應用較多，其優(yōu)點包括低功耗、方便布設、時延少及結構緊湊等，能夠達到多點持續(xù)檢測監(jiān)控區(qū)間的目的[7-8].該監(jiān)測通過無線傳感器網(wǎng)絡內(nèi)各種參數(shù)傳感器，實時監(jiān)測森林火災特征信號，并將各傳感器采集的無線傳感器信息融合，實現(xiàn)對各類傳感器信息的綜合運用，提升森林火災無線監(jiān)控的可靠性[9].

綜合以上分析，設計一種基于無線傳感器網(wǎng)絡信息融合的森林火災無線監(jiān)控系統(tǒng)，通過無線傳感器網(wǎng)絡內(nèi)數(shù)個傳感器節(jié)點，達到實時監(jiān)測森林環(huán)境溫度、CO氣體濃度及煙霧濃度信息數(shù)據(jù)，并對多個無線傳感器信息實施融合，運用融合后的信息判別森林火災的發(fā)生概率，實現(xiàn)對森林火災的無線監(jiān)控，為及時發(fā)現(xiàn)森林火災和降低其危害程度提供有效幫助.

1 基于無線傳感器網(wǎng)絡信息融合的森林火災無線監(jiān)控系統(tǒng)1.1 系統(tǒng)整體架構

以實時監(jiān)控森林火災的狀況為目標，構建基于無線傳感器網(wǎng)絡信息融合的森林火災無線監(jiān)控系統(tǒng).該系統(tǒng)具備的關鍵功能包括及時對森林不同區(qū)域的環(huán)境狀態(tài)實施監(jiān)測，有效預警森林火災出現(xiàn)的高風險區(qū)域；及時有效地融合煙霧濃度、環(huán)境溫度以及CO濃度多源無線傳感器采集的信息，在監(jiān)測到融合后的信息比設定預警值高時，精準高效地發(fā)出報警信號；監(jiān)控到有森林火災發(fā)生時，操控現(xiàn)場滅火設備開啟控制火勢.系統(tǒng)的整體架構如圖1所示.

圖1 森林火災無線監(jiān)控系統(tǒng)整體架構圖

該系統(tǒng)的操作系統(tǒng)與硬件平臺分別為Linux和嵌入式微處理器，其集成開發(fā)環(huán)境為ADS1.2；傳輸與預處理數(shù)據(jù)通過PESD5V0F1USF芯片完成，其主要包括高性能射頻收發(fā)器與微控制器核，能夠同步實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與預處理；無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點內(nèi)包含煙霧傳感器、溫度傳感器及CO濃度傳感器，為整個系統(tǒng)的核心部分，在所需監(jiān)控的森林范圍內(nèi)分散布設數(shù)個無線傳感器節(jié)點，各傳感器節(jié)點通過ZigBee 網(wǎng)絡提供支持.

1.2 系統(tǒng)硬件設計

1.2.1 微處理器結構設計

系統(tǒng)硬件平臺主要由嵌入式微處理器與其外圍設備等構成，其中外圍設備主要包含SDRAM芯片、報警模塊、CUP芯片、LCD顯示及RESET電路等，硬件平臺嵌入式微處理器的主要結構見圖2.

圖2 微處理器結構圖

1.2.2 傳感器節(jié)點設計

(i)節(jié)點結構設計

設計森林火災無線監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)無線傳感器節(jié)點的結構，其重點包含設備驅動單元、傳感器單元、處理器單元、電源供應單元與無線通信單元，詳見圖3.

圖3 無線傳感器節(jié)點結構設計圖

設備驅動單元通過脈沖信號操控電磁閥開關，實現(xiàn)設備的驅動功能；傳感器單元主要由煙霧傳感器NIS07、溫度傳感器PT100、CO濃度傳感器CO/MF-500構成；處理器單元主要由STM32處理器構成，其核心為ARM Cortex-M3，具備功耗較低、可實現(xiàn)上萬次的編程的優(yōu)點，且其支持串行總線通信[10]，外圍設備包括JTAG接口、12位數(shù)模轉換器、存儲器、SPI端口以及定時器等，同時，具備八通道的十位采樣精度控制器；電源供應單元包含太陽能與蓄電池兩類供電措施，實現(xiàn)傳感器節(jié)點的電源供應；無線通信單元采用LR30無線射頻芯片模塊，其接收靈敏度與抗干擾性較高，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)及采集等[11-12].

(ii)節(jié)點功能設計

無線傳感器節(jié)點的功能設計模型詳見圖4.

圖4 無線傳感器節(jié)點功能設計模型

因為監(jiān)控森林均與指揮中心相距較遠，若布設電纜將延長工期，且導致費用升高，因此，該系統(tǒng)通過無線傳輸方式，實現(xiàn)森林火災的監(jiān)控[13].由布設于森林現(xiàn)場的各傳感器采集信號，并通過信號調(diào)理電路對采集的信號實施調(diào)理，在此基礎上，經(jīng)過A/D轉換調(diào)理信號后，獲得可通過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)男盘柲Ｊ?，并交由PESD5V0F1USF芯片處理后，通過相關射頻電路接收與傳送處理后信號.

1.3 系統(tǒng)軟件設計

1.3.1 數(shù)據(jù)傳輸過程

無線監(jiān)控系統(tǒng)通過結合傳感器節(jié)點事件觸發(fā)響應與監(jiān)控主機自動查詢，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，同時為提升傳輸數(shù)據(jù)的質(zhì)量，運用分層網(wǎng)絡架構，具體數(shù)據(jù)傳輸過程見圖5.

圖5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過程圖

由監(jiān)控人員通過監(jiān)控主機發(fā)出森林環(huán)境溫度、CO濃度及煙霧濃度的查詢請求，經(jīng)網(wǎng)絡與服務器的傳送后抵達基站；基站以接收查詢請求為依據(jù)，對目標協(xié)調(diào)器實施選取，由選取的目標協(xié)調(diào)器將休眠節(jié)點激活實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；傳感器節(jié)點獲取數(shù)據(jù)后，向待查詢簇首傳送，通過該簇首融合處理多個無線傳感器信息后，經(jīng)由原路向監(jiān)控主機反饋融合后的信息.

1.3.2 無線傳感器信息融合處理

因為單個傳感器采集到的特征信號較為單一，而森林火災產(chǎn)生時，產(chǎn)生的特征信號較多，如溫度、氣體濃度及煙霧等[14]，因此，通過溫度傳感器、CO濃度傳感器及煙霧傳感器分別采集各類特征信號信息，并對采集的無線傳感器信息實施融合，通過融合后的溫度、CO濃度和煙霧信息，判別監(jiān)控森林是否出現(xiàn)火災，實現(xiàn)對森林火災的監(jiān)控，并提升監(jiān)控的精度.

以D -S證據(jù)論為依據(jù)，融合溫度、CO濃度及煙霧多個無線傳感器信息，同時，利用不同信息對森林火災產(chǎn)生的信度函數(shù)予以表征，實現(xiàn)對森林火災是否發(fā)生的推理[15].設定森林火災包含有p1、無p2、不確定p3三種狀態(tài)，且各狀態(tài)屬于互斥關系.將三種森林火災狀態(tài)歸到識別框架Θ內(nèi)，也就是Θ={p1,p2,p3}.若n∶2Θ→[0,1]函數(shù)能夠達到的條件為

(1)

式中，Φ為空集.n(S)為命題S的信任度.

以傳感器的輸出響應特性為依據(jù)，溫度、CO濃度及煙霧多個傳感器的輸出選取為高斯函數(shù)，用于對森林火災產(chǎn)生的信任度函數(shù)實施表征.當煙霧傳感器、溫度傳感器及CO濃度傳感器的輸出被獲取之后，以森林火災產(chǎn)生的信任度函數(shù)為依據(jù)，將當下森林火災發(fā)生的信任度n1、n2、n3獲取到，依次表示為

(2)

式中，通過煙霧濃度對森林火災三種狀態(tài)實施判別的概率以S1～S3表示；經(jīng)由環(huán)境溫度判別森林火災三種狀態(tài)的概率以T1～T3表示；CO濃度對森林火災三種狀態(tài)的判別概率以G1～G3表示.

依次對煙霧傳感器、溫度傳感器及CO濃度傳感器信息實施融合.首先將煙霧傳感器與溫度傳感器信息融合，獲取到森林火災產(chǎn)生的信任度函數(shù)，其次，融合CO濃度傳感器信息與獲取到的信任度函數(shù)，以D-S證據(jù)論為依據(jù)，獲取融合后的信任度函數(shù)表示為

(3)

式中，完全沖突假設Si與Tj全部信任度相乘后的總和以k表示，同時k<1，其表達式為

(4)

基于此，實現(xiàn)融合CO濃度、溫度及煙霧多個傳感器的信息，并獲取各傳感器信息的森林火災三種狀態(tài)判別概率，達到對森林火災是否產(chǎn)生的有效判別.

2 實驗結果分析

在某處野外環(huán)境內(nèi)對本文系統(tǒng)的實際應用性能實施檢測，分別檢測本文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、報警功能、信息融合處理性能和并發(fā)響應性能.實驗中設定本文系統(tǒng)的預警閾值依次為溫度大于55℃、CO氣體濃度大于75 ppm、煙霧濃度大于1100 ppm，在設定預警閾值下，實施仿真測試實驗.

2.1 數(shù)據(jù)采集與報警功能檢測

檢測本文系統(tǒng)運行時各傳感器是否正常運行，并采集相應的數(shù)據(jù)，以及本文系統(tǒng)是否能夠在各傳感器采集數(shù)據(jù)比設定預警閾值高時發(fā)出報警信號.通過模擬的方式進行檢測，在測試CO氣體濃度時，將本文系統(tǒng)的CO濃度傳感器放到一個封閉的容器中，并向該容器中投入一定濃度的可燃性氣體；在實施煙霧測試時，取廢棄可燃物實施燃燒試驗，通過煙霧傳感器采集煙霧濃度信息；在實施溫度測試時，對放置溫度傳感器的測試容器實施持續(xù)加熱，由溫度傳感器采集不同階段的溫度信息，所得檢測結果見表1.

表1 數(shù)據(jù)采集與報警功能檢測結果

通過表1能夠看出，本文系統(tǒng)中各類傳感器所采集信息隨著檢測環(huán)境的變化而產(chǎn)生改變，可見本文系統(tǒng)各類傳感器運行正常且能夠采集到不同檢測階段中的相關信息，采集信息符合實際情況.另外，本文系統(tǒng)能夠在采集的信息高出設定預警閾值時發(fā)出報警，數(shù)據(jù)采集功能與報警表現(xiàn)良好.

2.2 信息融合處理性能檢測

在實驗環(huán)境內(nèi)選取一處空曠場地通過燃燒大量廢棄可燃物實施模擬火災實驗，經(jīng)由本文系統(tǒng)實施監(jiān)控，并以15s的時間間隔采集溫度、CO濃度及煙霧濃度數(shù)據(jù)，對各傳感器信息融合處理后，獲取到融合信息的火災發(fā)生概率，并對比獲得結果與各個單獨傳感器信息的火災發(fā)生概率，檢驗本文系統(tǒng)的信息融合處理性能.具體對比結果如圖6所示.

圖6 融合前后傳感器信息判別概率對比

分析圖6能夠得知，溫度傳感器信息與CO濃度傳感器信息判別有火災的概率在三種判別狀態(tài)中均為最高，分別為0.475和0.512，煙霧傳感器信息判別不確定的概率為最高，可到達0.510.同時，各單獨傳感器判別有火災與不確定的概率均較為相近.由此可見，溫度傳感器信息與CO濃度傳感器信息的判別結果均為有火災，而煙霧傳感器信息所判別結果為不確定是否有火災，此結果表明性質(zhì)單一的傳感器對是否發(fā)生火災的判別結果存在一定的差距，且有火災與不確定的判別概率相近，不利于精準判別森林火災的狀態(tài)，不確定性較高；而本文系統(tǒng)信息融合后所判別有火災的概率可達到0.852，較單獨傳感器信息的有火災概率最高值0.512有較大提升，同時大幅度降低了不確定概率，有效避免了各個單一性質(zhì)傳感器判別火災是否發(fā)生所存在的判別缺陷，并將多個無線傳感器信息間的矛盾消除掉，有效實現(xiàn)信息融合，提升整體火災判別的精度.

2.3 并發(fā)響應性能檢測

檢測本文系統(tǒng)運行時，隨著并發(fā)用戶數(shù)量的增長，本文系統(tǒng)的事務響應時間及成功并發(fā)用戶數(shù)，檢測結果見圖7.

由圖7(a)可得出，在并發(fā)用戶數(shù)量不高于100個的情況下，本文系統(tǒng)的事務平均響應時間均低于3.5 s，且隨著并發(fā)用戶數(shù)量的上升，本文系統(tǒng)的事務最快響應時間及平均響應時間均呈現(xiàn)升高趨勢，在并發(fā)用戶數(shù)量低于70個時升高幅度稍低，當并發(fā)用戶數(shù)量高于70個時升高趨勢明顯；通過圖7(b)可看出，當并發(fā)用戶數(shù)量在10個～90個之間時，本文系統(tǒng)的執(zhí)行成功并發(fā)用戶數(shù)大幅度持續(xù)上升，當并發(fā)用戶數(shù)量不低于90個時，執(zhí)行成功的并發(fā)用戶數(shù)保持在85個，總體可見，本文系統(tǒng)的并發(fā)事務響應用時短，可達到用戶的使用需求，最高執(zhí)行成功并發(fā)用戶數(shù)為85個，綜合并發(fā)響應性能較為理想.

3 結論

及時精準地監(jiān)控森林火災的發(fā)生，是有效降低森林火災危害程度和科學合理保護森林資源的關鍵手段.因此，本文針對一種基于無線傳感器網(wǎng)絡信息融合的森林火災無線監(jiān)控系統(tǒng)展開研究，通過布設于監(jiān)控森林不同區(qū)域內(nèi)的溫度、煙霧及CO濃度傳感器構成無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，并由數(shù)個此類節(jié)點組成無線傳感器網(wǎng)絡，以此為基礎構建森林火災無線監(jiān)控系統(tǒng).通過構建的系統(tǒng)采集實時溫度、煙霧及CO濃度信息，并實施多個無線傳感器的信息融合，通過獲取融合信息得到森林火災的狀態(tài)判別概率，當此概率值高于設定預警閾值時，系統(tǒng)發(fā)出報警，并啟動現(xiàn)場滅火設備，實現(xiàn)對森林火災的無線監(jiān)控.仿真測試結果表明，本文系統(tǒng)內(nèi)的各傳感器運行狀況良好，可完成相關信息的采集，且可在采集信息數(shù)據(jù)比設定預警值高時發(fā)出報警信號，未出現(xiàn)漏報現(xiàn)象.本文監(jiān)控系統(tǒng)通過信息融合處理將各傳感器信息間的矛盾去除掉，解決單個傳感器對火災發(fā)生概率實施判別時的差距缺陷，提高判別的精度.實現(xiàn)85個執(zhí)行成功并發(fā)用戶數(shù)，且在并發(fā)用戶數(shù)量不高于100個的情況下，事務平均響應時間低于3.5 s，滿足用戶的使用需求.