1、Nanjing Forestry UniversityCollege of Information Science and Technology1.针对针对林业环境测试参数的要求，并考虑监测处所在的地理位置，提出了由林业环境测试参数的要求，并考虑监测处所在的地理位置，提出了由数据采集节点、数据采集节点、3G网关节点和服务器构成的林业生态环境监测系统方案网关节点和服务器构成的林业生态环境监测系统方案。2.系统系统采用太阳能板和锂电池组成双供电系统，以保证野外监测系统的能量采用太阳能板和锂电池组成双供电系统，以保证野外监测系统的能量供给。数据采集节点通过供给。数据采集节点通过ZigBee协议与协议
2、与3G网关节点进行短距无线通讯，网关节点进行短距无线通讯，3G网关节点通过网关节点通过WCDMA网络与数据服务器进行远距离无线通信网络与数据服务器进行远距离无线通信。3.设计设计了数据采集节点和了数据采集节点和3G网关节点。硬件设计包括采集节点处理器网关节点。硬件设计包括采集节点处理器CC2430和射频前端和射频前端CC2591电路、土壤温湿度（电路、土壤温湿度（5TM）等传感器电路；）等传感器电路；3G网关处理网关处理器器MSP430外围电路、外围电路、3G（WCDMA）模块）模块EM770W电路以及野外供电系电路以及野外供电系统电路统电路。4.配合森林火险天气系统分析，配合森林火险天气系统
3、分析，设计设计了自供电视频了自供电视频监测系统监测系统，采用有，采用有向视觉向视觉传传 感器感器网络节点部署网络节点部署策略与策略与信息反馈技术信息反馈技术，并基于，并基于迁移学习机制的森林火灾迁移学习机制的森林火灾图图 像像识别识别技术，开展了物技术，开展了物联网视觉的森林防火联网视觉的森林防火应用应用示范。示范。5.软件软件设计包括采集节点各传感器驱动软件设计及设计包括采集节点各传感器驱动软件设计及3G网关节点通信软件网关节点通信软件设计设计、能源能源管理管理算法设计、节点算法设计、节点的部署策略的部署策略算法设计、视觉算法设计、视觉图像的火点识别图像的火点识别算法设算法设 计等计等。6.
4、对对林业生态环境监测系统进行测试分析。具体测试了野外供电性能，数据林业生态环境监测系统进行测试分析。具体测试了野外供电性能，数据采采 集集性能，网关的稳定性性能，网关的稳定性，组，组网的通信质量等网的通信质量等。125436 7 森林森林火险天气指数系统火险天气指数系统FWI分析分析 课题课题来源来源1、国家国家重点基础研究发展计划（重点基础研究发展计划（973计划）：计划）：“我国主要人 工林生态系统结构、功能与调控研究”项目的子项目：杨 树人工林不同间伐密度下生长及环境因子监测2、国家自然科学基金项目：、国家自然科学基金项目：基于物联网视觉的森林火灾监控 系统设计3、江苏省物联网示范项目：
5、、江苏省物联网示范项目：“智能环境监测示范”4、江苏省、江苏省六大人才高峰项目六大人才高峰项目：“基于WSN的中山陵风景区生 态环境智能监测研究”5、江苏省林业三新工程项目、江苏省林业三新工程项目：“江苏省森林火险预警关键技 术集成及应用”6、江苏省自然科学基金项目：、江苏省自然科学基金项目：无线传感器网络技术在森林火 险天气预警系统中的应用7、江苏省自然科学基金项目：、江苏省自然科学基金项目：基于物联网视觉的森林火灾监 控系统关键技术研究 国内外研究国内外研究美国美国Decagon微微型气象监测系统型气象监测系统固定式无线林业气象综合监测站固定式无线林业气象综合监测站 杭州托普杭州托普南京林
6、业大学研发南京林业大学研发的的WSN-NJFU-1案例：案例：宝宝应杨树林监测点分布应杨树林监测点分布测量参数测量参数光强度、空气温湿度、风速、降雨量、不同层土壤温湿度、图像空气负氧离子（可选）、PM1.0（可选）和 PM2.5（可选）系统设计要求网络拓扑结构变动网络拓扑结构变动系统能源和功耗系统能源和功耗系统故障报警系统故障报警系统节点的小型化系统节点的小型化系统设计考虑因素系统设计考虑因素系统的扩展性系统的扩展性 总体结构设计：1.数据采集ZigBee网络3G（WCDMA）网络 【固定IP组网】用户查询总体结构设计：2.图像采集 系统硬件设计采集节点电路3G网关硬件电路野外太阳能供电系统传
7、感器感知模块电路 数据采集节点硬件结构图数据采集节点处理器模块数据采集节点射频模块供电：2.4V5.5V接口：I2C湿度范围：0100%精度：+3%温度度范围：-40100精度：+0.4 供电：3.6V15V,10mA-150ms接口：UART湿度范围：080%精度：+8%温度度范围：-4050 精度：+1空气温湿度 SHT11 光电池 S1087 土壤温湿 度5TM无需电源短路电流与光照成线性暗电流小数据采集节点感知模块数据采集节点感知模块5TM土壤温湿度传感器电路SHT11空气温湿度电路数据采集节点感知模块供电：5.0V10%接口：PWM湿度范围：095%温度范围：-1065空气粒子 PM
8、1.0 和 PM2.5 传感器 DSM501A灵敏度：15000个/283ml北京东创旭新IMH01精度：10个/cm3量程：10-5000万/cm3可选配RS232接口可选配接GPRS通讯模块，进行无线数据传输空气负氧离子传感器数据采集节点感知模块光强度测量头结构示意图S1087光探测器 光强度测量头S1087传感器调理电路 3G网关节点硬件电路结构图 3G网关节点硬件电路-处理模块 MSP430处理模块最小系统电路 3G网关节点硬件电路-3G模块电路3G模块UART通信连接3G模块复位电路设计USIM卡接口设计电路配有GPRS模块，采用RS232或RS485 接口传输速度快，10秒传输完一
9、张640*480照片支持软件远程控制拍照；支持自动拍照；支持短信随时随地拍照；支持彩信拍照；支持通过WEB发布总体结构设计：2.图像采集野外太阳能供电系统硬件结构图 3G网关节点硬件电路-充电管理太阳能充电管理电路设计 ICH=1800V/R1恒流充电电流ICHCN3065充电过程 3G网关节点硬件电路-稳压电路3G模块瞬时电流大，电源波动问题 3G网关电压调理电 系统软件设计系统软件采集节点软件无线通信模块软件感知模块软件设计3G网关节点软件设计原理3G驱动和数据发送短信收发故障检测和报警 采集节点软件设计无线通信模块软件设计采集节点程序流程图 主节点程序流程 采集节点软件设计SensorC
10、ollection组件结构示意图感知模块软件 3G网关节点软件设计-设计思想3G网关数据传输流程图 ZigBee模块主要负责ZigBee传感网络的数据接入，通过ZigBee模块的内部数据通道发送数据到3G网关处理器，3G网关处理器把ZigBee模块收到的数据解包后得相应数据，再打包成为适合在以太网发送的数据的格式，通过3G的模块发送至以太网接口，实现ZigBee协议到TCP/IP协议的转换3G网关软件设计-互斥信号量机制 互斥信号量（Mutex_lock）实现了对共享资源的独占式处理，保证了共享资源区数据的可靠性和完整性存储区资源竞争问题3G关中互斥信号量机制示图 3G通信程序服务器连接3G通
11、信程序服务器连接WCDMA通信串口调试工具调试结果TCP/UDP socket调试工具显示结果3G通信程序数据发送 心脏报文中国联通的WCDMA网络，如果长时间连接网络而不进行数据交换，中国联通将自动的断开网络连接，因此3G网关必须在发送一心脏报文来保证网络的连接 SMS短信发送和接收 短信发送流程图3G通信程序短信发送和接收手机短信截图短信收发串口调试图故障报警网关电压低网关电池电源检测和预警软件的流程图 网关低电压短信报警图故障报警-发送错误检测报文发送错误检测流程图野外太阳能供电系统测试传感器系能测试和分析网关稳定性测试数据采集节点通讯距离测试节点丢包率统计分析PCB板发热50 电管理电
12、路单独设计PCB板，用铜皮代替铜线 PCB全部铺铜使用导热硅胶垫和微型散热器传感器性能测试-测试方法宝应杨树林采样时间30min共采样100组数据HOBO气象站采集节点传感器性能测试环境传感器性能测试-数据统计传感器性能测试-测量数据分析温度高于15.5是相对误差在2%以下低于15.5是相对误差较大，且数值偏小传感器性能测试-数据校准方法传感器性能测试-校准数据分析 校准后相对误差小于2%3G网关节点稳定性测试数据采集节点通信距离测试数据采集节点通信距离测试节点丢包率测试和分析丢包率在4%以下3号节点2012年12月份丢包率统计森林火险天气指数系统森林火险天气指数系统FWI分析分析火灾天气指数
13、火灾天气指数FWI系统结构森林火险天气指数系统森林火险天气指数系统FWI分析分析(简化模型简化模型)59.5*(250)147.2mFFMCm细小可燃物湿度码细小可燃物湿度码FFMC 其中，m为前一天的细小可燃物的含水率腐殖质湿度码腐殖质湿度码DMC6100*(1.894(1.1)(100)10)eDMCmTH L其中，T表示温度，H表示相对湿度，Le为该月平均日照时间干旱码干旱码DC0.5*(0.36*(2.8)fDCQTL其中，Q表示前一天干旱码的湿度当量，Lf为 Le数据的调整值森林火险天气指数系统森林火险天气指数系统FWI分析分析(简化模型简化模型)累积指数累积指数BUI初始蔓延指数初
14、始蔓延指数ISI0.8*0.4*DMCDCBUIDMCDC5.310.13860.0503970.208*91.9*(1)*4.93*10mWmISIee森林火险天气指数系统森林火险天气指数系统FWI分析分析(简化模型简化模型)火灾天气指数火灾天气指数FWI0.8090.1*(0.6262)BFWIISIBUI0.023*10000.1*25 108.64*BUIBFWIISIe80BUI 80BUI 当当0.6472.72*(0.434ln)SFWIBFWI标准的标准的FWI森林火险天气指数系统森林火险天气指数系统FWI分析分析(简化模型简化模型)火险等级火险等级ISIBUIFWI低0-3.40-180-4中3.5-5.819-295-9高5.9-9.530-4610-17很高9.6-1647-8018-30极端168030火险天气等级指标火险天气等级指标森林火险天气指数系统森林火险天气指数系统FWI分析分析(简化模型简化模型)南京市南京市2015年年9月月11日森林火险等级日森林火险等级 总结与展望展望图像视频监控节点数加大控制系统丢包数据预测总结系统的构件采集节点硬件设计3G网关软硬件设计太阳能供电系统 总结与展望Nanjing Forestry UniversityCollege of Information Science and Technology
