赵燕东;黄欢;颜小飞;于文华
【摘 要】采用铱星SBD卫星通信业务,基于支持向量机算法,设计了一套专门服务于林业部门的信息采集、数据分析及林火识别的森林管护系统,实现了CO浓度、CO2浓度、烟雾浓度、空气温湿度的自动采集与林区无死角实时远距离无线传输,在10m范围内可有效识别森林火灾发生的可能性.采集终端硬件基于STM32处理器、铱星Q9602模块、LTC2950-1开关机控制、DS2781电源管理以及两级降压结构,软件在自动模式及手动模式下均可实现数据的实时采集与远程传输,并在远程服务器上进行数据分析与林火发生可能性识别.经实验验证:系统可实时采集5种微环境参数,卫星传输成功率为100％,10m范围内林火正确识别率为80％左右.2014年开始,系统在内蒙古自治区呼伦贝尔市海拉尔区林区的森林管护工作中得到应用测试. 【期刊名称】《农业机械学报》
【年(卷),期】2016(047)001
【总页数】7页(P324-330)
【关键词】森林管护;铱星通信;Q9602模块;支持向量机;林火识别
【作 者】赵燕东;黄欢;颜小飞;于文华
【作者单位】北京林业大学工学院,北京100083;北京林业大学城乡生态环境北京实验室,北京100083;北京林业大学工学院,北京100083;北京林业大学城乡生态环境北京实验室,北京100083;北京林业大学工学院,北京100083;北京林业大学城乡生态环境北京实验室,北京100083;北京林业大学工学院,北京100083;北京林业大学城乡生态环境北京实验室,北京100083
【正文语种】中 文
【中图分类】TP274
森林管护采集系统是服务于林业部门的特种行业系统，专门应用于林业部门的信息采集和数据处理。目前，国内外在森林管护与防火工作中，均已使用了卫星监测、飞机巡护、瞭望台监测和地面人员巡护的立体监测手段[1-2]。在瞭望台监测与地面人员巡护等近地面的监测方式中，地面森林管护采集系统是林业相关部门常采用的一种实时了解各地森林情况
的方法。地面森林管护系统对森林的保护起到了显著作用。由于林区环境的特殊性，根据通信技术的不同，目前主要的地面森林管护采集系统有：基于射频识别技术(RFID)的森林管护系统，它能实现无接触信息的传递并能够对所传递的信息进行识别，具有读取方便快捷、识别速度快等优点[3-4]，但是其通信距离非常有限，一般不超过 5 m，而且，RFID标签对环境的影响较大，尤其是它产生的电磁辐射，会对空气、水、植物、动物造成一定的影响，同时，标签极易被人为损毁，使用不便。基于GSM传输采集系统，该系统具有模拟移动通信系统无法比拟的抗干扰能力，通信质量高，状态稳定。但其编码速度仅为13 kb/s，编码质量不高，并且GSM系统在一些林区、山区等区域，信号差，无法正常工作。在GSM系统的基础上又出现了GPRS通信采集系统，GPRS是GSM的延续。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包时来传输的，因此GPRS的传输速率比传统的GSM要快得多，并且实时性更好[5-7]。但是在广大偏僻林区，信号差，无法正常工作。随着卫星通信技术的发展，越来越多的森林管护系统采用卫星通信来实现林区无死角信息传输。
考虑到卫星通信技术的可靠性及成本问题，本文提出一种基于铱星通信技术的森林管护系统。铱星通信技术能较好地满足林区信息传输的实时性要求。铱星通信链路为不依赖地面的星星传输：铱星特有的星际传播，具有通信速度快、通信质量高、通信范围广、成
本相对其他卫星通信方式低等优点[8-10]。森林管护采集系统将现场采集到的林区环境参数、植物生理及图像信息通过铱星链路进行传输，可达到野外信息实时回传、突发事件及时反馈的目的。
1.1 系统组成
系统由配备传感器组的森林管护采集器、扩展的安卓手机用户端、铱星通信系统、远程决策服务器构成，如图1所示。
采集终端内配备传感器组，可采集空气湿度、空气温度、CO2浓度、CO浓度以及烟雾浓度信息。护林员携带采集终端，在森林管护过程中采集环境参数与地理位置信息，支持手动采集植物、环境信息拍照功能及手动输入盗砍盗伐、病虫害等林区不正常状况信息，并自动记录相应地理位置。扩展的安卓手机用户端在需要时亦可作为采集器的显示与输入平台。数据采集并存储后，通过铱星通信传送至远程服务器。远程服务器将数据存储在数据库中，并处理与分析数据作出相应的判断与识别，再将数据及分析结果显示在互联网Web上，同时可生成决策报告及各类统计管理报表，通过权限验证即可访问。
1.2 采集终端硬件设计
如图2所示，采集器的控制系统主要由中央控制电路、传感器组、铱星通信部分、GPS全球定位模块、蓝牙模块、Flash与SD卡存储部分、开关机控制部分、电源供电部分、电源管理部分、按键输入、声光指示以及调试串口部分组成。
中央控制器选用ST公司的高性能、低成本、低功耗的STM32F103ZE型微处理器，中央处理器作为主要功能单元，可向系统的各个部分发出各种命令，同时对被测参数进行巡回检测、数据处理、控制计算以及逻辑判断等功能。
开关机控制部分采用Linear Technology公司的LTC2950-1型芯片，该芯片仅有6 μA、2.7～26.4 V的消耗，可实现单键长按开/关机(长按响应时间可调)，并具有电池低电压关断保护功能、CPU自主关机功能以及电源关断前通知CPU处理关机事务的功能。
电源供电部分包括5 000 mA·h、7.4 V锂电池，可配合LTC2950-1型芯片使用、具有使能端的TI公司LP38693MP-5.0型芯片与LM1117-3V3型芯片两级降压结构。
电源管理部分由Dallas Semiconductor公司的DS2781型芯片控制，具有检测电池剩余电量、当前电压以及统计消耗电流功能。
铱星通信部分采用铱星公司的Q9602模块作为无线数据传输的通信模块。Q9602模块是单板核心收发器模块，通过卫星信道收发数据包。Q9602模块具有体积小、质量轻、功耗低等优点，它通过RS232接口，结合相应的AT指令协议完成SBD业务。除天线接口以外，所有设备连接都是通过一个多针接口，Q9602模块接口到用户连接器包括DC5V电源输入、RS232串行数据接口、供电电压指示、网络输出与电源开/关控制线。Q9602模块主要的射频连接器是天线连接器，天线连接器提供了Q9602模块和主机系统主板之间的射频连接，出于安全原因，Q9602模块上的2个射频连接器，用于跨板连接到主机系统的主板，而不能被直接连接到一个外部天线电缆或电缆分配系统[11-12]。Q9602模块最大移动发送信息有340个字节，最大移动接收信息有270个字节。通过Q9602模块实现的SBD业务是一种简单高效的网络传输功能，在地面终端设备和用户应用平台之间传输短数据信息。每一个Q9602模块具有唯一的ID，因此Q9602模块不需要用户身份模块插入到收发器，使用模块之前只要使用ID号进行注册即可。
传感器负责采集环境参数，其中CO浓度测量采用日本NEMOTO公司微型EC805-CO型传感器，测量范围0～1 000 mg/L，精度±20 mg/L。CO2浓度测量采用韩国ELT公司的微型红外S-100型传感器，测量范围0～5 000 mg/kg，精度±30 mg/kg。烟雾浓度测量采用韩国O
GAM公司的微型MS5100型传感器，输出电压0.5～5 V，与烟雾浓度呈近似线性关系，由于火灾烟雾是由气体、液体、固体微粒组成的混合物，很难定量表征其浓度，故本文中直接用传感器输出的电压表征烟雾浓度。空气温度与空气湿度测量采用瑞士SENSIRION公司的SHT11型温湿度一体传感器，温度测量范围-40～123℃，测量误差±0.4℃，相对湿度测量范围0～100%，测量误差±3%。
此外，蓝牙模块用于与外扩安卓手机客户端进行通信，作为外部的显示与输入平台。
1.3 采集终端软件设计
采集终端的软件设计基于准确、高效以及易学易用的原则，主程序的软件流程图如图3所示。
系统开机后先进行硬件初始化，读取设备ID、电池电量、本地时间等信息，其次检测GPS信号，获得GPS信息后将其中卫星时间同步到本地，然后再选择采样模式。自动模式下系统间隔提前设定好时间进行信息采集，手动模式下直接进入信息采集，并支持手动输入信息，信息采集完成后读取GPS定位信息，并打包存储，最后检查铱星卫星信号，发送数据。
为方便软件设计过程中铱星通信部分的编写，将铱星通信所使用的AT指令封装为具有透传特性的通信协议，其实现函数的流程图如图4所示。通信过程中，经后文实验测试，为保证通信成功率，只在信号强度大于3时进行数据发送。
1.4 数据分析软件设计
采集终端数据传输至远程服务器端后，服务器将会通过支持向量机算法对数据进行融合与分析，识别存在火灾的可能性。
支持向量机[13-14](Support vector machine，SVM)是基于统计学习理论的一种通用学习方法，专门研究小样本情况下机器学习规律的理论，为解决有限样本的学习问题提供了一个统一的框架，在网络结构选择、过学习、局部极小点等问题表现出很多优于已有方法的性能[15-16]。
软件通过Matlab进行设计，其开发流程如图5所示。
采用Matlab中SVM函数svmtrain进行训练、svmclassify进行验证。通过训练及效果对比，最终确定SVM网络结构参数如下：核函数为径向基函数(RBF)，寻超平面方法为二次规
划(QP)[17]，惩罚参数为2.7。并在校验样本中达到了80%以上的识别成功率。
SVM算法分析程序在Matlab中设计完成后，使用Matlab的mcc命令进行编译与打包，生成.exe格式的可执行文件进行发布。可执行文件执行时即可自动从数据库中读出新数据，并输出发生火灾的可能性。
2.1 实验设计
实验在北京林业大学实验林场中多个实验点进行，将生物质能源燃料块放置于底部通风、直径为40 cm、高为60 cm的铁桶内并点燃，使用采集终端在2～10 m不同的距离进行数据采集。
实验使用北京林业大学工学院研发的生物质成型燃料的燃烧来模拟早期森林火灾。该生物质成型燃料的生产原料为各类森林衍生物，例如木材采伐与加工剩余物、林木枝丫、树皮、灌木以及植物秸秆等。燃烧产物除CO2(充分燃烧)、CO(不充分燃烧)和水外，还生成SO2(低于100 mg/m3)、粉尘(低于200 mg/m3)、燃烧灰烬(主要由钙、钾、镁、钠、锰、铁、磷、硫等无机成分组成)。燃烧热值为16 743.4 J/kg左右[18-19]。
2.2 数据采集与通信可靠性分析
通过比对采集终端保存数据与远程服务器接收数据的一致性，达到验证系统数据采集与通信可靠性的目的，课题组于2014年8、11、12月多次在北京妙峰山进行系统测试，此地区树木茂密程度适中，没有GPRS信号。测试过程中，采集终端每隔 10 min 将采集到的信息(CO浓度、CO2浓度、烟雾浓度、空气温、湿度及地理位置)保存到采集终端的SD卡中，同时，通过铱星将信息发送至远程服务器，发送时的铱星信号强度一并记录在采集终端。
测试结束后，首先统计采集终端数据，以2014年8月测试为例，共采集与传输数据126条，其中在不同铱星信号强度下(1～5)的信息传输分别为5、16、25、37、43条；其次，对比终端发送数据与服务器端接收的数据，若数据相同则认为通信成功，统计得到通信成功的条数对应为0、2、24、37、43，进而可求得通信成功率，如表1所示。
如表1所示，铱星信号强度在3～5之间时，通信成功率达96%～100%，通信可靠性高。测试过程中，在(25+37+43)/126×100%=83.3%的情况下，铱星信号强度均在3～5之间，满足林区信息传输的要求。
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