基于物联网技术的森林火灾探测系统研究

发布时间：2017-09-30 03:12

  本文关键词：基于物联网技术的森林火灾探测系统研究

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【摘要】：森林在生态系统中起着举足轻重的作用,它能够净化和改善空气,涵养水源,维持大气平衡,是人类生存发展极其宝贵的自然资源之一。所以保护好森林资源是维持地球生态系统平衡发展的需要,也是人类生存和发展的需要。然而,森林火灾的频发却给生态系统和人们的生产生活造成极大的破坏。因此,研究森林火灾发生的特点及规律,借助先进的科技手段和前沿的科学技术对森林环境进行实时探测,对突发火情进行及时预警,降低林火突发的概率,有效地避免森林火灾带来的巨大损失意义重大。本文将物联网技术和数字图像处理技术相结合,构建基于物联网技术的森林火灾探测系统。系统将ZigBee技术与图像采集技术相结合,对森林环境参数和现场情况进行实时采集和获取,采集到的信息将通过GPRS (General Packet Radio serviee)数据传输模块传输至上位机,由上位机监控模块进行分析处理。除此之外,论文还研究了火灾图像处理的相关算法,在此基础上提出了一种基于K-means和颜色模型的森林火灾图像辨识算法,并对该算法进行了仿真验证。论文的主要工作总结如下：(1)基于物联网技术的森林火灾探测系统框架研究与搭建。研究物联网技术的特性及发展,对比分析物联网技术中几种主流的通信技术,选择ZigBee技术作为系统的核心技术,根据系统应用的具体环境和功能需求搭建系统整体架构。(2)利用ZigBee技术组建无线传感网络。通过研究和设计传感器节点(终端采集节点)、路由节点和协调器节点构建ZigBee无线传感网络。整个网络通过协调器节点进行无线网络的建立；路由节点负责路由协议和路由表的维护,以及数据的转发；传感器节点则通过相应的传感器获取森林环境信息,并将获取的信息通过路由节点路由至协调器节点。(3)无线传感网络中各节点功能分析和软硬件设计。系统采用TI公司提供的CC2530/CC2531系列芯片作为无线传感网络的主体,并根据实际需要和节点类型分别进行功能分析和软硬件设计。各类型节点的硬件设计主要包括电源电路、无线收发模块和传感器模块等。软件设计方面通过研究IAR开发环境的特点及Z-Stack协议栈开发流程,实现各节点之间的通信,协调器节点与GPRS数据传输模块之间的通信。利用计算机编程语言Vasual Basic完成上位机监控模块的软件设计与实现。(4)火灾图像处理算法的研究。通过分析和研究火灾图像处理算法,提出一种基于K-means和颜色模型的森林火灾图像辨识算法。该算法将图像中的火焰和烟雾特点相结合,根据火焰和烟雾各自的颜色模型和动态特征进行火灾趋势的识别。论文最后利用MATLAB对算法进行仿真,通过分析实验结果得出,该算法可有效识别出所用图像中是否存在疑似区域,从而有利于森林火灾的预防和扑救。基于物联网技术的森林火灾探测系统旨在研究一种可以实时监测森林环境,在火灾发生初期可以进行预防报警的系统。经实验室内测量实验验证,该系统可以较为准确的实现对森林环境的实时监测,对于一些突发火情,能够判断火势的具体特点,从而为灭火工作提供有力依据,减小火势的蔓延,降低火灾的破坏程度。
【关键词】：物联网 无线传感网络 森林火灾 图像处理算法 K-means算法
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S762;TP391.44;TN929.5
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 1 绪论11-18
• 1.1 论文研究的背景与意义11-12
• 1.2 国内外研究现状分析12-16
• 1.2.1 国外森林防火技术研究现状12-15
• 1.2.2 国内森林火灾监测技术现状15-16
• 1.3 论文研究内容及组织结构16-18
• 2 森林火灾探测系统方案分析及构建研究18-31
• 2.1 系统需求分析及设计原则18-19
• 2.1.1 系统需求分析18-19
• 2.1.2 系统设计原则19
• 2.2 系统关键技术研究与分析19-29
• 2.2.1 物联网技术研究19-21
• 2.2.2 物联网体系结构分析21-22
• 2.2.3 物联网技术主要应用领域研究22-25
• 2.2.4 物联网中几种无线通信技术对比研究25-26
• 2.2.5 ZigBee技术研究与分析26-29
• 2.3 系统整体方案研究与设计29-30
• 2.4 本章小结30-31
• 3 系统硬件平台研究与设计31-43
• 3.1 系统硬件设计总体方案研究31-32
• 3.2 传感器节点功能分析与设计32-36
• 3.2.1 ZigBee芯片选型32-33
• 3.2.2 传感器节点硬件设计33-36
• 3.3 路由节点及协调器节点功能分析与设计36-37
• 3.3.1 路由节点硬件设计36
• 3.3.2 协调器节点硬件设计36-37
• 3.4 节点外围模块功能分析与设计37-39
• 3.4.1 电源电路设计37-38
• 3.4.2 无线收发模块及其他外围电路设计38-39
• 3.5 GPRS数传模块硬件设计39-42
• 3.5.1 GPRS技术研究39-40
• 3.5.2 GPRS数传模块硬件选型40-41
• 3.5.3 SIM900A模块功能分析与电路设计41-42
• 3.6 本章小结42-43
• 4 系统软件设计43-58
• 4.1 IAR开发环境及Z-Stack开发流程分析43-45
• 4.1.1 IAR开发环境研究43-44
• 4.1.2 Z-Stack开发流程研究44-45
• 4.2 软件设计总体方案研究45-51
• 4.2.1 传感器节点软件设计45-46
• 4.2.2 路由节点软件设计46-48
• 4.2.3 协调器节点软件设计48-51
• 4.3 GPRS数传模块程序设计51-52
• 4.3.1 SIM900A启动方案研究51-52
• 4.3.2 GPRS数据传输程序设计52
• 4.4 上位机监控模块功能分析与设计52-57
• 4.4.1 登录模块设计53-54
• 4.4.2 监控模块设计54-56
• 4.4.3 系统管理模块设计56-57
• 4.5 本章小结57-58
• 5 林火图像辨识算法研究58-72
• 5.1 颜色模型研究58-62
• 5.1.1 RGB彩色模型特征分析58-59
• 5.1.2 HIS彩色模型特征分析59-62
• 5.1.3 YCbCr彩色模型特征分析62
• 5.2 森林火灾图像探测方法研究62-64
• 5.3 改进火灾图像探测算法研究与设计64-71
• 5.3.1 K-means算法研究64-66
• 5.3.2 火灾图像颜色特征分析66-67
• 5.3.3 疑似区域特征提取67-68
• 5.3.4 实验仿真及结果分析68-71
• 5.4 本章小结71-72
• 6 总结与展望72-75
• 6.1 工作总结72-73
• 6.2 工作展望73-75
• 致谢75-77
• 参考文献77-81
• 攻读硕士学位期间取得的成果81-83

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本文编号：945797