在本文中,我们将使用物联网传感器网络探测森林火灾,并制作一个带有电池操作的便携式设备。及时获得森林火灾危险信息可以防止森林火灾蔓延。传感器网络可以给出火灾的具体位置,因为我们已经知道传感器安装在哪里。让我们来讨论一下如何利用物联网传感器网络来探测森林火灾的准确位置。
目的1. 探测-感知森林火灾
2. 报告-向服务器报告
3. 定位-定位火警发生的地点
4. 反应-向森林火灾
小组发出警报
建构
策略1.
如图1所示,我们可以将森林划分为 n 个区域。
图2。每个区域再次分为四个细胞—— a、 b、 c 和 d。每个细胞将有几个传感单元,如图2所示。传感器的分布并不均匀,有些传感器的数量比另一些传感器多。
使用数量不均的传感器的目的:
一些环境参数不会迅速变化,而且可以被大面积的少数传感器感知到。
3. 传感器单元主要由三部分组成:
- 感应装置
- 射频(射频)装置(内置控制器)
- 电池管理组
传感器单元由若干传感器节点组成,如图2所示,每个节点将有一个 RF 模块和一个
电源电池。RF 单元从传感器节点收集数据并传输到网关。网关监听来自预先注册节点的输入数据,并将这些数据转发给 SIGFOX 基站。从这些基站,数据被转移到 SIGFOX 后端,在这个以上的架构中,我们使用我们的定制云。所有数据将通过 SIGFOX 回调函数转移到云中。我们的定制云应该只在云端进行主要的处理; 云将做出决定,并在火灾探测时向团队提供警报。
电池单元-它包括电池,我们已经在本报告中进一步描述。
更多关于本地数据处理的细节我们将使用短距离数据
通信 RF 交换接收节点。这些节点将与本地网关进行通信,网关将出现在每个单元中。现在,一端的网关将从传感器节点收集数据并将数据传输到 SIGFOX 模块(模块细节在 SIGFOX 模块部分中进行了描述)。该模块将与基站进行远距离通信。
选择短距离射频转换接收机的原因:
1. 发射模式和接收模式的功耗较低,有助于整体的低功耗。
2. 降低成本。
模块选择模块---rcz1地区,其中包括欧洲国家和覆盖中东。这些国家的工作频带是868兆赫。
我们可以采用 AX-SIGFOX-API 传输接收机(上行链路和下行链路都有) SoC,这样可以满足我们的应用需求。
不同传感器单元的虚警原因及防范技术
感应装置
我们可以使用下面的传感单元来探测火灾。
1)烟雾及气体探测器
烟雾探测器-对于火灾的早期探测,我们可以使用两种类型的烟雾探测器
- 电离感烟探测器-对明火(高能量)的快速响应,因为这种类型的火产生小的烟雾颗粒。
- 光电感烟探测器-对阴燃火的快速响应。
气体探测器传感器必须足够灵敏,即使是很低的烟雾浓度也能探测到。因此,应该使用气体传感器或气体传感器与抽气系统的组合。它主要由 CO2、 CO、 NO2、 CH2、 h2气体传感器组成。
烟雾探测器、云雾探测器、植物、动物等非烟物体误报原因分析。
解决方案还可以通过考虑气体传感器和其他传感器(热和湿度)的检测结果来降低误检率。
2)热探测器阴燃和明火使周围环境的温度升高。利用温度传感器,我们可以检测环境条件的变化。
我们有两种温度传感模式
- 上升速度-这将迅速响应高火焰的火灾
- 固定温度-当温度达到预先设定的阈值水平时,这将对缓慢增加的阴燃或地面火作出反应。
误报的原因-阳光
解决方案
通过分析整个森林的温度——在一个阳光明媚的日子里,整个森林地区的温度都会均匀上升,所有的传感器都会给出大致相同的读数。
考虑到那个地区的季节。
通过在阴凉的地方实施热探测器
3)火焰检测器火焰检测器对紫外线和红外线辐射的火焰进行光学检测。火焰探测器是一种“视线”装置,它们容易被放置在它们前面的物体挡住。
火焰检测器模式
我们可以使用我们的探测器在扫描模式,以防止火焰探测器被任何障碍物覆盖。在这种模式下,设备将旋转360 ° ,并在接收到信号时停止工作。只有当信号持续存在一定时间时,探测器才会发出警报。
误报的原因: 阳光和无烟物体
解决方案使用这种过滤器,可以阻挡太阳辐射。在无烟对象的情况下,我们也可以考虑其他传感器的结果。
4)风速探测器和湿度探测器温度影响湿度和风速。通过测量这两个参数,我们可以探测到那个地区的火灾。
检测算法在我们的系统中,该算法在降低虚警率方面起着至关重要的作用。我们将分析来自所有传感器的数据,而不是依赖一个或两个传感器数据,从而减少错误警报的机会。
气体和温度探测器数据
气体,温度等于
[(NH2,过滤 KH2 + NCO,过滤 KCO + NCO,过滤 KCH + NCO,过滤 KCO + NCO,过滤 KCO + NCO 2,过滤 KCO2] s 气体,温度 > = 阈值 > 激活温度和气体传感器
湿度和烟雾探测器数据湿度,烟雾 = (湿度 > = TH)(烟雾 > = Ts) = > 激活湿度和烟雾传感器布尔值
临界湿度水平
阈值烟度
火焰检测器数据 s 火焰 = (火焰数据 > = Tt) = > 激活火焰传感器布尔值
火焰检测器阈值时间
烟雾、气体、温度、湿度和火焰的测量传感器数据将传输到我们的网关,并输入到检测算法/定制的云中。“主动报警/无报警”的决定来自与阈值相比的所有传感器的数据。
人类活动引起的误报——野营和残茬火灾
解决方案
林业部门的许可
其他减少虚警的技术。火灾天气指数系统
该系统将测量森林火灾的风险或确定森林火灾的可能性。它由六个部分组成,单独和集体地解释了火灾的发生。
如果 FWI 测量的是森林火灾的高风险,那么错误报警的可能性就比较小,在火灾风险较低的情况下,我们可以重复检查报警的可信度。
二。动物作为生物传感器-两种不同的检测方法可以实施。这些方法是测量瞬时温度变化的热探测法(TD)和动物行为分类法(ABC)对动物突变进行分类。
决策单元定制云
个人云将通过回调 api 接受来自 SIGFOX 后端的数据。云将主要执行以下操作:
1.云将收集传感器数据,并记录设备 ID、时间、位置和 RSSI 强度的数据。
图2。可接受的传感范围将存储在云中,实时传感值将仅在云中进行比较和处理。
3. 根据云端的后端计算,一旦发现火灾,云端会向团队发出警报。
4. 启用 TLS 安全性后,云将高度安全。
最大限度延长使用寿命
我们将使用“入口保护(IP)等级制度,以保护环境影响,如灰尘,污垢,风等。我们的外壳是由聚合物制成,可以承受高温和其他极端环境。
- 使用法拉第笼阻隔电磁场。
- 探测器容易出现粉尘、腐蚀和极端环境; 对于它们,我们可以用烧结金属制作一个保护帽,防止它们沾上灰尘和湿气
睡眠时间
由于 SIGFOX 网络每天只能接收140个数据包,因此我们不需要每秒或每分钟对传感器数据进行采样。我们将在传感器节点上启用循环休眠或针休眠。这将显著降低设备的功耗; 这将最大化设备的生命周期。
数据传输和电池寿命因为我们的 SIGFOX 设备每天只能接收140条信息,所以我们在我们的设计方案中将森林总面积划分为 n 部分。然后每个切片进一步划分为9个单元,每个单元由9个节点组成。如果我们采用平均值,我们每天可以从每个节点发送14条消息或警报。- 每天,每个节点只能活动约14次,并消耗更多的电力; 其余时间,它将保持睡眠模式。- 如果从一个节点向 RF 模块传输数据的总时间大约为200毫秒。然后每个节点将保持激活状态大约每天3秒(14 * 200毫秒)。一个节点的活动时间-每天-活动时间-3秒-10年活动时间-3小时大约。- 根据理论计算,每个节点的平均功耗约为每天1.6 w。
电池容量和放电时间的计算。例如,电池额定电压 = 3.6 v
电池额定容量 = 2000mAh
放电速率 = 0.25 c 或500ma (按每个节点电流消耗计算的放电速率)
总放电时间(小时) = 电池容量(mAh)/放电电流(mA)。
T = 2000/500mA = 4h
因此,我们可以使用2000毫安或以上的电池,这最适合我们的设计。现在我们将讨论电池的化学/类型,它应该有一个长的保质期。
电池的选择
适合我们的系统的电池是一次电池,因为他们有一个长的货架寿命,广泛的温度范围,低自我放电率和成本。由于锂离子电池的最大工作电压不超过4v-5V,因此我们可以使用锂离子一次电池,因为锂离子电池具有高能量密度和长寿命。
I LiSOCl2型电池
II. LiMnO2系列电池
所有上述电池的保质期长达10年,自放电电流低,温度范围广。
其他技术/能量收集
元件系统
为了延长电池寿命,我们也可以采用能量收集元件电池系统,因为我们的主电池操作我们的系统,所以我们不能用能量收集元件电池系统充电。但是我们可以通过能量收集元件系统直接操作我们的设备。
下面是一些可用的系统,可以安装根据现有的能源
i. 太阳能系统-这个系统需要太阳光产生足够的电力。
Ii. 风力系统-可安装在风力频繁的地方
电磁能源系统-可安装在产生电磁波的变压器系统附近。
简单描述它是如何工作的
例如,如果我们采用电磁(EM)能量系统,一些传感器将电磁波转换成电流。我们需要使用铜面板与传感器感应电磁波从周围环境。然后,从传感器转换出来的能量被用来为我们的设备供电。
对于另一种能源,如风能或太阳能,我们需要一个不同的传感系统来捕捉太阳能/风能。
电磁波的能源电磁波的能源可以是一个发射电磁波的变压器。如果我们把我们的设备放在变压器线附近,能量收集元件系统可以捕获变压器发出的电磁波。
开关单元为了给我们的设备供电,我们需要一个能量收集元件开关
电路。我们可以使用
电子开关(晶体管)或机电开关(继电器) ,这最适合我们的设计。这将把我们的设备从电池切换到能量收集元件系统。只有当我们的能量收集元件系统储存足够的能量来为我们的设备供电时,这种转换才会发生。
能量收集元件系统的组合为了获得更多的能量存储,我们可以同时使用两个或三个能量收集元件系统,比如太阳能和风能系统的组合或者两个电磁系统。
这就是我们如何使用物联网传感器网络探测森林火灾的。
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