基于ARM的嵌入式森林防火预警系统系统设计.docx
《基于ARM的嵌入式森林防火预警系统系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于ARM的嵌入式森林防火预警系统系统设计.docx（104页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于ARM的嵌入式森林防火预警系统系统设计
基于ARM的嵌入式森林防火预警系统的设计
摘要
森林火灾作为一种突发性强、破坏性大、处置救助较为困难的自然灾害之一，其防治工作已经成为中国防震减灾和国家公共应急体系建设的重要组成部分，因此设计并完成一种有效的森林防火预警系统对国家建设有着重要的意义。
为此，本文介绍一种基于嵌入式的森林防火预警系统。
此系统要满足长期、无间歇监控工作的需求，研究发现，ARM-Linux嵌入式体系具有低功耗、开源稳定等特性，该系统采用ARM9系列的S3C2440A芯片作为核心控制器，通过对Linux内核中Video4linux2驱动的使用，利用摄像头将现场信息传送到监控中心，并通过各类传感器将森林的温湿度、烟雾等数据采集出来，经AD转换及IO数据的读取，将得到的数据传给主控制器，同时通过网络协议传送至监控方。
主控制器进行数据融合分析，决定是否鸣叫警示和发送报警信息。
本系统不仅能自动监控、报警，又能通过网络将信息传送至监控处，使得监控人员更加了解森林情况，从而更加有效及时地对森林火灾进行预警报告。
ARM-Linux嵌入式体系结构化的开发模式具有稳定、可靠、易维护等特点，分析与测试表明，此系统采集数据具有较高的可靠性，数据分析精确，能够及时报警，这种灵活的森林防火预警系统在实现全天候远程监控的同时更提高了预警质量，有望在今后得到广泛的应用。
关键词：
森林防火预警；低功耗；开源；ARM-Linux；数据融合；远程监控
Designofembeddedforestfirepreventionandwarningsystem
basedonARM
Abstract
Forestfireisoneofthenaturaldisasters,whichisoneofthemoresudden,destructiveanddifficulttodisposeandrescue.ItspreventionandcurehasalreadybecometheimportantpartoftheChinaearthquakedisasterreductionandthenationalpublicemergencysystemconstruction,soitisimportanttodesignandaccomplishaneffectiveforestfirewarningsystemforthenationalconstruction.Tothisend,thispaperdescribesanembeddedforestfirewarningsystem.
Thissystemshouldmeettheneedsofthelong-termanduninterruptedmonitoring.Researchfindings,Linux-ARMembeddedsystemhasthecharacteristicsoflowpowerconsumption,stabilityandopensource.ThesystemusestheARM9S3C2440Achipprocessorasthecorecontroller.ThroughtheuseofVideo4linux2driverintheLinuxkernel,usethecameratosendfieldinformationtothemonitoringcenter,Andthroughallkindsofsensors,collecttheforesttemperatureandhumidity,smokeandotherdata,viaconversionofADandIOdataread,passthedatatothemastercontroller,andatthesametimetothemonitoringsidethroughthenetworkprotocol.Mastercontrollermakesdatafusionanalysis,decidewhethertotweetalertsandsendalarmmessages.Thissystemcannotonlymonitorthealarmautomatically,butalsotransmittheinformationtothemonitoringdepartmentthroughthenetwork,thatcanmakesthemonitoringstaffmoreunderstandingofforestconditions.Soastomoreeffectivelyandtimelytoforestfirewarningreport.
ThedevelopmentmodeofARM-Linuxembeddedsystemhasthefeaturesofstable,reliableandeasymaintenance.Analysisandtestshowthatthissystemhasthehighreliability,thedataanalysisisaccurate,andcantimelywarning.Thisflexibleforestfireearlywarningsystemcanimprovethequalityoftheearlywarningandisexpectedtobewidelyusedinthefuture.
Keywords：
Forestfirewarning;lowpowerconsumption;opensource;ARM-Linux;datafusion;remotemonitoring
参考文献……………………………………………………………………………………..69
附录A外文文献及其译文…………………………………………………………………71
附录B主要参考文献及其摘要……………………………………………………………82
附录C主要代码…………………………………………………………………………....85
插图清单
图2-1嵌入式系统结构图…..….…………………………………………………………......6
图2-2烟雾传感器原理图…….……………………………………………………………..12
图4-1系统总体框图………….……………………………………………………………..16
图4-2系统硬件结构……………….………………………………………………………..16
图4-3开发板实物图…………………….…………………………………………………..17
图4-4通讯过程图………………………………………….………………………………..18
图4-5通讯过程……………………….……………………………………………………..18
图4-6数字0信号表示方法………………………….……………………………………...19
图4-7数字1信号表示方法………………………………………….……………………...19
图5-1开发过程硬件布局…………………………………………………………..………..22
图5-2电源模块………………………………………………………………………………23
图5-3DHT11模块原理图…………………………………………………………………..23
图5-4DHT11模块连接图…………………………………………………………………..24
图5-5MQ135原理图………………………………………………………………………..25
图5-6GPRS功能模块图…………………………………………………………………....27
图5-7SIM900A模块的接口设计…………………………………………………………..27
图5-8SIM900A天线接口电路图…………………………………………………………..28
图5-96引脚SIM卡电路图………………………………………………………………...29
图5-10蜂鸣器原理图……………………………………………………..…………………30
图5-11DM9000网卡模块连接图………………………………………..…………………30
图6-1arm-linux-gcc–v打印信息…………………………………………………………...32
图6-2FLASH存储器分布图………………………………………………………….….…33
图6-3内核子系统关系图……………………………………………………..……………..34
图6-4Linux进程空间分配图………………………………………………………….……34
图6-5Linux虚拟文件系统…………………………………………………………….……35
图6-6系统软件结构…………………………………………………………………….…..37
图6-7温湿度采集流程图…………………………………………………………………...38
图6-8烟雾采集流程图…………………………………………………………………..…..42
图6-9图像采集流程图……………………………………………………………………...44
图6-10数据采集和远程传送流程………………………………………………………….52
图6-11上位机原图1………………………………………………………………………...59
图6-12上位机原图2………………………………………………………………….……..59
图6-13上位机原图3………………………………………………………………………...59
图7-1USB摄像头拍摄图…………………………………………………………………...65
表格清单
表5-1MQ135的标准工作条件规格表…………………………………………….……….24
表5-2MQ135的环境条件规格表……………………………………………………….….24
表5-3MQ135的灵敏度特性表………………………………………………………….….24
表5-4SIM900A主要特性……………………………………………………………….….25
表5-5SIM接口引脚定义……………………………………………………………….…..28
表7-1温度测试结果分析表…………………………………………………………….….64
表7-2湿度测试结果表……………………………………………………………….…….64
表7-3烟雾测试结果分析表………………………………………………………….…….65
表7-4GPRS报警测试结果分析表…………………………………………………….…...66
表7-5GPRS蜂鸣器报警测试结果分析表…………………………………………….…...66
引言
随着造林事业的不断发展，林地面积、林业蓄积量逐年增加，防火工作是首要任务。
森林火灾作为森林三大自然灾害之首，能在短时间内烧毁大片森林，造成巨大损失，如何对森林火险进行实时、准确的监测预警，进而为林火的预防和灭火指挥提供决策支持，已成为亟待解决的问题。
近几十年,我国森林防火行业也取得了长足的发展，但由于研究经费严重不足，研究深度不够等原因，我国森林防火行业的科研整体水平与世界水平还有很大的差距，森林防火的应用基础研究不够深入和连续，没有成熟完善的森林火灾预警系统。
基于ARM的嵌入式森林防火预警系统可以长期对森林进行监控，能够对森林中的各种数据进行采集分析，时刻关注森林情况。
无论有无监控人员进行监测，只要有异常发生，都能够及时进行报警，对森林火灾的预警有重要意义。
本系统是基于远程监控在无线网络和嵌入式技术上的应用。
是根据基于嵌入式领域的发展趋势，开发的一套基于ARM9-Linux模式的嵌入式森林防火监控系统。
利用无线网络能够进行远程监控，嵌入式技术和无线移动网络技术的融合，实现了远程实时图像的监控，可以被广泛地应用在不同的场合监控[1]，由于能够打破时间、空间的限制，嵌入式监控技术已经成为监控领域中的热点。
第1章绪论
1.1课题背景及意义
森林火灾是林业的灾难，是森林的最可怕的敌人。
森林火灾具有突发性、灾害发生的随机性、短时间内能造成巨大损失的特点，它会给森林带来最有害，最具有毁灭性的后果。
森林火灾不但烧毁成片的森林，伤害林内的动物，而且还降低森林的繁殖能力，引起土壤的贫瘠和破坏森林涵养水源的作用，甚至会导致生态环境失去平衡。
尽管当今世界的科学在日新月异地向前发展，但是，人类在制服森林火灾上，却依然尚未取得长久的进展。
目前,我国森林防火行业的科研整体水平与世界水平还有很大的差距。
主要体现在:
一是研究经费严重不足,与森林防火研究对象的复杂性不匹配,制约着科研水平的提高;二是研究深度不够、实用性差,成果转化率低;三是重大关键问题突破困难。
主要是森林火灾的高效扑救工具和扑救技术等问题。
由于问题的复杂性和现有科研水平的限制,研究进展缓慢;四是基础研究薄弱。
林火生态学、森林火灾损失评估等工作开展少,应用成果少;五是研究力量薄弱。
专业研究机构和人员数量少;研究人员知识结构不合理,缺乏多学科交叉的机制;实验手段落后,缺乏野外试验基地和协作机制。
总之,这些问题导致森林防火的应用基础研究不够深入和连续,严重影响了我国森林防火行业的发展。
我国只有少数部分的森林防火工作到位，大部分的地区森林防火体系不健全。
火灾发生率较高和受害率仍然偏高，森林防火手段落后，火情发现迟、报警慢,小火容易变成大祸。
新形势下做好森林防火工作必要性众所周知,森林防火它的重要性,它是维护气候稳定的关键[2].
火灾扑救是否及时，决策是否得当，重要原因都取决于对林火行为的发现是否及时，分析是否准确合理，决策措施是否得当。
为此国内外都在为预防、减少和控制森林火灾而努力。
1.森林防火是保护森林发展林业的需要
森林火灾是森林三大自然灾害之首，防止火灾就是保护森林。
森林是发展林业的基础，没有森林就没有林业。
森林防火是保护森林资源和发展林业事业的基础工作。
林业是国民经济的重要组成部分。
森林防火的好坏，将严重影响国民经济快速发展。
2.森林防火是保护生态建设的需要
火灾可以使森林毁于一瞬,而恢复往往需要几十年甚至数百年。
森林是人类及野生动物赖以生存的良好环境。
众所周知，森林在维持和保护生态环境方面具有十分重要的作用。
然而，森林火灾会使森林的这些功能减弱，甚至消失。
因此，防止森林火灾就是保护生态环境。
3.森林防火是社会安定的需要
在林区，森林防火关系到千家万户，森林是林区人民赖以生存的物质基础，森林火灾会使森林遭受破坏，甚至消失，给林区人民生产生活带来困难。
另外，森林火灾还会直接威胁林区人民的生命财产安全。
森林防火不仅要防止意外因素引发的森林火灾，而且还要同少数不法分子作斗争，防止其故意纵火，维护林区社会安定。
扑救森林火灾要消耗大量的人力、物力和财力,影响工农业生产。
有时还可能造成人身伤亡,影响社会的安定。
我区正处在经济转型的关键时期，需要一个安定的社会环境。
因此森林防火工作是保障我区社会安定的需要。
基于arm的嵌入式的研究意义：
本系统的设计是基于ARM-Linux计算机嵌入式系统的设计。
由于融合了计算机技术、数字通信技术、半导体技术等多种技术，符合当前电子类设备对体积，成本，性能的需求，而得到了高速的发展。
嵌入式系统不同于原来的单片机系统,它不仅有自己的操作系统，上层应用程序,而且还具备网络通信和信息管理功能。
ARM体系的处理器是目前嵌入式系统中使用最广泛的处理器。
它采用了RISC技术，具有寻址方式简单,寄存器多，指令长度固定等特点，使得它的处理速度快、执行效率高。
由于Linux对于ARM技术的支持,具有内核可裁减，网络功能强大，代码开放的特点，把Linux应用到嵌入式系统中,能充分发挥ARM和Linux的优势[3]。
1.2国内外发展现状和存在问题
1.2.1国外现状
随着科学技术的进步和森林防火信息化需求的逐渐升级，新的火灾探测器也不断出现，气象科学、遥感技术、电子计算机、激光、通讯和航空航天技术的蓬勃发展，化学和生物技术的不断革新，加上现代科学管理的渗透，为森林防火提供了先进的手段和技术条件。
如林火预测预报、红外线监测林火、雷达监测林火、激光监测林火、卫星遥感监测林火、通讯、人工降雨灭火、飞机灭火以及计算机林火管理系统等新技术的应用，为有效地控制森林火灾的发生，把森林火灾的损失降低到最低限度提供了保证。
国外森林防火行业在对现代高科技的应用与研究主要表现在以下两方面：
首先是以计算机应用技术为主的林火管理系统（包括计算机网络传输与通信系统、森林防火辅助决策系统、火场图像实时传输系统，与航天技术结合的地理信息系统、定位跟踪系统、预测预报系统等，与现代视频技术结合的林火监测系统、视频指挥系统等）应用研究，其次是与航空技术结合高效灭火装置、灭火剂的应用研究等。
1.2.2国内森林防火现状
森林火灾监测技术是森林防火技术的重要组成部分，目前森林火灾监测技术已经逐渐从单一的地面林火监测向地面、航空与航天遥感立体林火监测转变,这种立体监测包括地面巡护、瞭望台监测、飞机巡护监测和卫星监测4个层次，虽然这种转变能够更好的对森林火灾进行监测，但是近年来，由于受到全球气候异常的影响，我国许多地区高温、干旱、大风和极端冻害天气增多，致使森林火险等级持续居高不下。
夏季的雷击火，冬季的反常火灾频频发生，森林火灾的发生已经完全突破了以往防火期的概念，森林防火形势严峻[20]。
保护森林资源逐渐受到人们的高度重视及广泛关注，防护森林火灾已经成为林业主管部门和各级政府部门致力于研究的重大课题。
由此可见，森林火灾预警体系，有着非常重要的社会及现实意义[21]。
1.2.3我国森林防火预警中存在的问题
正是因为我国森林防火预警工作体系的开展步伐相对较晚，尤其是在很大程度上受到科研力量、基础理论研究及技术以及资金等一系列条件的束缚，这便使得森林防火预警体系工作中有着许多有待于解决的问题存在[21]。
主要表现在：
1.基础设施比较薄弱
我国森林防火预警工作的数据主要来源于国家气象观测网，但是观测地点几乎都远离森林，使得许多重要林区和高火险区都没有气象观测资料。
此外，由于国家对森林防火工作投入不足，行业部门之间数据无法共享等问题，也影响了森林防火工作的开展。
2.森林管理难度较大
绝大部分的森林资源都生长在山区，地形复杂，小道众多，给森林管理造成一定的难度[23]。
3.管理工作有待规范
森林防火预警体系的建设不是一蹴而就的，而是有着较强的复杂性且覆盖极广的一个大系统，迫切的需要家相关部门最大限度的加强火灾预警工作的规范化以及标准化。
4.科研工作较为落后
现阶段我国大多数区域在预报森林火险等级的工作上依旧是一大空白,未切实形成森林火险全性的预报预测体系,有待于进一步研究与我森林火险等级相适应的的预报模型。
1.3远程监控系统介绍
远程监控指本地计算机或监控终端通过网络对远端的设备进行检测与控制。
它是计算机技术、信息技术、及网络技术在监控系统中结合的产物。
主要包括远程监视和远程控制两部分[24][25]。
通过远程监控,技术人员无须亲临现场，就可以进行监视。
当现场地理位置比较偏僻或条件比较恶劣时，这一点就显得尤为重要。
通过远程监控还可以实现现场数据的实时采集和存储,更加清楚的了解现场。
实现远程监控的系统架构分为：
1.基于WEB技术以HTTP协议和WWW规范为基础的B/S（Browser/server）模型。
其特点是监控端使用统一的WEB浏览器控制,无需开发监控端程序;远程设备通过嵌入式WEB服务器,响应监控端[26]。
2.基于socket的C/S（client/serve）模型。
其特点是直接以TCP/IP协议为基础,需要同时开发监控端和目标机的程序。
目前，嵌入式技术以及网络服务技术的不断快速发展，使得远程监控技术越来越完善。
林火监控系统必然会更加成熟，相信在不久的将来，基于嵌入式的远程森林防火技术必然会大规模的应用于森林防火预警。
1.4课题的主要内容
本课题拟研究一种基于ARM的嵌入式森林防火预警系统。
旨在开发出一种卓有成效的森林防火预警系统，以取得森林防火技术的进步。
本设计以嵌入式ARM-Linux系统构建，使用u-boot，修改并移植到ARM9IC中的NORFLASH存储器，作为Linux系统启动的BootLoader。
使用Linux-2.6.32.2版本内核,裁剪并移植内核模块，构建ARM9简易Linux操作系统内核。
使用busybox，利用其以构建成型的Linux的shell命令建立根文件系统，实现驱动程序的加载，以使得不同功能模块正常工作采用模块化的设计思想，分为主控模块（嵌入ARM9微处理器的IC）和不同的功能模块（GPRS、温湿度传感器、烟雾传感器、摄像头等），硬件机制能否满足不同模块独自工作而不相互影响，并且能够满足需求扩展而增添不同的模块。
首先通过查阅大量相关资料，了解森林防火预警的条件，即如何实时观测森林状况，如何识别森林起火，如何进行报警等等。
本课题是基于ARM的嵌入式技术，要在软硬件结合的基础上进行设计开发.
本设计主要分为以下六个大步骤：
1.UbuntuOS下安装交叉编译环境，以便编译出能够在ARM9平台运行的驱动模块；
2.UbuntuOS下安装tftp服务器，以便后期驱动的下载；
3.使用uboot进行BootLoader的移植；
4.使用Linux-2.6.32.2版本内核，在交叉编译环境下进行内核的编译与移植；
5.使用busybox创建根文件系统，为驱动软件的装载提供运行环境；
6.编写各个模块的驱动，并使用tftp服务器下载到ARM的nandflash，以使各个模块能够正常运行；
本系统由以下五个模块组成：
1.视频显示模块
反映现场的森林状况，使用USB摄像头将实时的视频信息传送到监控处，清楚了解现场情况；
2.温度湿度和烟雾模块
系统监控森林现场的温度高低，烟雾浓度大小，当发现指标高于预定的阀值时，便会向系统发出报警信号；
3.GPRS模块
系统采用GPRS模块发送无线数据，当监视到森林环境异常而报警时，GPRS模块便会发送相应信息到工作人员的移动终端（如智能手机），告知现场情况；
4.BEEP报警
系统装有蜂鸣器，在检测到异常时会鸣起蜂鸣器报警；
5.ARM9核心嵌入式控制模块
本模块是系统的总司令部，系统的一切消息反应都是由此模块进行数据分析和处理，从而做出正确的反应；
本设计总有七章，分别如下：
第一章介绍了本课题研究的背景，分析了嵌入式的现状和远程监控，以及本课题的研究目的和意义，提出了本文的研究内容和章节安排。
第二章介绍了与本课题相关的知识，包括硬件平台，开发环境，嵌入式发展趋势等。
第三章对嵌入式监控森林火灾系统的实现进行了可行性分析，并从开发者技术及需要实现的功能做需求分析。
第四章主要描述了系
升级会员 