基于4g技术的森林火灾报警系统的设计

页第一章绪论1.1研究背景于中国相比，西方对森林火灾报警系统的重视程度更高，也正因为此，他们更注重对森林火灾报警系统的研究，并在此方面拥有世界领先的技术，成绩突出。但是由于这些警报系统的精密而导致他们的安装费用过于昂贵，以德国研制的Fire-Watch森林火灾智能报警系统为例，它的检测面积可以达到十公里以外，而在勃兰登堡的一百多套就耗资六千万美金，每套的市场安装价格高达五十万美元。美国为了预防森林火灾，采用“大地”卫星绕地球高速运转来探测地面浓烟地区，热带地区或者火灾易发地址。甚至采用了红外遥感火灾预警飞机和护林飞机以及无人驾驶飞机二十四小时监控地面森林情况，防止火灾发生。尽管如此森林火灾发生率有所下降，但是费用依旧高昂。加拿大检测森林火灾的拥有最新技术的直升飞机的飞行耗资达到五千至六千加元。更不用提通过地球卫星巡视，通过达到微米波长的红外线对森林表面温度进行检测来预防森林火灾的发生，同样耗资巨大。由于国外森林火灾的预警技术需要高空地球卫星的合作，实施异常复杂考虑因素也较多，而采用节点式火灾警报器也需要高额的费用，政府难以承受，此外，考虑到中国拥有的广大森林面积，完全照搬国外的森林火灾预警机制显然不是最好的选择。中国在现有的森林火灾预警系统中还存在许多问题，尽管现在中国已经有了瞭望台观测、地面巡逻，无人机巡护，人造卫星遥感相结合的全方位人工检测，但由于地区分割和通信技术的限制，森林火灾预警机制并没有达到联动高效的运作。同时，这些观测手段和技术都是单独运作，彼此没有很好的联系。为了解决这些问题，我国开始研究无线传感技术在森林火灾预警体制中的作用，在我国现有的科技成果的基础上，通过无线传感的确优化了我国现有的预警方案，能够优化所建立的模型，整合科技并完善形成的综合检测系统，但笔者经过调查研究发现，我国森林火灾预警机制仍存在许多的问题，对于实现预警体制中许多的数据模型还有很多困难。一方面信息经过数学的处理后容易出现误差，加上信息缺少多源的参照和融合，极易导致误判和高级领导的决策失误。其中体现最明显的就是地面巡逻。地面巡逻也是我国比较常见的检测方式，主要通过对群众宣传，检测人为火源，对过往人员车辆及其户外活动及生活用火进行人为的检查和督促，进一步也会使用瞭望台观测，但是瞭望台存在盲区，仍需人力检查。但同时它也存在很多问题，例如，视野受阻，巡视范围小等，加上地势崎岖树林茂盛，检测存在一定的困难并且容易造成误判，给出错误的指示。甚至在人烟稀少，交通困难的地区，连人力也无法到达，这样就严重限制了相关安全检测的实施，也就更加容易因疏忽而导致森林火灾的发生。为了解决这些问题，能采用的只是增加人力资源，交通费用和人员工资，以及安装视频监控来代替人工的方法。在地面巡视后是瞭望台巡视，同样也需要人力来侦查，定位火源发生的地点位置，并作出紧急的防护措施同时快速报警。检测面积宽阔，效果较好是瞭望台检测的优势，但它同样有偏远山区无法搭建瞭望塔进行观测的缺陷。此外它受地形限制影响极大，也极易存在盲区和漏区，对于拥有广大森林面积的地域并不适合采用瞭望台观测法来对火灾进行检测。在存在余火，隐火，烟雾浓度大的火灾现场和阴雨天气下都无法进行良好的检测和预警帮助。由于这仍然是一种人工观测，依靠的是检测人员本身的工作经验，所以难以避免误判和判断不及时的缺点。同时也无法保证观测人员的自身安全。运用观测视野面积大，飞行动作快，随意性强的无人驾驶飞机巡视进行森林火灾检测也是一种方法，能够及时对火场周边和火势发展做出分析并快速反馈给相关机构。但不可避免的，在夜间风大，能见度的时候，加上时间和巡航的限制，能观察的地方也有限，就需要不间断的飞行观测，需要不停的有飞机巡逻接班。很多时候容易因为错过侦查时机而导致火灾的发生。此外，二千元每小时的无人机巡逻费用也让它成为不能长久使用的方法。为了减少高额的无人机巡逻费用，就需要额外的节点的视频监视来辅助。与上述方法相较，卫星数字遥感监测则是最好的选择。它能快速取得可靠的数据，且由于采用数字遥感估算森林火灾面积，能探测的区域较为广泛，数据资料的收集也比上述方法要方便许多。逼真还原的视频和不受位置条件限制收集的数据资料能及时反映火情，帮助人们做出最快的措施。1.2研究目的和意义森林火灾在破坏森林资源的三大自然灾害即火灾病害和虫害中位居首位。因此也早已被人们熟知，时常能在报纸上见到的重大新闻。它的危害不仅仅是造成巨大的经济损失，对人们的生活和财产安全带来威胁，更重要的是它对生态环境的破坏是难以想象的。所以对森林火灾发生的减少和控制是现在各国面临的一个重要问题。在森林火灾发生前，有效的预防和预警极为重要。在森林火灾爆发是，如何及时扑灭火灾，减少对森林的破坏和人们经济财产损失也值得我们思考。我想，最基础的就是对人们进行思想教育，加强森林防火的宣传教育，杜绝森林火种的产生。火灾发生时，森林火灾预报机制需要能够高效的运转，报警和出警必须及时高效，才能及时扑灭火灾，减少损失。森林火灾的报警系统可以通过火星感测装置来及时反映森林中火灾的发生，可以有效的来解决未及时发现的火灾问题，对森林火灾问题做出即时预警，通过这一系统可以很大程度减少由于森林火灾尚未发现而造成的巨大后果。1.3研究内容第一章为绪论部分，对论文的结构做了简单的介绍，并介绍了论文课题选取的背景，原因和来源，分析了本课题的研究目的和意义，突出了研究的内容和创新点。详细分析森林火灾实时监控传感器网络以及解析4G传感网络的体系结构为第二章的主要内容。其中还包括介绍4G传感网络的特征，以及对其研究进展和技术标准的概述。第三章对智能森林防火实时监控系统进行了研究，对其设计进行了详细描述，详细论述了系统的可行性以及它在实地进行森林火灾预报是需要满足的性能指标。对系统的可靠性和设计方法进行了研究总结。第四章对森林火灾实时监控系统的传感器网络设计进行了分析。在最后第五章对全文做了总结，并讨论了未来的研究方向。第二章森林火灾实时监控传感器网络概述2.14G传感网络的体系结构4G是第四代移动电话行动通信标准的外语缩写，指的是第四代移动通信技术。TD-LTE和FDD-LTE两种制式为该技术的主要内容，其中LTE由于并未被3GPP认可为国际电信联盟所描述的下一代无线通讯标准IMT-Advanced，所以严格意义上来讲，尽管被宣传为4G无线标准，LTE只是3.9G，国际电信联盟对4G的要求的只有升级版的LTEAdvanced4G具有能够快速传输数据、高质量、图像、视频和音频等的特点被广泛运用，相较3G，4G有着不可比拟的优越性。4G本身是集3G与WLAN于一体的，比目前的家用宽带ADSL（4兆）快25倍即100Mbps以上的速度下载。此外4G的部署范围广泛，可以部署在在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方因此几乎可以满足所有用户对于无线服务的要求。物理网络层、应用网络层、中间环境层为4G移动系统网络结构的三层。（1）物理层有核心网和无线的结合格式完成，同时提供接入和路由选择功能（2）物理网络层与中间环境层及其应用环境之间的接口是开放的，由于它能运行于多个频带，所以他提供新的应用服务将更为便捷，高数据率的无线服务的提供也更为容易。（3）中间环境层的功能有QoS映射、地址变换和完全性管理等。2.24G传感网络特征优点:通信迅速:为了加快电话或移动通信访问因特网的速度，专家才开始钻研4g，所以4g最明显的优势便是它拥有更强更快的无线通信速度。在移通通信传送数据的速度方面，第一代是只能研发出语音功能方面的服务模拟式；第二代的数位式相比第一代进步了很多例如PHS,但是通信系统的传送速度也只能达到约10比特率，32比特率已经是最高的了;第三代的传送速度已经进步到约2兆比特每秒；到了第四代，移动传输的速度最高都可以到100兆比特每秒，已经是第三代出现的手机速度的50倍，是2009年新款手机传送速度的一万倍了。频率分布曲线宽:通信供应商只有对3G网络进行彻底的改革和钻研，才能使新出现的4G网络的传输速度达到100兆比特率每秒，只有这样4G网络的通信带宽才能比3G的带宽高。专业研究通信的CEO指出，每个4G网络占有的频谱比得上3G网络的20倍，大约可以占100兆赫的频谱。通信的灵敏性高:根据实际意义来看，“电话机”这样的称号已经不能概括4G手机了，4G手机现在的功能已经不只是“电话机”那样只有语音数据的传送功能了，它现在已经称得上是一台电脑了。而且它的样式外壳也会有很大的改进，只有人们想不到的没有它做不到的，像眼睛、手表等我们平常都在用的物件都很有可能会被做成移动终端。更智能:这几代手机的智能性一代比一代高,4G网络的终端设施的创意和操作系统都更智能，比如4g不完全依赖菜单和滚动式的操作，而且在将来许多你想象不到的功能都可以在4G设备上实现。可以想象一下4g可以在特定时间，特定环境或其他特定的因素下准时的警报，使主人明白此时要做什么不要做什么；像电影的各种售票情况资源资料，在以后都可以直接被下载，而观众就可以根据现实的座位和票房来选择想观看的电影和座位;或者把4g当成一台电脑，观看直播比赛或体育节目。2014年的4g可以被用于LGG3中，它还可能装双卡，还拥有容量为3千毫安的可拆的电池。强大的兼容性:4g如果仅仅只有强大的功能，那还不能快速的被广大用户所接受，想要尽快被接受，它还要有通信基础，是用户在花钱少的情况下还能享受到4g的服务。根据这一点来看，全球漫游，开放式接口，网络的互联还有多样式的终端服务都是将来4g必须拥有的功能，它还要在第二代的基础上平稳的过渡下来才行。提供增值服务：4G通信同原先的3G通信技术相比在很多方面有着非常明显的差别，它们本质上的核心技术就是完全不一样的，原先的3G移动通信系统的核心技术选择的是传统的CDMA技术，这种技术已经逐步过时了，而正在广泛使用的4G移动通信系统技术的核心技术选取的是正交多任务分频技术，通过这种技术的广泛使用，人们能够很容易的实现一些无线通信增值服务；由于移动通信技术的复杂性，在第四代移动通信系统的建设过程当中肯定不会只有OFDM这一种技术，单一的技术是不可能完成一个如此庞大的通信系统建设的。CDMA技术也不会被完全抛弃，在新时代的通信网络建设过程中OFDM技术会和之前的CDMA技术相互写作共同建设新型的网络通信系统胡先局胡先局.浅谈森林防火无线视频监控系统的运用[J].农民致富之友，2018（03）：186.高质量通信：第四代移动通信技术的发展主要是为了迎合广大通信用户数量的急剧增加，除此之外，第四代移动通信技术还要必须适应各种类多媒体要求越来越高的传输需求。频率效率高：第四代移动通信技术在很多方面有着突破性的进展，比方说相当一部分的光纤通信产品企业为了达到尽可能提高无线因特网的主干带宽宽度的目的，根据实际情况他们通常都会选择交换层级技术的使用，这种技术最大的优势在于可以实现同时涵盖不一样种类的通信接口。由于采用了最为先进的科研技术，在这种情况下无线频率的显得更为有效。根据研究人员的研究统计数据可以得出结论，最终的无限网络下载速率可以达到5Mbps到10Mbps的速率。费用便宜：4G通信从根本上解决了与3G通信的兼容性的难题，这一突破使得更多的普通通信用户可以开始享受4G通信所带来的优越感，而且4G通信是应用了诸多先进通信技术的结果，在这种情况下，4G通信的部署过程就显得十分容易；相关的科研人员在建设4G通信网络系统的过程当中，营运商通常都会选择逐步引入的方式进行4G通信网络系统的建设，这种方案最主要的好处就是可以有效节省用户以及运营商的各项费用。对于绝大多数的人而言，未来的4G通信的发展方向还不是很确定，绝大部分的人都觉得第四代无线通信网络系统已经是最为复杂的系统了，很难有更先进的系统取而代之。毫无疑问的是第四代无线通信网络在逐步发展的过程当中出现了一些高难度的技术问题。这些技术问题通常说来都会同互联网信息技术息息相关，真正想要解决这些难题恐怕需要更多的时间和精力。4G传感网络特征的缺陷介绍如下：首先第一点相关的设施更新速度十分缓慢：在对4G通信网络系统进行全面部署之前，整个全球范围内的大部分无线基础设施都是基于第三代移动通信系统建立的只有将全球范围内广布的无线基础设施全部进行新一代的升级和更换，才能实现通信技术向第四代的转移升级，而全面升级将会带来的影响是阻碍4G通信技术打入整个市场，甚至会影响它的成长效率。随之而来的是，3G通信终端必须要升级到4G终端为了配合4G所要求的数据传输的快速性和这一升级带来的数据业务变更，换言之通信终端的升级要迅速适应网络建设，4G通信终端的建设不能滞后于4G通信网络建成。但事实情况表明，4G通信技术全面进入市场到消费者可以使用这一成果时间需要两三年之久。技术要求难度大：现在4G通信的研究已有初步进展，虽然4G通信的出现向人们展望美好的图景，但是普及还需要时间。据技术研究人员表明，4G通信向高速下载技术的飞跃还有许多未能解决的问题。举个例子，4G通信的信号强度会受地区的影响比如高楼，山地甚至是有障碍物的地区，它的信号会出现不稳定的情况。针对这一问题DoCoMo（一家日本通信公司）承诺，会通过不断测试各种编码技术以及传输技术的方式，以达到解决问题的目的。另一个问题是移动技术不成熟，通信载体在移动的过程中由于基站的覆盖区域的变换导致网络丢失，无法联网等情况的发生。因为4G通信网络的架构的复杂性，增加了这个问题解决的难度。但是，据专家表明，这一问题并不是无法解决的，只要投入时间就一定会有收获。标准没有统一性：按照通信原理，3G覆盖全球范围，通信载体在任何地方都可以使用，但因为各个地区的标准没有统一，不同的系统不能同时使用，带来许多通信的麻烦。因此，只有解决通信制式全球统一的标准化问题才能保证4G通信技术的顺利发展。对此各国通信公司看法不一。市场消化耗时过长：在3G转变升级为4G的途中，只要4G通信受到某种原因比如系统.终端某一方的供应不足而放缓进程，在通信技术迅猛发展的当代5G的技术的研发将对严重影响到4G通信的盈利，4G通信投资回收耗时过长会成为盈利计划致命的缺点。容量受限影响速度：4G通信作为更新换代的亮点也是人们最期待的一点在于传输速度的飞跃，根据研究预想4G通信的宽带速度将达到100Mbps每秒，也就是一秒下载的内容达到12.5MB，这个数据是20世纪初更新的最快信息传输速度（每秒10KB）的1000多倍，但它的缺点是速度上有一定限制，如在有限的系统容量中，随着手机用户的增多，信息传输速度会越来越慢。专家表明，4G手机想要达到的速度将会是一个理论数字，无法在现实中实现。4G通信受速度限制的影响，将无法达到预期。其他原因：随着手机包容的功能越来越多，无线通信网络日益复杂化。同理4G通信的功能越强大，技术的研发也就越复杂和困难。众所周知，当推出新的技术或设备时，如果与之相应的软件设计和开发滞后，那么这项新的技术或设备就无法迅速进入市场。目前4G通信还在研发过程中，与之相关的设备和技术还为成熟，导致与之相应的软件设计和开发面临滞后的危机，这是一件十分遗憾的事；最后一点是费率和计费方式。这一点在移动数据市场的发展中将起到举足轻重的作用，举例说明，集移动电话与移动电脑于一身的新型通讯工具WAP手机出现后，它的收费方式是按时间及信息内容，但是手机用户必须要花费大量的联网时间以获取信息内容，这一点引起了诸多不满。为了顺利推进4G通信的市场发展研究出一套合理的收费系统是必要的。2.34G传感网络的研究进展及技术标准技术研究和开发阶段：从2001年末开始经过两年的时间，以Beyond3G/4G空中接口技术展开讨论研究，在这一系统中围绕无线传输系统有关的核心硬以及软件开发开展工作，并完成与之相应的传输实验，向国际电信联盟电信标准分局上报这一研究结果；从2004年初到2005年末，经过努力这一技术研究水平逐步提高，而日益成熟，对应的包括与无线自组织网络以及游牧无线接入网络的互联互通技术研究等总体技术研究正在进行，开发联网试验以及其相关的演示工作，以期待构建能够展示Beyond3G/4G这一技术含量的演示系统，将第四代无线通信体制标准向ITU提交说明；从2006年初2010年末，通过设立重大专项研究，激励通用研究系统实用化和无线环境的体制标准，并对此开展大规模的实验。技术的运用实行阶段：2010年掀起国外大头运营商重视4G建设的热潮，一些权威机构预估这一阶段将持续三年时间。2012年，国家信息化和工业建设部的领托人说明：4G的时代将要来临，运营4G的许可证在不到一年的时间里就可以下发到运营商手中。2013年，"谷歌光纤"这一概念迅速在全球范围内流行开来，谷歌光纤不仅在美国的推行获得成功，还进一步打开了面向东南亚和非洲的市场，助理了4G网络在全球的发展。2013年中旬，在总理李克强开展的国务院常务会议众，对3G网络提出全面覆盖以及提升质量的要求，并且要求实现4G牌照能过在2013年发放。在12月4日4G牌照实现正式下发给中国三大运营商，移动、电信以及联全部被发放TD-LTE牌照，遗憾的是联通和电信这两大运营商十分看好的FDD-LTE牌照并没有在同一时间段发放。2013年的12月18日，位于广州的中国移动官方发布一则消息：致力发展全球范围内的最大4G网络。2014年之前，深圳.广州、北京、上海、大小16个城市将迎来4G时代；并且估计用一年的时间，使340个以上的城市可以享受到4G网络的覆盖。2014年一月，全国首条实现移动4G网络全覆盖的铁路诞生了，京津城际高铁中覆盖的4G网络，能在速度300公里每小时的高铁中实现高速的业务下载任务，只需要几分钟就可以实现下载2G的任务。与此同时3G信号也被进一步增强。2014年一月二十日，中国联通分别在珠江三角洲地区以及周围以深圳为代表的大小十多个城市以及地区开通42M业务，改善后的3G网络都能实现这一标准真正达到全网升级，并承诺在2014年以内推进全国覆盖3G网络的所有城市和广大地区完成42M的改善工作。2014年七月二十一日，中国移动发表承诺，不断推进4G网络建设、收费公正透明、减少垃圾信息的大小6中服务。中国移动还承诺了，会继续普及4G资费。直至2015年末，全国范围内有15.37亿户使用电话，13.06亿户使用的是移动电话，其中4G用户高达3.86225亿户，所占的比例为29.6%。4G传感网络的核心技术内容介绍如下：首先第一个将会介绍到的是调制与编码技术的内容：最新的4G移动通信系统在开发研究的过程中选取的调制技术最为先进，这些先进调制技术最为主要的作用在于能够最大限度保证频谱利用率，除此之外还可以尽可能的延长用户终端电池的使用时间长度。从编码方案的角度来说4G移动通信系统也同样选取了更为先进的技术，比方说分集接收技术等，这些技术最大限度的保证系统拥有非常出色的性能。第二点将要着重介绍的是4G传感网络的多址方案以及接入方式的相关内容：众所周知的是正交频分复用是现有使用过程中最为常见的高速传输技术，这种技术工作的基本原理简单点描述即是在频域内将原先已有的给定信道进一步变成数量众多的正交子信道，紧接着将4G应用在每一个具体的子信道上：第三点将会重点介绍的是高性能的接收机的相关内容：4G移动通信系统由于其特殊性对接收机的要求特别高。世界著名的通信专家提出了香浓定理，该定理的内容介绍如下：按照香浓定理的内容，能够准确的计算得出以下数据，在原有的3G系统的环境下，在数据速率的大小为2Mb/s，信道带宽的大小为5MHz的时候，计算得出需要的SNR的数值为l.2dB；而在经过4G系统的改善之后，同样的条件下，计算得到需要的SNR的数值为12dB。由此可以看出4G系统的优越性十分明显，在这种情况下，也就导致了在4G移动通信系统当中对接收机的性能要求比较高。第四点将会重点介绍的是智能天线技术的相关内容：在4G移动通信系统当中智能天线的主要作用是用来抑制信号干扰的，由于智能天线技术还不是很成熟，很多方面的应用还有待开发，智能天线技术毫无疑问是未来移动通信的核心技术之一，发展潜力巨大。第五点将会重点介绍的是MIMO技术的相关内容：MIMO技术中文当中即是多输入多输出技术，从本质上来说，MIMO技术是一种空间分集的技术，从基本工作原理上来说它本质上选取的是分立式多天线，在4G移动通信系统当中可以将原有的通信链路做进一步分解操作，进而变成数量很多的并行子信道，这对于网络传输过程中的容量提升有着非常重要的作用。通过相关的实验研究可以得出结论，在不同的发射天线以及不同的接收天线之间没有相关性的情况下，MIMO系统可以对通信过程中的抗衰落和噪声性能有一个很明显的提升。所以，在一般的功率带宽有一定限制条件的无线信道中，通过使用MIMO技术可以帮助实现通信信道的数据传输速率，除此之外还可以提高系统容量。特别是在在无线频谱资源以及相关技术不是很发达的现在，已有的MIMO系统的在通信系统当中必将会扮演更为重要的角色。第六点将会重点介绍的软件无线电技术的相关内容：软件无线电从本质上来说是将不同种类的硬件功能单元，通过软件加载方法在一个通用的硬件平台当中来完成无线电通信系统的新兴技术。该技术的基本原理是在天线附近的范围内通过宽带A/D以及D/A变换器的使用，通信传输过程当中的不同功能以及各种信号处理操作基本都是通过软件来进行操作的。软件无线电技术的广泛应用能够使得通信传输的过程拥有更好的灵活性，适应能力也更强，通信传输系统可以对各种类网络以及空中接口有着非常好的适应性。软件无线电技术还有一个非常好的特性就是可以实现可变QoS，这种特性可以在多种应用当中实现。第七点将会重点介绍的是基于IP的核心网的相关内容：我们一般所说的新型的移动通信系统的核心网本质上来说是属于基于全IP的网络，这种网络同原有过时移动网络对比来说具有很明显的优越性，这种优越性主要体现在新型的网络能够实现不同网络间的互联畅通无阻。核心网的组织架构是完全开放的，对于不同种类的空中接口都是被允许接入核心网的；除此之外核心网还可以实现把通信网络当中的业务、控制和传输等过程进行分开独立操作。在这种新型的网络环境中IP同不同种类的无线接入协议互不排斥，在这种情况下设计核心网络的时候就可以有很好的的灵活性。最后一种将会介绍到的技术是多用户检测技术：这种技术在通信传输的过程中的主要作用是用来进行增加系统的抗干扰性能的，因此它在移动通信传输系统当中的地位非常重要。在实际应用的通信系统当中，不同种类的用户之间的信号都不是完全无关的，在这种情况下多址干扰的存在就显得非常有用了。单个用户产生的多址干扰几乎可以忽略不计，但是用户数量达到一定程度的时候，多址干扰就不能被完全忽视了，它甚至会成为通信系统当中的一个主要干扰因素。多用户检测技术在原有的研究的基础上，对于通信传输过程中的全部用户信号信息对单一用户的信号过程进行详细检测，该项技术应用之后系统的抗干扰性能得到了很大的提升，除此之外对于原先的远近效应问题也得到了很好的解决，另外，多用户检测技术的使用还可以帮助通信系统的系统容量得到提升。随着更多学者加入到多用户检测技术的研究过程当中，又有一些高性能并且更为简单的多用户检测器算法被发现并应用在实际的通信系统当中，在这种大的环境下4G实际系统中应用多用户检测技术是有着非常好的发展前景的。第三章智能森林防火实时监控系统的设计3.1性能指标系统设计的各种性能指标介绍如下：监控系统的报警时延必须小于等于60秒

监控系统的误报率必须在5%的范围内

监控系统的平均维护周期大约为1年的时间

监控系统的调制方式根据实际情况的需要选取的是FSK

监控系统的工作频率应该保持在433MHz

监控系统的发射功率应该控制在‐20–10dBm的范围内

监控系统的接收灵敏度应该控制在‐101dBm监控系统的发射电流应该保持在大小为26mA

监控系统的接收电流大小应该为7.5mA

监控系统的睡眠电流大小应该为2uA

监控系统的数据传输速率应该可以达到10MB/s

监控系统的工作温度应该控制在‐10℃—85℃的范围之内

监控系统的工作湿度/存储湿度应该保持在5%‐‐95%相对湿度范围之内

监控系统的设计的外形尺寸大小应该为55x32x6(mm)3.2系统设计的方法3.2.1系统整体结构本设计所实现的无线温度采集系统以C51RF-3-PK开发平台为核心C51RF-3-PK使用说明书C51RF-3-PK使用说明书选取该工具箱的主要原因有以下几点：（1）该工具箱当中全部例子程序都是通过源代码方式提供；（2）该工具箱当中硬件系统以及软件代码程序自主设计完成都拥有长期的技术支持。（3）该工具箱当中具有液晶显示。相关数据显示十分直观；（4）该工具箱当中具有在线下载、调试以及仿真功能，这是其他工具箱所没有的；（5）该工具箱当中主要使用C51编程。这种编程方式比较简单、容易学习；（6）该工具箱当中拥有功能非常强大的C51RF-3仿真器。（7）该工具箱当中具有USB高速下载、并且还可以支持IAR集成开发环境；（8）该工具箱当中扩展板可以实现提供各种扩展、多种传感器；（9）该工具箱当中可以实现提供ZigBee协议栈源代码；（10）使用该工具箱的过程中进行开发十分方便、快捷、简单；（11）该工具箱当中可以有多年高频设计工程师提供专业技术支持，使用过程没有后顾之忧；（13）该工具箱当中拥有多种扩展板，这其中除了有简单开发按键之外还拥有液晶显示，十分直观。（14）该工具箱当中的配置十分灵活。系统的设计过程中能够实现根据实际系统的需求有针对性的选配不同种类的扩展开发板；系统在设计的过程中根据实际系统的需要选取了C51RF-3-PK开发系统当中的两块表演板，在系统采集温度值的时候选取的是芯片自带的温度传感器，做出这种选择也是充分发挥了C51RF-3-PK的资源丰富的特点。本系统在设计过程中主要存在以下三类节点：它们分别是路由器节点、4G协调器节点以及传感器节点。这其中4G协调器在其中所扮演的角色是分布式处理中心，也就是人们常说的汇聚节点。在系统设计当中多个传感器节点通常都会根据实际情况的需要放置在不一样的监测区域范围内，从作用上来说每个传感器节点的主要作用在于数据传输。第三部分协调器节点的主要作用在于协助同多个传感器节点进行通信，进而可以帮助系统实现多个区域的数据同时监测。除此之外还能够通过增加路由器节点的办法来保证整体网络的稳定性更强。图3-1所示是温度采集系统的组成示意图。路由器节点路由器节点传感器节点传感器节点传感器节点传感器节点传感器节点上位机Zigbee协调器节点路由器节点传感器节点传感器节点传感器节点传感器节点传感器节点图3-1温度采集系统示意图3.2.2节点的硬件设计（1）协调器节点的硬件设计协调器节点的组成部分主要包括了晶振电路、射频天线RF、无线收发器CC2430、电源模块以及串口电路等等，下面对其中的核心组成部分进行介绍。首先将会介绍到的CC2430是一种无线收发器。它的存在可以显著提高系统的性能，除此之外它还可以满足低成本，低功耗的各项严格指标。RF的I／O方式从本质上来说是高阻并且差动的。在系统设计当中选取不平衡天线的过程中，选取不平衡变压器对于系统的性能提升有很好的帮助。不平衡变压器的应用范围非常广泛。电源模块的主要作用毫无疑问就是用来对系统进行供电的，系统整体的供电电压根据实际情况的需要控制在2．0到3．6V的范围之内。4G协调器节点硬件设计如图3-2所示。UART天线MAX232RF-PRF-NRXDTXDCC2430电源模块晶振32MHz2.0-3.6V32768kHz图3-2路由器节点（2）路由器节点的硬件设计在系统的硬件设计当中路由器节点的设计非常重要，其首要的任务是把位置不一样的数据进行汇集之后从原先的传感器节点的位置传全部输到到协调器节点的位置，整个传输过程当中的电路并不复杂电路组成也十分简单。（3）传感器节点的硬件设计系统设计过程中的传感器节点的组成部分主要包括了晶振电路、射频天线RF、串口电路、无线收发器CC2430以及电源模块等等。传感器节点和硬件设计如图3-3所示。UART天线MAX232RF-PRF-NRXDTXDCC2430电源模块晶振32MHz2.0-3.6V32768kHz图3-3传感器节点3.2.3下面对每个部分的功能和指标进行详细介绍：（1）温度采集终端：根据实际情况的需要该节点位置需要放置在温度采集的具体位置。温度采集终端的主要作用体现在它能够帮助系统很好的实现与协调器绑定的建立，除此之外还可以进行准确的温度数据的实时检测。（2）信息收集终端：换言之也就是系统设计当中的协调器，从位置上来说根据实际情况的需要放置于监控室，信息收集终端存在的主要作用是可以帮助系统更好的进行网络的建立与维护操作，除此之外还可以帮助用户汇总数据信息。（3）上位机：根据实际情况的需要该节点位置需要该节点的位置也需要放置在监控室当中，上位机存在的主要作用是帮助系统汇总并且显示全部的采集温度的数据信息。同时采集到的数据通过折线图的形式展现给系统用户使用，整个数据展现过程更为直观。显示的折线图可以在不同节点之间切换。3.2.4系统的程序设计（1）设备的描述程序中，两种设备被配置：传感器和中心收集设备[3]。中心收集设备作为协调器或路由器启动，描述为：constSimpleDescriptionFormat_tzb_SimpleDesc={MY_ENDPOINT_ID,//端点MY_PROFILE_ID,//ProfileIDDEV_ID_COLLECTOR,//设备IDDEVICE_VERSION_COLLECTOR,//设备版本0，//保留NUM_IN_CMD_COLLECTOR,//输入命令数量（cId_t*）zb_InCmdList,//输入命令列表NUM_OUT_CMD_COLLECTOR,//输出命令数量（cId_t*）NULL//输出命令列表}；传感器设备的描述为：constSimpleDescriptionFormat_tzb_SimpleDesc={MY_ENDPOINT_ID,//端点MY_PROFILE_ID,//ProfileIDDEV_ID_COLLECTOR,//设备IDDEVICE_VERSION_COLLECTOR,//设备版本0，//保留NUM_IN_CMD_COLLECTOR,//输入命令数量（cId_t*）zb_InCmdList,//输入命令列表NUM_OUT_CMD_SENSOR,//输出命令数量（cId_t*）zb_OutCmdList//输出命令列表}；（2）节点类型的确定传感器程序下载成功之后，传感器节点启动类型就已经确定，而中心收集设备启动时需要确定设备的启动类型，当按键1按下的，设备将会作为一个协调器的角色完成启动，当按键2按下时，设备作为路由器启动。if（keys&HAL_KEY_SW_1）{//按键2作为路由器启动……logicalType=ZG_DEVICETYPE_COORDINATOR;……}if（keys&HAL_KEY_SW_2）{//按键2作为路由器启动……logicalType=ZG_DEVICETYPE_ROUTER;……}（3）发现和绑定在通信传输系统当中加入传感器设备加之后，进一步降火发现和绑定它到一个中心收集设备。该事件处理过程如下所示：If（event&MY_FIND_COLLECTER_EVT）{//继续发送绑定Zb_BindDevice（TRUE,SENSOR_REPORT_CMD_ID,(uint8*）NULL)；}该代码在zb_HandleOsalEvent（）函数中，是专门为用户留下的事件处理函数。可以看出，如果没有建立绑定，则传感器设备将周期性的发送绑定请求。网络启动建立成功后，中心收集设备必须进入允许绑定模式，才能对传感器发送的绑定请求做出响应。本设计中，确定中心设备的启动模式之后，按下按键1可以使设备进入绑定模式，此时LED1点亮；按下按键4可以退出绑定模式，此时LED1熄灭。（4）数据包的发送和接收绑定过程完成之后，传感器设备将会进一步的进行采集温度的操作，整体上的采集过程是周期性进行的，传感器选取报告命令进一步传输给已有的收集设备。在指示应答的过程当中一旦传感器设备漏掉接受某个应答信号的话，这个时候传感器设备将会进行的操作是彻底移除与它的绑定。具体的函数实现过程如下所示。Voidzb_HandleOsalEvent（uint16event）{uint8pData[2]；if（event&MY_START_EVT）{Zb_StartRequest（）；}if（event&MY_REPORT_TEMP_EVT）{//读取温度值pData[0]=TEMP_REPORT;pData[1]=myApp_ReadTemperature（）；zb_SendDataRequest（0xFFFE,SENSOR_REPORT_CMD_ID,2，pData,0，AF_ACK_REQUEST,0）；osal_start_timerEx（sapi_TaskID,MY_REPORT_TEMP_EVT,myTempReportPeriod）；}if（event&MY_FIND_COLLECTOR_EVT）{//Findandbindtoacollectordevicezb_BindDevice（TRUE,SENSOR_REPORT_CMD_ID,(uint8*）NULL)；}}收集节点在成功接收到传感器设备传输过来的各种类数据包之后，进一步可以通过串口将这些接收到的数据传输到PC机当中进行存储。整个过程的实现过程如下所示。CONSTuint8strDevice[]="0x"；voidzb_ReceiveDataIndication（uint16source,uint16command,uint16len,uint8*pData）{uint8buf[32]；uint8*pBuf;uint8tmpLen;uint8sensorReading;if（command==SENSOR_REPORT_CMD_ID）{//读取传感器数据sensorReading=pData[1]；//写信息到串口tmpLen=（uint8）osal_strlen（(char*）strDevice)；pBuf=osal_memcpy（buf,strDevice,tmpLen）；_ltoa（source,pBuf,16）；pBuf+=4；*pBuf++=''；*pBuf++=（sensorReading/10）+'0'；//转换MSB为ASCII*pBuf++=（sensorReading%10）+'0'；//转换LSB为ASCIIUartTX_Send_String（buf,9）；}}3.2.5基于4G的温度采集系统程序流程图基于4G的温度采集系统流程图见图3-4和图3-5所示。上电复位上电复位硬件、堆栈初始化发现网络是否加入网络入网成功否是传感器采集数据发送成功？是否尝试重新建立绑定成功？是否图3-4传感器节点流程图设备初始化成功之后，传感器节点会根据实际情况的需要发出请求加入节点的请求。紧接着传感器节点会与协调器建立一个全新的绑定，整个过程是完全自动实现的。在具体的数据传送请求收到反馈成功完成之后，在这个时候传感器节点就开始把实际检测得到的温度值数据马上传输到协调器的位置。设备在完成初始化的操作之后，协调器开始进行无线网络的新建操作。网络新建完成之后会进一步认可协调器设定状态为绑定。紧接着会进一步向下一个节点进行数据传输，协调器随后会按照要求进行数据信息的接收，协调器节点流程图如图所示。否否否上电复位初始化硬件建网成功是允许绑定发现设备建立绑定接收数据是将数据发到串口，发给PC机图3-5协调器的节点流程图第四章森林火灾实时监控系统的传感器网络设计4.1系统功能（1）4G网络传输数据率每一秒中可以的达到300~500kB。监控范围。系统能够对半径为8km范围左右进行有效探测。（3）监控点的选择。监控点位置的选择非常重要，首先第一个位置选择原则应该把探测器应放置于森林范围之内高度最高的地方，除此之外探测器的安装过程中还必须保证尽可能的牢固稳定。

（4）野外监控点选择的环境受到很多外界因素的限制，最终选取的GPRS传输方式应用的十分广泛，图像的传输过程可以实时监控完成，并且可以根据实际情况的需要按照系统的需求对应进行各项配置操作。监控点互相之间的传输信号方式选择的是4G信号传输方式，整个系统管理过程中的监控中心可以实现对所有范围内的森林进行巡视、图像采集以及温度数据分析操作。4.2系统实现方法本系统的组成部分当中，各类传感器是其中的重中之重，从位置上来说它们是属于整个监控系统的前端设备，它们对于系统的实时监控作用是必不可少的。在4G传感网络当中，通过各种类节点上的专门设计的火灾识别的程序算法来对火灾事件是否发生进行实时甄别。除此之外还可以利用这个识别系统向上一级的协调点进行实时信息反馈，通过节点之间的传递来发出相应的警报，从而达到系统实现检测的目的。第五章总结及展望本系统的设计是通过4G无线通信技术为核心来实现的，4G技术具有诸多好处，借助其优势可以帮助系统在实现的过程中尽可能的做到成本以及功耗方面的节约。除此之外，众所周知的是4G技术组网的过程十分简单，且这种组网方式的网络容量也有很明显的优势，应用前景不可估量。当然，由于时间比较仓促，本人的技术水平也有限，在设计的过程中遇到了很多困难，最终实现的系统也有很多地方需要接下来进一步的改进和完善。总体上来说，4G网络通信技术的未来十分的光明，在相当长的一段时间内4G网络通信技术必将在市场中继续发挥重要的作用。伴随着物联网技术的逐步成熟，4G技术的应用领域也会越来越广泛。参考文献[1]郑志建，邓然，詹念，刘祉余，朱勇.基于AVR单片机的无线火灾报警系统[J].无线电通信技术，2018，44（01）：86-89.[2]陈全.基于51单片机的智能火灾报警器的设计[J].电子制作，2017（23）：25-28.[3]孙静.城市综合管廊火灾自动报警系统设计探讨[J].智能建筑与智慧城市，2017（04）：66-70.[4]王卫东.消防火灾报警系统和消防设备联动配合调试的要点探讨[J].消防界（电子版），2017（03）：9-10+96.[5]齐烨.火灾自动报警系统运行中存在的问题及对策[J].消防技术与产品信息，2017（01）：21-23.[6]杨晨娜.基于单片机的火灾报警系统设计[J].兰州工业学院学报，2016，23（06）：67-71.[7]张改莲.基于单片机的智能火灾报警系统设计[J].机电一体化，2016，22（12）：59-61.[8]曲娜，王楠，蓝真亮，杨峰.基于灰色关联度分析的火灾报警系统产品性能评价[J].沈阳大学学报（自然科学版），2016，28（05）：392-396.[9]申景，张丽丽.基于单片机的家用无线火灾报警系统设计[J].消防科学与技术，2016，35（10）：1421-1424.[10]董文辉，王力，余广智，梅志斌.无线火灾自动报警系统设计[J].消防科学与技术，2016，35（04）：552-555.[11]靳欣，孙涛.基于单片机的化工火灾报警系统设计[J].齐鲁工业大学学报（自然科学版），2015，29（04）：81-84.[12]肖艳.智能楼宇中的火灾自动报警系统[J].中国公共安全，2015（14）：67-75.[13]刘明岩，常宁.基于ZigBee和GPRS全无线火灾自动报警系统设计[J].消防科学与技术，2015，34（05）：603-606.[14]孙兰，汪浩.住宅建筑火灾自动报警系统设计——解读《〈火灾自动报警系统设计规范〉图示》[J].建筑电气，2014，33（09）：7-12.[15]徐晓虎，郑欣，赵海荣，许开立，张培红，亢勇.火灾自动报警系统可靠性研究[J].安全与环境学报，2012，12（03）：149-153.[16]陈晓娟，下乐平，杨加军.带图像处理的火灾报警系统抗干扰性研究[J].仪器仪表学报，2010，31（12）：2848-2853.[17]胡鸿，杨雪清，黄静华，林志英，吴东亮.北斗卫星导航在林业中的应用模式研究[J].林业资源管理，2017（03）：120-127.[18]周根苗.湖南省森林防火应急通信系统建设探讨[J].林业建设，2017（04）：53-56.[19]宋娟，费海强.森林防火移动助手系统在森林防火中的应用及实现[J].内燃机与配件，2017（24）：126-127.[20]戴文辉，邓俊，杨航星.推进信息化立体化防控体系搭建林火应急处置应用平台[J].森林防火，2017（03）：15-17.[21]石小华，兰玉芳，张敏中，牛鹏飞.基于北斗和自组网的林火扑救指挥平台设计与实现[J].西北林学院学报，2017，32（06）：228-233.[22]周建，闫铁铮.关于无人机在森林防火中应用的探讨[J].森林防火，2017（03）：40-43.[23]阎兵早.森林防火视频监控系统的技术应用[J].电脑知识与技术，2017，13（29）：23-25+28.[24]李德孚.2013年中国中小型风力发电行业发展概况[J].风能，2014（05）：34-39.[25]鲜孟君.四川移动打造4G电子护林员为山林装上无形防火墙[J].通信与信息技术，2014（04）：22.[26]刘霞.试析新疆区森林防火视频监控和指挥中心建设[J].森林防火，2014（03）：5-7.[27]柴红玲，方陆明，王苏燕.视频和GIS技术在森林防火中的应用[J].农机化研究，2009，31（01）：196-199.[28]肖方兵.BIMAVE推出森林防火无线监控系统[J].消防技术与产品信息，2009（09）：93-94.[29]魏远峰，崔丽娟.远程视频监控系统在县级森林防火工作中的应用[J].森林防火，2010（02）：39-42.[30]翁永发，柴雄，戴慈荣，张乃华，余启国，杜国坚，陈友吾，宋其岩.木荷生物防火林带与针叶林易燃物数量比较研究[J].浙江林业科技，2010，30（04）：62-65.[31]叶万举.森林防火监控系统的发展前景[J].黑龙江科技信息，2016（01）：262.[32]孟超.基于森林防火现状与意义的智慧林业探讨[J].森林防火，2015（04）：4-7+13.[33]解国磊，丁新景，马风云，韩越，李逸凡，马丙尧.鲁中山区主要森林类型易燃可燃物垂直分布及其燃烧性[J].西北林学院学报，2016，31（01）：158-163.[34]颜伟，吴正星，漆基海，谭靖，李健生.森林防火视频监控预警系统设计与应用[J].贵州林业科技，2015，43（04）：46-50.[35]乔进.物联网对重点人员管控的可行性研究[J].信息与电脑（理论版），2016（02）：166+168.[36]林盛，谢鹏，金昌善，徐自坤.福建武夷山国家级自然保护区森林防火技术[J].福建林业科技，2016，43（01）：166-169+181.[37]马帅，陈明山.森林防火视频监控系统的应用技术研究[J].消防界（电子版），2016（05）：43-44.[38]李鑫，段菁.内蒙古森林防火视频监控体系建设技术研究——以呼和浩特市为例[J].内蒙古林业调查设计，2016，39（03）：88-91+50.[39]马建浦.