摘要

智能化的森林火灾监测系统利用传感器和人工智能算法实现对森林火灾的快速识别、及时预警和有效防控，具有重要的生态保护和环境安全保障意义。本文介绍了设计的森林火灾智能监测系统，该系统由从机和主机组成，从机集成了多种检测装置，主机用于整合和显示从机检测到的数据，并通过 WiFi 模块将数据上传到手机端进行显示和管理，以及系统的硬件设计；从机我们使用的硬件包括Arduino单片机、SX1278 LoRa通讯设备、蜂鸣器、DS18B20温度传感器、火焰探测器、继电器控制器、MQ2烟雾感应器和MQ7一氧化碳探测器。主机采用了 Arduino 单片机电路、按键控制电路、ESP8266 WiFi 通信电路、SX1278 LoRa 通信电路和 OLED 显示电路。最后，系统经过多次测试，结果表明该系统具有良好的检测性能和实用价值，可以有效地协助森林管理者监测火情，避免资源浪费和漏检误检现象，具有重要的实用推广价值。

关键词：森林火灾监测；Arduino；LoRa；WiFi

Abstract

An intelligent forest fire monitoring system is designed utilizing sensors and artificial intelligence algorithms for rapid identification, timely warning, and effective prevention and control of forest fires. It has significant ecological protection and environmental safety significance. The system comprises master and slave devices. The slave device integrates various detection devices, and the master device integrates and displays the data detected by the slave device. The data is uploaded to a mobile phone through the WiFi module for display and management. The hardware we use for the slave includes Arduino microcontroller, SX1278 LoRa communication device, buzzer, DS18B20 temperature sensor, flame detector, relay controller, MQ2 smoke sensor, and MQ7 carbon monoxide detector. The master device includes an Arduino microcontroller circuit, button control circuit, ESP8266 WiFi communication circuit, SX1278 LoRa communication circuit, and OLED display circuit. Multiple tests demonstrate that the system has excellent detection performance and practicality, which can assist forest managers in monitoring forest fire occurrences, thus avoiding waste of resources and missed detection. The system has significant practical promotion value.

Key words：Forest fire monitoring；Arduino；LoRa；WiFi

目录

摘要

Abstract

第1章  绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外发展现状

1.2.1 国内发展现状

1.2.2 国外研究现状

1.3 内容安排

1.4本章小结

第2章  系统总体设计与说明

2.1 系统功能分析

2.2 方案选择

2.2.1 主控芯片

2.2.2 温度传感器

2.2.3 液晶显示

2.2.4 通信方式

2.3 系统最终方案

2.4 本章小结

第3章  系统硬件设计

3.1 硬件总体设计

3.2 单片机模块设计

3.3 传感器模块设计

3.3.1 温度传感器

3.3.2 火焰传感器

3.3.3 烟雾传感器

3.3.4 一氧化碳传感器

3.4 继电器控制电路设计

3.5 按键控制电路

3.6 报警提示电路

3.7 显示模块

3.8 WiFi通信模块

3.9 LoRa通信模块

3.10 本章小结

第4章  系统软件设计

4.1 主程序设计

4.2 温度检测程序设计

4.3 烟雾检测程序设计

4.4 火焰检测程序设计

4.5 液晶显示程序设计

4.6 按键控制程序设计

4.7 LoRa通信程序设计

4.8 手机APP通信程序设计

4.9 本章小结

第5章  实物制作与测试

5.1 电路设计

5.2 实物制作

5.3 综合调试

5.3.1 硬件调试

5.3.2 软件调试

5.4 实物功能测试

5.5 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A

第1章  绪 论

1.1 研究背景及意义

近年来，由全球气候变化引发的自然灾害不断增多，其中森林火灾占据了重要的一席之地，这给生态环境和人类生产带来了巨大的损失。在防止和控制森林火灾的过程中，现代技术的发展使得森林火灾的监测更加高效、准确和及时。例如，利用卫星遥感技术可以实时监测森林火灾的发生和扩散情况，同时也可以提供火灾的位置、面积和强度等信息。此外，无人机技术也可以用于森林火灾的监测和控制，可以在火场上空进行实时监测和图像采集，为灭火行动提供重要的支持。这些现代技术的应用可以大大提高森林火灾的监测和控制效率，减少火灾对环境和人类的危害。，这种方法有许多弊端，如人工巡逻的盲区和错误率较高、火灾塔设备投入需要较大的成本等[1]。而随着信息技术的发展和单片机技术的应用，越来越多的研究者开始探索利用智能控制技术开发高效准确的森林火灾监测系统。因此，森林火灾监测系统的研究具有重要的实际应用和深远的意义。

首先，森林火灾监测系统的开发可以在发现火灾时实现快速响应，并对火灾进行及时、有效的处置。一旦发现火情，系统会立即发出警报通知当地消防队伍前往处置，从而避免火灾持续蔓延和扩大。其次，森林火灾监测系统可以及时掌握火场情况，为生态环境保护和灾后复建提供重要数据和信息支持。通过对火灾的实时监测和数据分析，可以对火灾扩散方向和速度等进行精确评估，进而提供形成灾情报告和预测分析，为防治森林火灾提供准确、科学、高效的技术支持[2]。此外，随着森林保护意识的不断增强，森林火灾监测系统的研究也有助于提高公众对森林防火的意识和重视程度。通过普及和应用森林火灾监测系统，可以让更多的人了解火灾的危害程度和防御措施，切实地提高公众的森林保护意识和自我保护能力，进而保护生态环境的可持续发展和人民的生命财产安全。总之，随着科技的日新月异和社会的不断发展，开发智能的森林火灾监测系统已经成为当今社会发展的必然趋势。该系统的研究不仅有助于提高森林火灾的预防和应对能力，对于人类生态文明的建设和可持续发展也有着重要的贡献。

1.2 国内外发展现状

1.2.1 国内发展现状

国内随着环境保护和森林资源保护公众认识的提高，森林火灾监测系统的研究应运而生。早期的森林火灾监测系统采用了传统的巡逻、RF、无线传输、雷达设备等类似的技术，但这些方法存在诸多缺陷，比如精度不高等问题[3]。因此，基于单片机的智能森林火灾监测技术应运而生。我国较早提出的是一种基于单片机的森林火灾监测技术。该技术采用红外及其它传感器来采集环境参数，例如火焰光照、温度、湿度等，若环境参数出现异常，系统便会实现实时报警[4]。该技术不仅能够提高森林火灾的监测和控制能力，同时能为生态建设和地方经济的发展做出贡献。森林火灾监测系统通常采用多传感器协同工作，实现对森林火灾的稳定和高精度监测[5]。该技术引入了GPS导航、GPRS无线传输等高科技技术，能够远程监测火场并实现实时报警。随后，人们开始探索更为复杂的系统应用[6]。该系统通过ZigBee通信协议进行数据传输和收集。该技术可快速发现火情，有效减少烧损面积及拯救野生动物[7]。可以看出，基于单片机的森林火灾监测系统在国内研究历程中是快速发展的，不断地引入新的技术，例如 GPS导航、GPRS无线传输、ZigBee网络等等，在提高精度的同时，更为实用，能够更好地服务于森林防火和生态环境保护。

在相关科学研究方面，邓亦骁研究了一种基于单片机的火情监测系统设计，并在实验条件下进行测试。该系统通过温湿度传感器和光电传感器等设备对周围环境参数进行监测，一旦环境温度达到一定阈值，系统会发出报警信号提示火情的发生。该系统具有实时监测、准确度高、响应速度快等特点[8]。石乃畅引入单片机、GPS定位、GPRS通信等技术，研究了一种基于单片机的森林火灾实时监测系统[9]。该系统通过多点温度水平测量技术对火情进行实时监测，并利用GPS和GPRS通信技术远程传输数据。周子肖从系统架构、硬件设计、软件设计、数据采集与处理等方面介绍了一种基于单片机的森林火灾监测与防范系统[10]。该系统依托于温湿度传感器、气象站和通信模块等设备，实现了火情的实时监测、远程通信与数据传输等功能。赵福波通过设计一种基于单片机的森林火灾预警系统，实现了对火情发生前的环境条件进行实时监测[11]。系统采用多元分析法对传感器所得数据进行统计分析，模拟出火情发生时的环境条件，提前对火情进行预警。

1.2.2 国外研究现状

森林火灾监测系统从20世纪70年代开始发展，主要是为了解决北美和欧洲地区频繁发生的森林火灾问题。在欧洲，欧洲联盟资助了几个森林火灾监测项目，包括具有地球观测器的热红外传感器、卫星热成像、地面火灾监测仪和飞机巡查等方案[12]。在北美，美国林务局和加拿大林业部门也开始使用类似的技术来监测森林火灾。1980年代初期，美国林务局开始使用基于卫星的热成像技术监测森林火灾。之后，应用热成像开发了地面火灾监测系统，可以监测高温点、热点和火灾迹象等。随着技术的进步，现代森林火灾监测系统充分利用各种传感器、卫星、地面设备和无人机等技术手段，搜集和分析各种数据，帮助决策者预测、监测和应对火灾[13]。这也为其他发展中国家提供了实现火灾预防和控制的技术基础。随着技术的进步，单片机因其经济、可靠、易于编程和摆脱振荡器的高频外围器件等优点而在森林火灾监测系统中得到了广泛的应用[14]。早期的基于单片机的森林火灾监测系统主要依赖于传统的温度和湿度传感器，通过单片机进行温度和湿度数据的采集和预处理，实现火灾预警和监测的功能。随着技术水平的提高，基于单片机的森林火灾监测系统逐渐引入了更高级别的传感器和模块，如MSP430微控制器、GPS定位、GPRS通信模块、气象站等[15]。在国外，基于单片机的森林火灾监测系统主要集中于北美和欧洲地区，美国、加拿大、荷兰、西班牙等国家和地区的森林管理部门普遍采用了这种技术[16]。目前，一些基于单片机的森林火灾监测系统已经实现了数据的实时上传和远程监测，同时结合人工智能算法，实现了自动预警和智能控制的功能。

在科学研究方面，Zhou Ciming在科学研究领域进行了探索，他研究了一种基于单片机的林地火情智能监测系统，该系统利用多种传感器对环境参数进行实时监测，并通过单片机控制模块对数据进行分析处理[17]，从而成功实现了动态控制和数据传输等多项功能，这一技术的应用可以提高森林火灾的预防和应对能力。Safi Abdullah研究了一种基于单片机的终端节点森林火灾监测系统。该系统采用了自适应门限控制算法和能耗优化算法，通过多个传感器对温湿度、光线、气压、风速等参数进行监测，并且能够中心化地发送和接收数据以实现精确控制[18]。Ivan Bolodian就美国北卡罗来纳州研发的森林火灾监测系统进行了研究。该系统通过无线传输的方式，将多个节点检测到的温度、湿度、烟雾浓度等数据，利用自组织网络协议对数据进行收集，可以实现高效和实时的数据传输[19]。Ga Latai提出了一种基于单片机的ABD分析方法，并将其应用于森林火灾监测系统中。该系统采用红外传感器和可见光摄像头进行环境参数的监测和数据采集，通过多次ABD分析来评估火情所在位置和规模等信息[20]。

综上所述，基于单片机的森林火灾监测系统的国内外研究也有着广泛的应用，与国内研究平行。同时，国外的研究也加强了该技术的研究应用，使得技术更加完善，明显提高了检测精度和准确度，为森林火灾的防控工作提供了一定的支持。但是整体上，两者的研究在成本控制以及智能组网方面的研究较少，因此在真正的推广应用上面临着一定的阻碍。因此，本文旨在以单片机技术为基础，设计一种智能化的基于LORA的森林火灾监测系统。

1.3 内容安排

内容安排如表1.1所示。

表1.1 内容安排

章节	主要内容
第一章	介绍森林火灾报警系统中存在的问题和物联网技术的发展趋势，提出了一种基于物联网技术的智能火灾报警系统的设计方案，探讨了其在实际应用中的重要意义，同时回顾了全文的章节内容。
第二章	分析了系统功能，提出多种方案并选择最终方案。详细介绍了主控芯片、温度传感器、液晶显示、通信方式等重要组成部分，并阐述了它们之间相互协作的机制。
第三章	设计了系统的硬件部分，包括单片机、传感器、继电器控制电路、按键控制电路等。详细介绍了每个组成部分的具体设计流程和电路原理图，确保整个系统的精确性和可靠性。
第四章	介绍了系统的软件设计，包括主程序、检测程序、液晶显示程序、按键控制程序和无线通信程序。详细讲解每个程序模块的设计过程、程序代码和方法流程图，确保程序稳定性和系统高效性。
第五章	介绍了硬件和软件部分的综合调试和测试，包括电路设计制作、硬件和软件全面测试、功能测试。确保系统的完整性和稳定性。

1.4本章小结

        本章介绍了研究背景及意义，国内外发展现状以及论文的内容安排。

第2章  系统总体设计与说明

2.1 系统功能分析

本文的系统功能需求主要分为三个方面。

首先，无线通信任务设计要实现三个从机到主机的通信，通过LORA实现上位机与主机之间信号交互，并通过LORA组网实现包括显示、控制以及报警等功能。

其次，传感器功能模块设计要实现烟雾浓度监测、实时温度监测、一氧化碳浓度监测以及明火状况监测等功能。烟雾浓度、温度、一氧化碳浓度超过预设值，并且检测到明火时，系统会发出警报并启动灭火动作控制执行。

最后，软件功能任务设计包括阈值判决、警报判决以及远距离数据交互。系统能够对三个从机进行检测，主机可以显示并声光报警，并通过传输模块实现与上位机应用之间数据交互。综上所述，该系统集成了多种功能，有助于有效地协助森林管理者监测火情，避免资源浪费和漏检误检现象，具有重要的实用价值。

图2.1 总体设计框架

根据以上过程，本文的主体功能可以总结为：系统通过烟雾、温度、一氧化碳和火焰这几种传感器实现森林火灾基本信息的检测，这些信息检测通过多个节点实现，内部的数据通过LORA通信完成后发给主机。主机接收到信息后，讲这些信息发送给云平台进行显示和交互。过程中，系统会显示这些信息，并结合软件功能进行报警。据此，可以得到系统功能框图如图2.1所示。

2.2 方案选择

2.2.1 主控芯片

方案1：STM32F103C8T6是一款性能较高、集成度较高的32位单片机芯片，具有72MHz的最高工作频率和丰富的外设模块，适合开发人员进行设计和开发。

方案2：STC89C52是一款8位单片机芯片[22]，由于采用了最新的Flash程序存储器技术，能够达到22MHz的工作频率，并且集成了多个常用的外设模块，支持大容量数据存储，适合低成本应用场景。

方案3：Arduino单片机方案集成了多个传感器和执行器的接口，具有非常出色的扩展性和灵活性，而且价格实惠。此外，其硬件和软件的开源性质也为开发者提供了更多的创新空间，易于实现定制化开发。

综上所述，Arduino单片机具有非常出色的扩展性、简单易学的操作、更强的稳定性和实惠的价格等优势，其硬件和软件的开源性质，设计时可以充分利用硬件的灵活性及良好的软件支持对其进行开发和创新，因此本文采用这种方案。

2.2.2 温度传感器

PT100是一种常用的温度传感器，其特点是精度高、测量范围广、稳定性好，但需要外接信号调理电路才能使用[24]。DS18B20是一种数字温度传感器，其特点是体积小、结构简单、精度高，可以直接在数字电路中使用。采用DS18B20的优势主要体现在以下几个方面：

1.方便接口与使用：DS18B20采用一根数据线进行数据传输和供电，通信协议简单易懂，方便与单片机或其他数字电路进行接口连接和使用。

2.高精度和稳定性：DS18B20的测量精度高达±0.5℃，同时对环境温度变化有较好的自适应能力，保证了测量精度的稳定性。

3.多测量点：DS18B20可通过一根数据线连接多个传感器，实现多点温度测量，在某些应用场景中能够起到很好的效果。

综上所述，DS18B20是一种功能强大、操作简便、使用方便的数字温度传感器，它的高精度和稳定性、便于多测量点和接口连接是其优于PT100的重要优势。

2.2.3 液晶显示

综合比较LCD1602和OLED液晶显示屏，本文使用OLED显示屏。

LCD1602屏具有轻便、易安装、显示内容可自定义设置、功耗低等优点，但其分辨率低，显示效果不如OLED显示屏，且不支持特殊字符显示，缺点明显。

相比之下，OLED液晶显示技术具有亮度和对比度更出色、颜色更丰富、全方位显示、功耗低等优点，且支持中文等特殊字符的显示，非常符合本文的设计需求，优点非常明显。因此，针对本文的设计需求，采用OLED液晶显示屏作为显示方案，以提高显示效果和满足特殊字符需求。

2.2.4 通信方式

ZigBee和LoRa都是物联网中常用的无线通信技术，它们都有自己的优势和适用场景。在本场景中，我们需要选择一种适合用于森林火灾监测系统的无线通信技术。结合两者的特点和实际应用情况进行对比，我们可以得出以下总结：

传输距离：LoRa通信可以实现长距离传输，而ZigBee较短。

功耗：LoRa通信功耗低，可以显著延长设备的使用寿命，而ZigBee通信功耗较高。

成本：由于LoRa通信不需要复杂的网络设备和基础设施，因此成本较低。

可靠性：LoRa通信采用的是信道预测技术，能够在避免干扰的同时提高信号的传输可靠性，保障数据的稳定传输，而ZigBee通信需复杂的网络设备和基础设施支持，可能不具备优势。

综合来看，对于森林火灾监测系统，LoRa通信更适合。它能够实现长距离传输、低功耗、低成本和高可靠性等特点，能够满足森林火灾监测系统对于数据传输的要求。在实际应用中，需要选择合适的LoRa模块和天线，并进行相应的防水、防火和安全措施，以保证设备的稳定性、安全性和数据的完整性。此外，需要制定相应的监测规则和报警机制，及时发现并处理森林火灾等突发事件。

2.3 系统最终方案

在对相关元器件进行选择与确定后，使用Arduino单片机作为控制中心，集成火焰检测、烟雾检测、一氧化碳检测、温度检测、按键控制、继电器控制、液晶显示、LoRa组网通信以及火灾报警，WiFi外部通信模块为基本组成单元实现整体的设计，以实现火灾参数检测、报警提示、信息显示和远程交互等功能。

2.4 本章小结

本章详细介绍了设计功能，以及主要元器件的选择。该章节的完成使得本文的工作方向更为明确，各个功能模块之间的关系也更加清晰。同时，主控模块、液晶显示模块、组网通信模块和温度检测模块等元器件的选型被详细讲述，保证了系统的可行性和操作性。