218 Int. J. Computer Aided Engineering and Technology, Vol. 2, Nos. 2/3, 2010
A smart bushfire monitoring and detection system using GSM technology
Liu Liu, Rong Sun, Ying Sun and
Said Al-Sarawi*
School of Electrical and Electronic Engineering,
Faculty of Engineering, Computer and Mathematical Sciences, The University of Adelaide, Adelaide, SA 5005, Australia E-mail: milanqingren@hotmail.com
E-mail: sunrong203@hotmail.com
E-mail: yingsun@eleceng.adelaide.edu.au
E-mail: alsarawi@eleceng.adelaide.edu.au *Corresponding author
Abstract: This paper describes a smart bushfire monitoring system that can provide an early warning message in case of a bushfire. The system utilises short message service through global system for mobile (GSM) communication technology as a medium of communication. The device is composed of a temperature and humidity sensors that are connected to a microcontroller. The microcontroller also interfaces with a GPS receiver to report the module position and a GSM module to communicate the sensory information. This message can then be collected by either another mobile phone or SMS server for further action or processing. The details of the device architecture, developed algorithms, and performance are provided.
Keywords: bushfire; global positioning system; GPS; global system for mobile; GSM; microcontroller; remote monitoring.
Reference to this paper should be made as follows: Liu, L., Sun, R., Sun, Y. and Al-Sarawi, S. (2010) lsquo;A smart bushfire monitoring and detection system using GSM technologyrsquo;, Int. J. Computer Aided Engineering and Technology, Vol. 2, Nos. 2/3, pp.218–233.
Biographical notes: Liu Liu received his Bachelor degree of Electronic and Information Engineering from Ningxia University, Yinchuan, Ningxia, China, in 2004. He finished his Master of Engineering (Advanced) in Telecommunications, from the University of Adelaide, in 2007. Currently, he is working for Campbell Scientific Australia as a Research Engineer. His research interests are embedded systems and data acquisition systems.
Rong Sun received her Bachelor degree from the Northwestern Poly-technical University, Xirsquo;an, ShaanXi, China, in 2004. She finished her Master of Engineering (Advanced) in Telecommunication from the University of Adelaide, in 2007. Currently she is working in China Unicom.
Ying Sun received her Bachelor degree from Xirsquo;an Jiaotong University, Xirsquo;an, ShaanXi, China, in 2005. She finished her Master of Engineering (Advanced) in Sensor Systems Signal Processing from the University of Adelaide, in 2007. Currently she is a PhD candidate in the University of Adelaide. Her research interest are insect vision systems and distributed sensors network.
Copyright copy; 2010 Inderscience Enterprises Ltd.
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Said Al-Sarawi is a Senior Lecturer in the School of Electrical and Electronic Engineering, The University of Adelaide, Adelaide, South Australia. He received his BEng in Marine Electronics and Communication from AAST, Alexandria, Egypt, in 1990 and finished his PhD with special commendations in Low Power, Low Voltage Design Techniques for Smart Wireless Systems from The University of Adelaide, in 2003. His research interests include design techniques for mixed signal systems in CMOS and optoelectronic technologies for high performance radio transceivers, high speed data converters and mixed signal design for biomedical applications and distributed wireless networks.
1 Introduction
Bushfires are a serious natural disaster around the world. The devastating effects of these fires around the world are reported in a number of United Nations publications (Holmgren, 2007; Goldammer, 2001; Holmgren, 2006). These fires tend to start during summer due to a number of factors (Willis, 2004) which brings huge losses to lives and properties, in addition to a significant damage to the environment and wildlife.
Before 2001, major Australian bushfires did cost A$2.5 billion dollar and resulted in the death of around 250 people (Commonwealth of Australia, 2001). In January 2003, another bushfire disaster happened in Canberra (Esplin et al., 2003). During the following eight years, Australia has experienced three devastating bushfires. On February 2009, the terrible Victorian bushfires, also known as the Black Saturday bushfires, did cost a total of 173 lives and more than 500 injuries (Suter, 2009).
In order to prevent bushfires from occurring or minimise their negative impacts, accurate and early detection of any bushfire is essential. Nowadays, there are numerous bushfire alarm and monitoring systems that vary in terms of their structure and principle of operation. The development of a bushfire alarm system is affected by technological progress. The used approaches spans from using human beings to detect bushfire to using computers and satellites to monitor the possible occurrence of these bushfires. As a result, bushfire alarm systems become more and more efficient and reliable. However, although bushfire monitoring systems have improved constantly, they still have different shortcomings and limitations. More research and efforts are needed to develop an efficient and economical bushfire alarm system.
It is believed that the incorporation of the proposed system with current and new homes can result in a much smarter home or properties that can inform their owners or an authority in case of fire or bushfire. It can be argued that current alarm system can do some of these functionality, however the
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采用GSM技术的智能丛林监测和检测系统
摘要
本文描述了一个智能丛林火灾监测系统，可以在发生丛林火灾时提供预警信息。 该系统利用全球移动通信系统（GSM）通信技术的短消息服务作为通信媒介。 该设备由连接到微控制器的温度和湿度传感器组成。 微控制器还与GPS接收器连接以报告模块位置和GSM模块以传达感官信息。 该消息可以由另一个移动电话或SMS服务器收集以用于进一步的操作或处理。 提供了器件架构的细节，开发的算法和性能。
关键词：林火; 全球定位系统; 全球定位系统; 全球移动系统; GSM; 微控制器; 远程监控。
个人简介：
Liu Liu于2004年获得中国宁夏银川宁夏大学电子信息工程学士学位。他于2007年在阿德莱德大学完成了电信工程硕士（高级）课程。目前，他正在坎贝尔科学澳大利亚担任研究工程师。 他的研究兴趣是嵌入式系统和数据采集系统。
Rong Sun于2004年获得中国陕西省西安市西北工业大学的学士学位。她于2007年在阿德莱德大学完成电信工程硕士（高级）课程。目前她就业于中国联通。
Ying Sun于2005年在西安交通大学西安分校获得了学士学位。她于2007年获得了阿德莱德大学传感系统信号处理工程硕士学位（高级）。目前她是阿德莱德大学博士候选人。 她的研究兴趣是昆虫视觉系统和分布式传感器网络。
Said Al-Sarawi是南澳大利亚阿德莱德阿德莱德大学电气和电子工程学院的高级讲师。 他于1990年获得埃及亚历山大港AAST海洋电子与通讯工程学士学位，并于2003年在阿德莱德大学获得智能无线系统低功耗低电压设计技术特别嘉奖。他的研究兴趣包括CMOS和混合信号系统的设计技术以及用于高性能无线电收发器的光电子技术，高速数据转换器以及用于生物医学应用和分布式无线网络的混合信号设计。
第一章 概述
丛林火灾是世界各地严重的自然灾害。 在联合国的一些出版物中报道了这些火灾在世界各地的破坏性影响（Holmgren，2007年; Goldammer，2001年; Holmgren，2006年）。 由于许多因素（Willis，2004年），这些火灾往往会在夏季开始，给生命和财产带来巨大损失，另外还会对环境和野生动物造成严重损害。
2001年以前，澳大利亚主要的森林大火造成了约25亿澳元的损失，导致约250人死亡（澳大利亚联邦，2001年）。 2003年1月，堪培拉又发生了一场丛林大火灾害（Esplin et al，2003）。 在接下来的八年中，澳大利亚经历了三次毁灭性的丛林大火。 2009年2月，可怕的维多利亚式丛林火灾，也被称为黑色星期六丛林火灾，共造成173人死亡，超过500人受伤（Suter，2009）。
为了防止丛林火灾发生或将其负面影响降至最低，准确早期发现丛林火灾是至关重要的。 如今，有许多丛林火灾报警和监测系统的结构和操作原理各不相同。 林火报警系统的发展受到技术进步的影响。 使用的方法包括利用人类发现丛林火灾，以利用计算机和卫星监测这些丛林火灾的可能发生。 因此，丛林火灾报警系统变得越来越高效和可靠。 但是，尽管丛林火灾监测系统不断改进，但它们仍然有不同的缺点和局限性。 需要开展更多的研究和努力来开发高效经济的丛林火警报警系统。
相信如果将本文研究的系统与现有住房和新住宅相结合可以产生更加智能的住宅或房产，以在发生火灾或丛林火灾时通知其所有者或当局。 可以认为，当前的报警系统可以完成这些功能中的一部分，然而，所提出的系统可以针对多种通信介质进行定制，而不需要额外的成本，这通常与监控服务相关联。
在第二章中，我们将回顾当前林火监测系统的方法以及这些方法的优缺点。 然后，根据第三章中的研究差距声明，我们在第四章中介绍了所提出的器件架构。接下来是该器件的开发算法和连续监测方法的描述。 第六部分讨论整体器件性能。随后将得出结论。
第二章 回顾目前的丛林火灾监测系统
在下面的小节中，我们将简要回顾一下监测和检测丛林大火的常用方法。
2.1 口碑林火监测系统
口碑丛林监测系统在世界上广泛使用（Abarquez and Murshed，2004）。 这是一个基于人类社区的丛林火灾探测系统，利用人际交流传播丛林火灾信息。 联合国的研究指出，可以通过人际交往形成许多人类通信链（联合国DRO / 22/76司，1986年）。 在重大事件的情况下，这些连锁店将变得活跃。 因此，如果发生丛林大火，通过人类通信链传递警告信息，并到达消防部门或应急中心。 表1列出了该系统的特点。表2列出了口碑林火监测系统的优缺点。
表格1口碑林火监测系统的特点
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监视频道 |
通信媒体 |
通信技术 |
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人 |
人类交流链 |
电话 电报 无线电 传真 |
表格2列出了口碑林火监测系统的优缺点
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优点 |
缺点 |
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系统易于开发 系统不需要维护 |
发送不准确的警报消息 警报信息可能无法及时发送 缺少报警信息的可能性 精确而准确地发布位置，温度等详细信息 |
2.2消防监视塔丛林监控系统
当提到林火检测系统时，火灾监视塔会最先出现在我们的脑海中（Luke and McArthur，1978）。 森林火灾观测塔建成金字塔形状以提供稳定性，顶部有一个小屋，观察者可以在这里观察火灾。 这些塔楼通常高10-20米，建在平顶山丘上，或者在相当平坦的地形上通常使用30-40米高的建筑物，以便在周围的树木覆盖层上提供良好的视野。 机舱内设有一些设备，以便于检测，记录信息和沟通。 当观察者发现火灾时，他们引导方位角的指针，并通过电话或无线电发射机向森林部门或森林企业办公室报告（Luke和McArthur，1978）。 该系统的工作过程描述如下：
1.观察员检测到火情并记录火灾方向的方位角，然后通过电话或无线电发射机向森林部门或森林企业办公室发送警报消息。
2.办公室通过使用森林地图来确定火灾发生的地点。
表3列出了这种火灾监测系统的特点。表4列出了火灾监测塔监测系统的优缺点。
表3 消防监视塔监视系统的特点
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监视频道 |
通信媒体 |
通信技术 |
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丛林火焰观察塔和观察员 |
人类（观察员） |
电话 无线电 传真 |
表4 消防监视塔丛林监控系统的优点和缺点
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优点 |
缺点 |
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早期发现火灾Bushfire手表塔的成本很高 更好的能见度系统塔的运行范围是有限的（约18公里） 检测火灾观察员可能发送不准确的报警信息 |
观察员只向办公室发送方位角，所以办公室需 要确定火的地点，浪费了时间 |
2.3 地面和空中巡逻丛林防火监控系统
地面巡逻由林务人员和临时防火员进行。这些人除了履行正常和正常的职责外，还全面开展森林火灾探测，保护和控制（Chung和Kim，2008年）。巡逻人员定期将信息传达给基站，例如火警监视塔。因此，当发生森林大火时，巡逻人员与消防塔及其总部进行无线电联系（卢克和麦克阿瑟，1978年）。空中巡逻需要雇佣飞机从空中观看。虽然这种方法很昂贵，但它通常用于增强其他检测方法（Luke and McArthur，1978）。空中巡逻通常用于特殊用途，例如在火灾危险期间提供额外检测。 该系统的主要工作过程是由地面或空中巡逻检测开始，然后通过无线电向消防监视塔或森林企业办公室报告。 表5列出了这种林火检测系统的特点。地面和空中巡逻林火监测系统的优缺点列于表6。
表5 地面和空中巡逻监控系统的特点
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监视频道 |
通信媒体 |
通信技术 |
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巡逻机 |
人类（观察员） 消防监视塔 |
无线电 |
表6 地面和空中巡逻丛林防火监视系统的优缺点
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优点 |
缺点 |
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地面巡逻更有效率 空中巡逻可以发现很多 更大的区域 |
警报信息可能无法及时发送 空中巡逻非常昂贵，不能保持飞行 整天 他们需要足够数量的个人目击 |
2.4 基于卫星的丛林火灾监测系统
最近的一份报告（李等人，2005）表明，基于空间技术的系统可以有效地监测丛林火灾，因为它们可以快速准确地定位火情，并提供额外的信息，如温度。 这些系统大部分主要依靠卫星，其中包括红外技术等遥感技术（澳大利亚工程师学会 - 维多利亚，1998年）。 因此，它们被称为基于卫星的丛林火灾监测系统。 通常，这种系统由卫星和通信网络两部分组成。 其操作流程描述如下（联合国DRO / 22/76司，1986年）。 卫星将通过嵌入式传感器网络从太空监测地面，如果发现丛林火灾，卫星将启动丛林警报警报。 然后，警告消息将通过通信网络向外传播，例如卫星计算机链接，地面接收站，航空器接收站和海洋接收站。 最后，警告信息将发送到官方部门。 表7列出了基于卫星的丛林防火系统的特点。
表7卫星监测系统的特点
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监视频道 |
通信媒体 |
通信技术 |
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带传感器网络的卫星 |
通信网络 |
卫星电脑链接年龄 地面接收站 飞机接收站 海接收站 |
由于这些特点，基于卫星的丛林火灾监测系统有一些优点和缺点，这些总结在表8中。
表8 基于卫星的丛林火灾监测系统的优点和缺点
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优点 |
缺点 |
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可以及时发送警告信息 提高警告信息的可靠性 提供林火的详细信息 提供森林火灾的准确信息 |
复杂的系统结构 复杂的建筑 建立成本高 高维护费用 |
第3章 差距声明
从上述回顾可以看出，现有的丛林火灾监测系统具有独特的缺点。 口碑丛林监测系统和火警监测塔丛林监测系统并不可靠，而地面和空中巡逻丛林监测系统的建造和维护成本很高。 但是，他们在检测和报告丛林大火时具有很高的效率。 随着对效率和准确性的需求不断增加，监控系统变得更加复杂和难以实施。 此外，由于建立这样的丛林防火监控系统的成本正在增加，我们正在提议开发一种新型低成本设备，该设备基于现成的组件，与地面和空中巡逻相比，维护和成本低丛林监测系统。
因此，本文通过开发高效率，低成本，易于构建的丛林监测系统来满足这些需求。 这种丛林监测系统可以有效检测到丛林火灾，并及时发送准确的警报信息。
第4章 设备架构
该设备的框图如图1所示。在该图中，微控制器被用作与传感器模块和移动电话模块接口的控制中心。 微控制器定期收集传感器检测到的湿度和温度数据。 如果输入数据超过预定义的阈值，则微控制器从全球定位系统（GPS）接收器读取位置信息并控制GSM调制解调器。 所收集的湿度，温度和位置信息以SMS格式发送到另一个移动电话或SMS服务器。 所用的微控制器是PIC16F877A（Microchip Technology Inc，2003），它具有许多接口和闪存。
图1 系统框图
该设备使用的传感器是单芯片多传感器SHT75（The Sensirion Company，2004）。 该传感器可以测量高精度的相对湿度和温度，并可以满足系统要求的宽测量范围。 所使用的手机模块具有组合的GSM调制解调器和GPS接收器。 GPS接收机用于获取位置信息和GSM调制解调器，以SMS格式将温度，湿度和位置信息传输到远程移动电话。
由于微控制器只有一个内置的通用同步 - 异步接收器/发送器（US
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