Система мониторинга и оповещения о лесных пожарах

XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Система мониторинга и оповещения о лесных пожарах

Черногривов И.Д. 1Саламатов А.И. 1Двинский А.А. 1Домышев Д.Н. 1
1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"
Будрёнкина А.В. 1
1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Лесные пожары представляют одну из самых серьёзных угроз для экосистем заповедников. Ежегодно в России фиксируется более 10 тысяч природных пожаров, уничтожающих тысячи гектаров леса и приводящих к гибели животных. Традиционные методы обнаружения (визуальное наблюдение, авиапатрулирование) требуют больших затрат времени и ресурсов. Зачастую возгорание замечают слишком поздно, когда огонь уже распространился на значительную площадь.

Мы живем в Тюменской области, богатой лесными массивами, однако торфяные почвы ежегодно превращают наши леса в пепелище. Мы увидели проблему в том, что несмотря на опасность для людей, животных и природных ресурсов не создана система позволяющая экономно и быстро оповещать экстренные службы о возгорании.

В связи с чем, мы поставили перед собой цель-создание экономически эффективной и быстрой системы оповещения о лесных пожарах. Для создания данной системы мы выбрали среду ArduinoUNOR3, так как ее элементы легкодоступны.

Для достижения данной цели мы поставили перед собой следующие задачи:

-Провести анализ существующих решений для раннего обнаружения пожаров, их достоинств и недостатков;

-Разработать принципиальную схему устройства, включающую датчик дыма (MQ-2 или MQ-135), датчик температуры (DS18B20 или DHT11), Bluetooth-модуль (HC-05/HC-06) и микроконтроллер Arduino Uno R3;

-Написать программное обеспечение для Arduino, реализующее опрос датчиков с заданной периодичностью, алгоритм принятия решения о пожаре, формирование и отправку тревожного сообщения через Bluetooth;

-Собрать лабораторный прототип и провести его тестирование в условиях, моделирующих задымление и нагрев.;

-Сформулировать рекомендации по доработке и внедрению системы в реальных заповедных зонах.

В процессе работы мы ориентировались на следующие источники-иллюстрированное практическое пособие electrik.info, а так же он-лайн уроки на платформе superyes.ru.

Глава 1. Теоретическое обоснование создания системы мониторинга и оповещения о лесных пожарах

    1. Существующие решения для раннего обнаружения пожаров

На сегодняшний день в мире применяется несколько типов систем, позволяющих отслеживать возгорания в лесной зоне. В первую очередь это видеомониторинг. Камеры на вышках позволяют охватывать большую площадь, но требуют постоянного присутствия оператора и дорогой инфраструктуры (проводной интернет, электричество). (Приложение, Рисунок 1) Дроны могут пролететь лишь короткий промежуток времени. Для сплошного контроля огромного лесного массива потребовались бы тысячи коптеров, что экономически нецелесообразно .(Приложение, Рисунок 2)

Второй вариант -наземные датчики. Это устройства, анализирующие состав воздуха или наличие открытого огня. Они дешевы и точны, но многие модели сигнализируют только сиреной. В густом лесу звук сирены может быть не слышен из-за ветра или кроссов, а провода к розетке в лесу нет .(Приложение Рисунок 3)

Рассмотрев данные варианты, мы пришли к выводу: необходимо спроектировать устройство, работающее автономно, фиксирующее дым как самый ранний признак пожара и передающее сигнал не через звук, а через цифровой канал (Bluetooth) напрямую смотрителю леса для оптимизации большей точности системы оповещения.

Глава 2. Модель системы мониторинга и оповещения о лесных пожарах на базе Arduino UNO R3

2.1 Конструкция и сборка устройства на базе Arduino Uno R3

Прототип устройства был разработан нашей командой при помощи микроконтроллера Arduino Uno R3 и набора сенсоров. Arduino Uno R3 был выбран исходя из соображений доступности, наличия 14 цифровых входов/выходов и простоты программирования .

В качестве датчика задымления нами был выбран газоанализатор MQ-2, чувствительный к пропану, метану и дыму. Для индикации тревоги на месте установки мы использовали пьезо-пищалку (buzzer), издающую пронзительный звук. Для коммуникации с егерем установлен Bluetooth-модуль HC-05.(Приложение, Рисунок 4)

Внешний корпус устройства — пластиковый контейнер с отверстиями для доступа воздуха к датчику MQ-2. (Приложение, Рисунок 5 ). Энергопитание обеспечивается через Power Bank (5V, USB), что позволяет устройству работать автономно несколько дней.

-Arduino Uno R3 — выполняет роль «мозга» системы. Обрабатывает аналоговый сигнал с датчика дыма и подает напряжение на динамик и модуль Bluetooth.

-MQ-2 (Датчик дыма) — чувствительный элемент. В чистом воздухе держит низкий уровень сигнала. При появлении дыма сопротивление падает, и напряжение на выходе растет .

-HC-05 (Bluetooth) — настроен для передачи данных на смартфон егеря

2.2 Управление системой мониторинга и обнаружения системой мониторинга и оповещения о лесных пожарах

Управление происходит при помощи программы, написанной в среде Arduino IDE (C++). Алгоритм работы выглядит следующим образом:

-Инициализация: Запуск платы, определение скорости передачи данных Bluetooth;

-Калибровка: Считывание уровня «чистого воздуха» при старте;

-Цикл: Плата постоянно считывает значения с датчика дыма. Установлено пороговое значение (threshold). Если показатель выше порога, то пищалка переходит в состояние HIGH. Издается звук частотой 1000 Гц, Bluetooth-модуль отправляет строку: "ALARM! Forest Fire detected!" ;

-Сброс: Если дым рассеялся (ложная тревога), звук выключается, отправляется сигнал "System OK".

Комбинация звукового и беспроводного сигналов необходима для того, чтобы спугнуть возможных поджигателей (сиреной) и гарантированно оповестить егеря даже на расстоянии до 100 метров (радиус Bluetooth..

Алгоритм программы:

#include <SoftwareSerial.h>
#include <DHT.h>
// ===== Пины =====
#define DHTPIN 2
#define DHTTYPE DHT11
#define MQ2_PIN A0
#define BUZZER_PIN 8
// Bluetooth
#define BT_RX 10
#define BT_TX 11
// ===== Объекты =====
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
SoftwareSerial BT(BT_RX, BT_TX);
// ===== Настройки =====
int smokeThreshold = 350; // Порог дыма
float tempThreshold = 35.0; // Порог температуры
void setup()
{
Serial.begin(9600);
BT.begin(9600);
dht.begin();
pinMode(BUZZER_PIN, OUTPUT);
digitalWrite(BUZZER_PIN, LOW);
Serial.println("System Started");
BT.println("System Started");
}
void loop()
{
// ===== MQ-2 =====
int smokeValue = analogRead(MQ2_PIN);
// ===== DHT11 =====
float temp = dht.readTemperature();
float hum = dht.readHumidity();
if (isnan(temp) || isnan(hum))
{
Serial.println("DHT11 ERROR");
BT.println("DHT11 ERROR");
delay(2000);
return;
}
// ===== Вывод в Serial =====
Serial.print("Smoke: ");
Serial.print(smokeValue);
Serial.print(" | Temp: ");
Serial.print(temp);
Serial.print(" C");
Serial.print(" | Humidity: ");
Serial.print(hum);
Serial.println(" %");
// ===== Вывод в Bluetooth =====
BT.print("Smoke: ");
BT.print(smokeValue);
BT.print(" | Temp: ");
BT.print(temp);
BT.print(" C");
BT.print(" | Humidity: ");
BT.print(hum);
BT.println(" %");
// ===== Тревога =====
if (smokeValue > smokeThreshold || temp > tempThreshold)
{
tone(BUZZER_PIN, 2000);
Serial.println("!!! ALARM !!!");
BT.println("!!! ALARM !!!");
}
else
{
noTone(BUZZER_PIN);
}
delay(2000);
}

2.3Демонстрация работы системы и передача сигнала егерю

Для наглядной проверки работоспособности разработанного прототипа был проведён экспериментальный запуск в условиях, приближенных к реальным (задымление с помощью подожжённой сухой травы).

Устройство расположено в собранном из LEGO дереве,Подносим горящую траву к датчику дыма, в результате чего:

  1. Датчик фиксирует рост уровня углекислого газа и дыма.

  2. Пьезо-пищалка издает характерный звук «пи-пи-пи».

  3. На смартфоне лесника, сопряженном через Bluetooth (терминал Bluetooth RC Controller), появляется сообщение: «Fire Hazard! Check sensor 1».

По итогу эксперимента, мы можем считать, что система сработала безотказно. Время реакции от появления дыма до отправки сообщения составило менее 3 секунд. Егерь получил оповещение мгновенно, что позволяет ему оперативно выдвинуться к месту проверки.

Заключение

В ходе этой работы нам удалось достичь главной цели: мы создали не просто набор деталей на плате, а настоящего электронного стража леса. Сегодня, когда лесные пожары ежегодно уничтожают уникальную природу и угрожают жизни людей, проблема раннего обнаружения огня стоит как никогда остро. Мы увидели, что существующие системы — спутники и камеры — либо слишком дороги, либо действуют с опозданием. Егерь физически не может находиться везде сразу, и к тому моменту, когда он замечает дым, пламя часто уже невозможно остановить.

Поэтому мы предложили иное решение — недорогого, чуткого и самостоятельного помощника. Наш прототип умеет вовремя распознать самую первую угрозу — запах дыма — и мгновенно действовать. Он не ждёт, пока кто-то увидит огонь, а сам подаёт резкий звуковой сигнал, способный привлечь внимание, и, что самое важное, отправляет личное тревожное сообщение прямо на смартфон лесника. Теперь егерю не нужно постоянно вглядываться в горизонт — он получит сигнал бедствия, даже находясь на другом конце лесного участка или за чашкой чая в сторожке.

Мы убедились, что наша система работает быстро, безопасно и способна дать фору драгоценных минут, которые отделяют маленькое возгорание от большой катастрофы. Этот проект — яркий пример того, как даже из доступных каждому школьнику компонентов может родиться смелое инженерное решение, способное спасать природу и жизни. Наша разработка — это шаг к тому, чтобы леса перестали молчать о беде, а всегда могли «позвонить» и попросить помощи.

Приложение

   

Рисунок 1

Рисунок 2
   

Рисунок 3

Рисунок 4
   

Рисунок 5

  
   
   

Список литературы

  1. Аксенова, Е. А. Принципы подключения к контроллеру Arduino UNO R3 датчиков, индикаторов, исполнительных механизмов и устройств : учебное пособие для вузов / Е. А. Аксенова, В. В. Бурков, А. В. Васильков. — Санкт-Петербург : Лань, 2025. — 84 с.

  2. Аксенова, Е. А. Принципы подключения к контроллеру Arduino UNO R3 датчиков, индикаторов, исполнительных механизмов и устройств : учебное пособие для СПО / Е. А. Аксенова, В. В. Бурков, А. В. Васильков. — Санкт-Петербург : Лань, 2025.

Интернет-источники:

  1. https://supereyes.ru;

  2. https://xn--18-6kcdusowgbt1a4b.xn--p1ai.

Просмотров работы: 0