Предупреждение лесных пожаров

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

Предупреждение лесных пожаров

Кучкин А.В. 1
1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение "Cредняя общеобразовательная школа № 8"
Кучкина И.А. 1
1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение "Cредняя общеобразовательная школа № 8"
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

1. Введение

Лесные пожары стали бедствием мирового масштаба. Они уничтожают не только «легкие» нашей планеты - леса, но и целые населенные пункты. Пожары являются причиной гибели людей и животных. Народному хозяйству нашей страны наносится огромный убыток, в 2017 году ущерб составил 10 млрд. рублей.

Актуальность работы заключается в том, что необходимо раннее выявление очага возгорания в лесу, чтобы его ликвидировать. Для быстрого обнаружения стихийного распространения огня предлагаю использование созданного мной устройство.

Гипотеза: если создать модель устройства для раннего обнаружения пожара в лесу, то появится возможность быстро устранить источник возникновения пожара.

Цель работы: Разработка, создание и программирование модели устройства для выявления огня в лесу.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

  • Изучить информацию о видах пожара.

  • Изучить способы обнаружения пожара

  • Изучить основные компоненты микроконтроллерной платформы Arduino.

  • Разработать модель устройства.

  • Сконструировать разработанную модель с использованием плат Arduino.

  • Создать алгоритм функционирования модели.

  • Создать и отладить программу работы модели в интегрированной среде Cи.

Объект исследования: изучение устройств, выявляющих очаги возгорания.

Предмет исследования: авторские модели устройств на основе микроконтроллерной платформы Arduino.

Для решения поставленных задач были использованы следующие методы исследования:

    1. Теоретический анализ существующих моделей:

    2. Практические:

  1. Разработка модели устройства.

  2. Конструирование.

  3. Создание программы с помощью среды программирования Си.

  4. Отладка работы программы.

Теоретическая значимость: расширение знаний по информатике, робототехнике, физике.

Практическая значимость: Модель можно использовать для конструирования функционирующего устройства, которое будет выявлять и информировать о месте возникновения пожара.

2. Описание работы Лесно́й пожа́р — стихийное, неконтролируемое распространение огня по лесным площадям 1.

Типы лесных пожаров

Низовые - сгорает лесная подстилка, лишайники, мхи, травы, опавшие на землю ветки и т. п. Скорость движения пожара по ветру 0,25—5 км/ч. Высота пламени до 2,5 м. Температура горения около 700 °C (иногда выше).

Верховые - охватывают листья, хвою, ветви, и всю крону, травяно-моховой покров почвы и подрост. Скорость распространения от 5—70 км/ч. Температура от 900 °C до 1200 °C.

Подземные (торфяные) пожары возникают в результате осушения болот. Распространяются со скоростью до 1 км в сутки. Могут быть малозаметны и распространяться на глубину до нескольких метров, вследствие чего представляют дополнительную опасность и крайне плохо поддаются тушению.

Мониторинг лесных пожаров в России

Обнаружение лесных пожаров осуществляется четырьмя основными способами2:

  • путём наблюдения со специально оборудованных пожарных наблюдательных вышек, мачт и других сооружений;

  • путём наземного наблюдения пешим порядком и с использованием конного и автотранспорта;

  • путём авиационного наблюдения с помощью специальных приборов;

  • путём анализа информации из космоса

В 2008 году нижегородская компания «Дистанционные системы контроля» разработала «Лесной Дозор» — инновационную систему мониторинга леса для раннего обнаружения лесных пожаров и определения их координат3. «Лесной Дозор» функционирует на базе современных технологий: IP-видеонаблюдения, мобильных приложений, географических информационных систем (ГИС), Интернет-приложений и «компьютерного зрения»4.

В 2011 году омское предприятие «Прогресс» разработало автономную систему мониторинга лесных пожаров на солнечных батареях, которая может зафиксировать задымление в радиусе 40 километров и передать сигнал по спутниковой связи.

Практическая часть 2.1 Описание модели

При разработки электронной схемы, в ходе отладки я использовал следующие компоненты:

  • контроллер Arduino UNO;

  • GSM shield;

  • SIM-карта;

  • плата для прототипирования;

  • датчик температуры LM335;

  • резистор 2,2 кОм;

  • провода папа-папа;

  • элемент питания 9 V.

На плату Ардуино крепится GSM shield SIM 900. Этот модуль позволяет Arduino работать в сетях сотовой связи по технологиям GSM для приема и передачи данных. На плате расположен слот для SIM карты. В свое работе я использую LM335 – температурный чувствительный элемент с диапазоном от –40 °C до +100 °C и точностью в 1 °C. По принципу действия датчик LM335 представляет собой стабилитрон, у которого напряжение стабилизации зависит от температуры. При повышении температуры на один градус Кельвина напряжение стабилизации увеличивается на 10 милливольт. Для измерения температуры используются 2 вывода, третий нужен для калибровки датчика5. Аналоговый датчик температуры LM335 подсоединен к выходу A0 макетной платы для монтажа без пайки. Плата для прототипирования позволяет произвести сборку и отладку электронной схемы с заменой радиодеталей без использования паяльника. Она изготовлена из пластика и состоит из матрицы контактных посадочных мест с расстоянием между ними 2,54 мм. В ходе работы модель была усовершенствована, добавлен MQ-7 - датчик измерения концентрацииугарного газа. (Приложение I рис.1-7).Схема соединения (Приложение II). Изделие помещаем в корпус из солнечных батарей.

2.2 Описание программы работы модели Программа создана в среде программирования Си. Замеряется аналоговое показание датчика температуры на выходе А0, переводится в градусы Цельсия. Замеряется показание датчика на выходе А5.Если температура выше 80 градусов или превышается допустимое значение содержание угарного газа, то отправляется SMS сообщение со значением температуры на номер телефона, указанного в программе. (Приложение III)

Входе работы проводился эксперимент. Зажигалась газовая горелка, источник огня направлялся в сторону датчиков. В домашних условиях в закрытом помещении датчики реагировали на изменение температуры и содержание угарного газа, отправлялось сообщение на указанный номер. (Приложение IV)

Практическое применение

Устройство помещается в лесу, на деревья и кустарниках на разной высоте, в местах частого посещения людей. В случае возникновения пожара, датчик LM335зафиксирует скачек температуры выше 80 градусов Цельсия, или датчик газа определит превышение концентрации угарного газа, оператору будет отправлено SMS сообщение с места пожара. В летнее время будет проведен эксперимент на открытой местности с соблюдением техники безопасности.

Экономическая составляющая проекта

Наименование

Цена

контроллер Arduino UNO

515 р

GSM shield

1700 р

SIM-карта

200 р

плата для прототипирования

235 р

датчик температуры LM335

100 р

датчик угарного газа MQ-7

185 р

резистор 2,2 кОм

51 р

провода папа-папа

250 р

элемент питания 9 V

400 р

ИТОГО:

3636

Предлагаю разместить устройства по периметру города Лабытнанги, который равен примерно 19 км=19000 м. Диапазон действия датчиков угарного газа и датчика температуры - 50 метров.

19000/50=380 потребуется устройств для размещения вокруг города.

380*3636=1 381 680 рублей стоимость всех устройств

40 000 000/1 381 680=28,5 раз дешевле авиапатрулирования

Вывод: Предлагаемый способ обнаружения позволяет выявлять возгорание за 1 381 680 рублей, модель выявления пожара сократит траты на авиапатрулирование лесов, которые составляют в каждом регионе около 40 миллионов рублей в год6.

3. Заключение

Таким образом, изучив схемы основы работы с микроконтроллерной платформы Arduino, была создана имитационная модель. Работой устройства управляет программа, созданная в среде программирования Си.

В результате проведённой работы я научился самостоятельно формулировать цель и задачи проекта, составлять индивидуальный план проведения работы, рассчитывать время на разных этапах практической работы. В ходе работы я проектировал технические решения и реализовал их в виде функционирующей модели.

Результатом моей работы является устройство, позволяющее выявлять место возникновения пожара и сообщать о нем оператору.

Список использованной литературы и информационных ресурсов

  1. Энциклопедия «Техника». — М.: Росмэн 2006

  2. Петин В.А., Биняковский А.А. Практическая энциклопедия Arduino. - М.:ДМК Пресс,

  3. 2017. - 152 с.

  4. Джереми Блум, Изучаем Arduino: инструменты и методы технического волшебства:пер. с англ. - СПб.:БХВ-Петербург, 2017. - 336 с. ил.

Интернет-ресурсы

  1. https://ru.wikipedia.org/wiki/ - Лесной пожар

  2. http://irkutskmedia.ru/news/629076/

  3. https://arduino-kit.ru - уроки Ардуионо

  4. http://pravdaurfo.ru/news/153703-v-yanao-zagorelis-lesa В ЯНАО ЗАГОРЕЛИСЬ ЛЕСА

  5. http://med-heal.ru/archives/712 - Лесные пожары опасны для сердца

  6. http://900igr.net/kartinka/obg/prirodnye-pozhary-134633/opredelite-vid-lesnogo-pozhara-17.html - Низовые пожары

  7. http://golos-buryatyi.ru/lokalizovan-lesnoy-pozhar-vozle-poselka-taksimo/ - Ежедневные новости республики Бурятия

  8. https://ria.ru/nsk/20131111/975853092.html?inj=1- Способы обнаружения и тушения природных пожаров

Приложение I

МОДУЛИ, ПЛАТЫ АРДУИНО

   

Рис.1

Рис.2

   

Рис.3

Рис.4

   

Рис.5

Рис.6

   

Рис.7

 

Приложение II

МОДЕЛЬ УСТРОЙСТВА

Приложение III

ПРОГРАММА УСТРОЙСТВА

//Измеряется температура. при увеличении температуры до 80 градусов

//С отправляется CMC на указанный номер

int temp=0;

int sensorPin = A0;

int analogMQ7 = A5; // Пин к которому подключен A0 для датчика газа

int valG = 0; // Создаем переменную для газа

// подключение библиотеки SoftwareSerial

#include

// номер телефона для отправки sms

#define PHONE "+79195513673"

// Выводы для SoftwareSerial (на 7,8)

SoftwareSerial Sim900Serial(7, 8);

void setup()

{

Serial.begin(9600);

Sim900Serial.begin(9600);

Serial.println("Warming-UP"); // Печать текста "Разогрев"

delay(1000); // Пауза 6 с

Serial.println("Measurement"); // Печать текста "Измерение"

}

void loop()

{

// программа для датчика газа

valG = analogRead(analogMQ7); // Считываем значение с порта A5

Serial.print("CO = " ); // Печать текста

Serial.println(valG); // Вывод значение переменной valG

delay(1000); // Пауза

// программа для датчика температуры

int readlng=analogRead(sensorPin);

float voltage=readlng*6.50/1024;

float t=voltage*100;

Serial.print(t);Serial.println("t");

delay(500);

if (t > 90||valG>250)

{ // AT-команда установки text mode

Sim900Serial.print("AT + CMGS = "");

Sim900Serial.print(PHONE);

Sim900Serial.println(""");

delay(9000);

Serial.println(t);

Sim900Serial.println(t);

delay(100);

Sim900Serial.println((char)26);

delay(100);

Sim900Serial.println();

Serial.println(valG);

Sim900Serial.println(valG);

}

}

Приложение IV

1 https://ru.wikipedia.org/wiki/Лесной_пожар#cite_note-_ff4ac6691bc8713b-7

2 Основы лесного хозяйства, 2008, с. 208.

3 «МАРЧМОНТ Капитал Партнерс»: В сфере особого внимания — инновации: «ДСК» уходит в «Лесной дозор».

4 Пресс-служба ОАО «МТС»: МТС установит «лесной дозор» за пожарами.

5 https://arduino-kit.ru/textpage_ws/pages_ws/proekt-14_--datchik-temperaturyi-analogovyiy-lm335.-printsip-rabotyi-primer-rabotyi

6 Ученые разработали автономную станцию мониторинга лесных пожаров // РИА «Новости» (12 сентября 2011 г.)

Просмотров работы: 65