秦鈺林 周若麟 張珂欣 范訓禮 馮瑞航

摘 要：森林火災是一種我國常見的自然災害，具有突發(fā)、破壞大、處置難的特征，對森林的生態(tài)環(huán)境和人類的社會生態(tài)帶來難以彌補的危害。一般的林業(yè)火災監(jiān)測預防設備存在工作效率低、時間效度性差、無法遠程預警等問題。文中設計了一種基于NB-IoT窄帶通信技術、無線傳感網技術的林業(yè)火災監(jiān)測預警系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過構建“正六邊形”傳感器監(jiān)測網格，將STM32微控制器、煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌B-IoT通信模塊等設備搭載在監(jiān)測格節(jié)點上，傳感器測量環(huán)境數據并傳入微控制器進行處理，若數據超過設定閾值，微控制器驅動NB-IoT通信模塊，將數據和初步預警信息上傳至阿里云服務器，PC端從服務器獲取初步預警數據并報警，同時轉發(fā)數據至手機APP，及時報警。該系統(tǒng)具有工作效率高、時間效度好、多平臺預警等特點。測試結果顯示，系統(tǒng)的穩(wěn)定性高，在林業(yè)信息化領域的應用前景廣闊。

關鍵詞：林火監(jiān)測;STM32;多傳感器組網;NB-IoT窄帶通信;服務器;微控制器

中圖分類號：TP277.1文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）06-00-03

0 引 言

我國是林業(yè)資源充足的大國，同時也是林火災害發(fā)生較為嚴重的國家。林業(yè)火災不僅威脅人民生命財產安全、破壞生態(tài)環(huán)境，還造成巨大的經濟損失[1]。因此，森林火災的監(jiān)測傳輸、預防預警、處置反應極為重要，現有傳統(tǒng)方法在實際工作環(huán)境中表現出費時費力、效率低下等缺點，且只對環(huán)境信息中的一種物化信息進行監(jiān)測，易出現誤報、漏報等問題[2]。將NB-IoT窄帶通信技術和多種傳感器組網技術應用到森林火災監(jiān)測中可解決以上難題，減少人員傷亡、財產損失。因此開發(fā)可長期布置、反應及時、遠程監(jiān)控的森林火災監(jiān)測預警系統(tǒng)具有一定的社會意義[3]。

針對火災監(jiān)測技術的要求以及傳統(tǒng)火災監(jiān)測技術的不足，本文通過構建“正六邊形”傳感器監(jiān)測網格，將STM32微控制器、煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、NB-IoT通信模塊等設備搭載在監(jiān)測格節(jié)點上，傳感器測量環(huán)境數據并傳入微控制器處理。如果數據超過設定閾值，微控制器驅動NB-IoT通信模塊，將數據和初步預警信息上傳至云服務器，PC端從服務器獲取初步預警數據并報警，同時轉發(fā)數據到手機APP。文中提出的基于NB-IoT窄帶通信技術、無線傳感網技術的林業(yè)火災監(jiān)測預警系統(tǒng)經實驗測試，可以滿足一定范圍內的林業(yè)火災監(jiān)測。

1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)總體設計結構如圖1所示。系統(tǒng)由PC客戶端、手機APP客戶端、阿里云服務器和正六邊形監(jiān)測網格的節(jié)點（STM32微控制器、可充電電池、太陽能光電效應板、煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、NB-IoT通信模塊）等組成。節(jié)點采用STM32微控制器作為下位機，用于采集煙霧濃度、溫度等數據，在STM32微控制器進行運算并發(fā)送儲存至阿里云服務器;PC客戶端、手機APP客戶端通過向服務器定期請求數據，實現實時監(jiān)測環(huán)境數據并進行預警、報警。傳感器組網實時測量森林的環(huán)境信息，并送入微控制器進行數據處理、分析，若采集的信息超出閾值，微控制器驅動NB-IoT通信模塊，上傳數據及預警、報警信息至服務器，PC客戶端、APP客戶端從服務器獲取數據，向企事業(yè)單位用戶、個人用戶分別預警、報警，并不同程度地顯示數據。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 STM32 處理器

正六邊形監(jiān)測網格的節(jié)點下位機采用Cortex-M4內核的STM32F429微控制器，該微控制器的最高主頻為168 MHz，擁有2 MB FLASH，192 KB SRAM，DMA通道，12位模數轉換器，具有更強的處理能力、更快的接口通信速率、更高的采樣率，因此在運算能力、傳輸能力等方面具有更好的性能。

2.2 傳感器模塊

2.2.1 煙霧傳感器

正六邊形監(jiān)測網格的節(jié)點下位機采用匯誠科技公司國產化的LM393，ZYMQ-2型煙霧傳感器。該傳感器的監(jiān)測濃度范圍為300～10 000 ppm，工作電壓為5 V，工作電流為150 mA。該傳感器共有4個接口，電源VCC，地線GND，TTL電平信號輸出DO，模擬信號輸出AO。具有模擬量輸出以及TTL電平輸出的雙路信號輸出功能，可調節(jié)電位器、傳感器靈敏度，防止誤報。MQ-2型煙霧傳感器原理如圖2所示。

2.2.2 火焰?zhèn)鞲衅?/p>

火災發(fā)生時，環(huán)境參數會發(fā)生劇烈的變化，其中一個顯著變化就是以火源為中心向外界發(fā)射一定波長的光線。因此，本文采用火焰?zhèn)鞲衅鬟M行監(jiān)測。該傳感器由LM393、火焰檢測探頭組成，對火焰光波長極為敏感，能檢測760～

1 100 nm波長的光。工作電壓為3.3～12 V，工作電流小于1.6 mA，其接口有電源VCC，接地GND，TTL開關信號輸出DO，模擬信號輸出AO。其探測角度約為60°，為全方位監(jiān)測火源，系統(tǒng)將6個火焰?zhèn)鞲衅骼壖蔀橐唤M，分別監(jiān)測60°的扇面區(qū)域?；鹧?zhèn)鞲衅髟砣鐖D3所示。

2.3 NB-IoT窄帶通信模塊

正六邊形監(jiān)測網格節(jié)點的煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鹘M將煙霧濃度、火焰光線等環(huán)境數據采集后傳送到STM32微控制器，通過MQ-2型煙霧傳感器窄帶傳輸模塊實時上傳至阿里云服務器，但要求通信模塊具有速度高、時延小等特點。

本系統(tǒng)采用STM32主控芯片和NB-IoT通信芯片，使用窄帶物聯網（NB-IoT）通信。NB-IoT主要用于構建蜂窩網絡，需消耗約180 kHz帶寬，支持低功耗監(jiān)測節(jié)點在廣域網的蜂窩數據連接，待機時間長[4]。

與處理器通信方面，NB-IoT窄帶通信芯片和STM32微控制器之間通過串口相連，支持標準AT指令集和擴展AT指令集。本系統(tǒng)采用AT命令進行控制。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 節(jié)點軟件設計

該森林火災監(jiān)測預警系統(tǒng)節(jié)點上電復位后，首先進行系統(tǒng)初始化，然后通過與附近的NB-IoT基站進行身份校驗以加入窄帶通信網絡。當加入網絡后，節(jié)點進入周期性循環(huán)工作流程，定時定期對傳感器采集的環(huán)境信息進行分析處理;將采集的數據打包，寫入發(fā)送緩存區(qū)，定時對采集數據進行更新，并通過基站發(fā)送數據至阿里云服務器。為保證節(jié)點正常工作，工作循環(huán)設置判斷語句，詢問電量是否充足，當電量不足時，進行關機保護，防止數據丟失。節(jié)點控制流程如圖4所示。

3.2 客戶端軟件設計

本文所述的森林火災監(jiān)測預警系統(tǒng)中，微控制器與云端服務器的通信基于套接字Socket協議，同時使用UDP協議。微控制器中的客戶端程序首先調用AT指令，命令NB-IoT通信模塊通過字節(jié)流將約定的注冊包發(fā)送至云平臺，云平臺確認注冊包后，與節(jié)點建立UDP連接，并發(fā)送環(huán)境信息到云平臺。之后，云平臺再通過使用python編寫的基于TCP的服務器客戶端程序將數據發(fā)至云端服務器。

APP和PC客戶端采用基于HTTP的協議，通過云端服務器的公網域名訪問云端服務器中提前生成的Json文件，并獲取儲存在文件中的環(huán)境數據及預警信息，之后通過用戶界面呈現。

3.3 服務器端軟件設計

該森林火災監(jiān)測預警系統(tǒng)服務器端軟件使用電信物聯網云平臺的專用客戶端程序get_data.py，此程序可用于接收節(jié)點發(fā)送的數據，并對數據進行儲存和進一步分析處理。首先，客戶端打開Socket套接字，用云平臺的IP地址、端口號與云平臺建立TCP連接，然后調用recv函數接收云平臺發(fā)送的字節(jié)流信息，并進行字節(jié)流到字符串的格式轉換，以“*”為標志，用split函數對各數據類別進行辨認、標識，儲存在data目錄的節(jié)點歷史數據文件中，最后生成Json文件。

APP服務器端程序采用Servlet。通過Servlet實現的接口允許APP基于HTTP協議通過公網域名訪問云服務器中的Json文件并獲取其中的數據。

4 系統(tǒng)測試結果

系統(tǒng)測試選擇一片小樹林作為模擬實際森林環(huán)境的地點。選用一臺配置有虛擬串口和上位機軟件的筆記本電腦，以及安裝有APP的手機在實驗室內模擬實際客戶。

通過使用打火機點燃紙張等方法模擬火災場景，并進行火災監(jiān)測預警。系統(tǒng)測試開始前，先調試下位機、服務器、客戶端、上位機，保證它們正常運行，且保持良好通信狀態(tài)。傳感器將測量的環(huán)境數據送入微控制器進行處理，若超過設定的閾值則判斷為有火災發(fā)生，并通過NB-IoT通信模塊發(fā)送至云端服務器，客戶端從服務器獲取數據后進行火災預警和火場環(huán)境數據顯示。當模擬實驗點火后，客戶端顯示預警提示、各測量值已超過閾值提示，以及火災現場的環(huán)境信息等。APP客戶端顯示界面如圖5所示。

多次測試結果證明，該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠性較高。多個傳感器測量到的數據準確度高，系統(tǒng)對森林火災發(fā)生的判斷準確可靠。因此該系統(tǒng)在可靠程度、穩(wěn)定程度、準確程度等方面均可滿足設計要求。

5 結 語

本文設計了一款基于NB-IoT窄帶通信和多傳感器組網技術的森林火災監(jiān)測預警系統(tǒng)，其上位機由PC客戶端、APP客戶端組成，下位機由STM32微控制器、火焰?zhèn)鞲衅鳌熿F傳感器、NB-IoT窄帶通信模塊等組成。通過多種傳感器測量森林環(huán)境信息，之后將其送入微控制器進行分析處理，判斷火災發(fā)生的可能性，若判定為發(fā)生火災，則通過NB-IoT窄帶通信網絡將數據上傳至阿里云服務器，PC客戶端、APP客戶端從服務器獲取數據后，顯示數據并進行火災報警，實現森林火災的實時監(jiān)測。測試結果表明，相比于傳統(tǒng)的森林火災監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠實時、準確、高效、廣域地進行火災監(jiān)測預警，具有運行效率高、監(jiān)測時效性強、通信穩(wěn)定性高、節(jié)點耗能低等特點，在農業(yè)信息化領域具有廣闊的應用前景。

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