李春成，楊 云，陳 亮，何 劍，丑修建

(中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

近幾年，受全球氣候異常變化、人類(lèi)活動(dòng)頻繁等因素的影響，森林大火出現(xiàn)的頻率呈迅速增加趨勢(shì)，這對(duì)地球生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成巨大威脅。如果能在火情出現(xiàn)的早期階段及時(shí)準(zhǔn)確地報(bào)告森林火災(zāi)出現(xiàn)的具體位置和狀況，將有助于消防人員及時(shí)采取措施，最大限度降低森林火災(zāi)的蔓延，從而避免造成巨大生態(tài)破壞和生命財(cái)產(chǎn)損失[1－3]。目前，主要的森林防火措施仍舊以地面巡邏、監(jiān)視塔、衛(wèi)星監(jiān)控等為主[4]。這些方法需要巨大投入(財(cái)力、物力、人力)但卻收效有限，在實(shí)踐中取得效果并不理想。其中，國(guó)內(nèi)主要采用地面巡護(hù)、望臺(tái)監(jiān)測(cè)和航空巡護(hù)等方法[5]，多數(shù)情況下分布智能化和可靠性比較低。因此，開(kāi)發(fā)智能火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變得十分重要。本文提出了一種低功耗森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用太陽(yáng)能和風(fēng)能互補(bǔ)的優(yōu)勢(shì)，可以最大限度地收集環(huán)境中的能量，將其轉(zhuǎn)換成電能實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的供能。在電路的結(jié)構(gòu)和程序中采集了低功耗設(shè)計(jì)，進(jìn)一步減少了系統(tǒng)的功耗。本設(shè)計(jì)可以監(jiān)測(cè)周?chē)h(huán)境的溫度、濕度、氣壓信息，并且探測(cè)周?chē)欠裼忻骰?，可以獲取位置信息，將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線發(fā)送到遠(yuǎn)端。本設(shè)計(jì)具有體積小，重量輕，易于布放等優(yōu)點(diǎn)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)包括能量采集單元、能量管理單元、數(shù)據(jù)采集單元、核心控制單元和無(wú)線通信單元，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。能量采集單元是將外界環(huán)境中的太陽(yáng)能和風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能；能量管理單元負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和管理所采集的能量，并驅(qū)動(dòng)其他三個(gè)單元進(jìn)行正常的運(yùn)作；傳感單元對(duì)監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行感知產(chǎn)生電信號(hào)，并且將信號(hào)移交到核心控制單元處理；核心控制單元負(fù)責(zé)執(zhí)行用戶(hù)的程序和處理數(shù)據(jù)；無(wú)線通信單元將傳感節(jié)點(diǎn)連接成傳感網(wǎng)絡(luò)，傳感網(wǎng)絡(luò)可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接到互聯(lián)網(wǎng)，監(jiān)測(cè)中心可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)傳感器采集到的信息。傳感單元包括定位模塊，無(wú)線傳輸模塊，溫濕度模塊，氣壓模塊，火焰?zhèn)鞲衅?，能夠監(jiān)測(cè)周?chē)臏囟取穸?、氣壓和位置信息，從而感知周?chē)欠裼谢鹧娌?shí)時(shí)將傳感器采集到的信息無(wú)線傳輸?shù)浇邮斩恕?/p>

圖1 硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 能量采集單元

能量采集單元主要包括風(fēng)能采集和太陽(yáng)能采集兩部分。在整個(gè)風(fēng)能自供電無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)是能量采集部件，它負(fù)責(zé)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，如圖2 所示。能量的轉(zhuǎn)換包含有兩個(gè)過(guò)程:風(fēng)力推動(dòng)風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；機(jī)械能再通過(guò)發(fā)電結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成電能[6－7]。太陽(yáng)能采集使用的是太陽(yáng)能電池板，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能[8]。

圖2 能量采集模塊結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

風(fēng)能采集將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能的原理是電磁感應(yīng)現(xiàn)象:閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生電流，這種現(xiàn)象叫電磁感應(yīng)現(xiàn)象。本質(zhì)是閉合電路中磁通量的變化。使用小型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)給監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)供電許多優(yōu)點(diǎn)[9]:一方面可以利用風(fēng)能充當(dāng)電源，解除了鋪設(shè)電纜或頻繁更換電池的煩惱，另一方面通過(guò)密集布置的節(jié)點(diǎn)，也提高了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的密度和精度。這種小型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，相比常規(guī)的大功率風(fēng)機(jī)而言，有如下優(yōu)勢(shì):(1)由于體積小型化，部署位置要求低；(2)大功率風(fēng)機(jī)工作時(shí)的風(fēng)速均在10 m/s 以上，而距離地面高度較低的風(fēng)速一般在2 m/s～7 m/s，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以在低風(fēng)速的條件下采集能量；(3)風(fēng)機(jī)體積小、重量輕和成本低，可以適應(yīng)無(wú)線節(jié)點(diǎn)的部署需求。

風(fēng)能采集需要整流電路，低損耗DC/DC 電路，能量存儲(chǔ)電路，電池充電電路等。綜合考慮，風(fēng)能采集使用能源管理芯片LTC3331，原理圖如圖3 所示。當(dāng)收集能量可用時(shí)，LTC3331 可以提供高達(dá)50 mA的連續(xù)輸出電流，以延長(zhǎng)電池壽命。當(dāng)收集的能量可以穩(wěn)定提供給負(fù)載時(shí)，LTC3331 僅需電池提供200 nA 電流；當(dāng)空載時(shí)，靜態(tài)電流僅為950 nA；當(dāng)沒(méi)有能夠收集的能量時(shí)，鋰電池為降壓－升壓型轉(zhuǎn)換器供電，該轉(zhuǎn)換器可以在高達(dá)4.2 V 的整個(gè)電池電壓范圍內(nèi)工作。當(dāng)采集的能量不可用時(shí)，LTC3331自動(dòng)轉(zhuǎn)換為電池供電。LTC3331 配備了一個(gè)超級(jí)電容器平衡器，一個(gè)簡(jiǎn)單的10 mA 電池充電器，能夠用采集到的能量給超級(jí)電容或鋰電池供電，同時(shí)具有低電壓斷接保護(hù)功能，當(dāng)電池電量低于設(shè)定值時(shí)斷接電池以避免電池深度放電。

圖3 LTC3331 原理圖

太陽(yáng)能光伏電池發(fā)電的原理是光生伏特效應(yīng)[10]:當(dāng)太陽(yáng)光(或其他光)照射到光伏電池上時(shí)，電池會(huì)產(chǎn)生“光生電壓”。若將電池引出電極并接上負(fù)載，則負(fù)載就有“光生電流”流過(guò)，從而獲得功率輸出。由于森林的環(huán)境比較復(fù)雜，一般的能量采集芯片無(wú)法滿(mǎn)足需求，為了最大程度地收集利用環(huán)境中的能量，本設(shè)計(jì)采用具有太陽(yáng)能最大功率點(diǎn)追蹤(Maximum power point tracking，MPPT)功能的芯片CN3791，其原理圖如圖4 所示。由太陽(yáng)能板的伏安特性曲線可知，當(dāng)環(huán)境溫度恒定時(shí)，在不同的日照強(qiáng)度下，對(duì)應(yīng)最大輸出功率的輸出電壓基本相同。因此，只要保持太陽(yáng)能板的輸出端的電壓為恒定電壓，就能保證在該溫度下光照強(qiáng)度不同時(shí)，太陽(yáng)能板輸出最大功率。CN3791 太陽(yáng)能板最大功率點(diǎn)跟蹤端MPPT 管腳的電壓被調(diào)制在1.205 V，配合片外的兩個(gè)電阻(圖4 中的R3和R4)構(gòu)成的分壓網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能板最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤。太陽(yáng)能板最大功率點(diǎn)電壓由下式?jīng)Q定:

圖4 CN3791 原理圖

當(dāng)輸入電源的電流輸出能力降低時(shí)，內(nèi)部電路可以自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)能板的最大功率點(diǎn)，可最大限度地利用太陽(yáng)能板的輸出功率。

3 低功耗電路設(shè)計(jì)

3.1 主控芯片

STM32C8T6 是STM 公司生產(chǎn)的芯片，集成了豐富的片內(nèi)外設(shè)，如看門(mén)狗，DMA(Direct Memory Access，直接存儲(chǔ)器訪問(wèn))控制器，UART 接口，SPI 接口，RTC 實(shí)時(shí)時(shí)鐘，擁有睡眠、停機(jī)和待機(jī)模式[11－12]。本設(shè)計(jì)中串口發(fā)送數(shù)據(jù)使用了DMA 傳輸，將數(shù)據(jù)從一個(gè)地址空間復(fù)制到另外一個(gè)地址空間。STM32 的RTC 模塊擁有一組連續(xù)計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器，在相應(yīng)軟件配置下，可提供時(shí)鐘日歷的功能。修改計(jì)數(shù)器的值可以重新設(shè)置系統(tǒng)當(dāng)前的時(shí)間和日期。

3.2 傳感器電路設(shè)計(jì)

森林火災(zāi)的發(fā)生與天氣有密切關(guān)系，高溫、連續(xù)干旱、大風(fēng)天氣容易引起火災(zāi)。在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，周?chē)臏囟?，濕度和氣壓?huì)產(chǎn)生較大的變化。本設(shè)計(jì)中含有溫濕度采集模塊DHT11 監(jiān)測(cè)溫度和濕度的變化，高精度氣壓傳感器MS5611－01BA 監(jiān)測(cè)氣壓的變化，通過(guò)溫度，濕度和氣壓信息對(duì)容易發(fā)生火災(zāi)的地區(qū)做出預(yù)警；用火焰?zhèn)鞲衅魈綔y(cè)周?chē)鞘欠裼忻骰?；使用GPS 模塊發(fā)送傳感器的位置，方便提前采取相應(yīng)的措施。

DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC 測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8 位單片機(jī)相連接。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式存在OTP 內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。

MS5611－01BA 氣壓傳感器是由MEAS(瑞士)推出的一款SPI 和I2C 總線接口的新一代高分辨率氣壓傳感器，測(cè)量高度分辨率可達(dá)到10 cm。該傳感器模塊包括一個(gè)高線性度的壓力傳感器和一個(gè)超低功耗的24 位Σ 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(工廠校準(zhǔn)系數(shù))。

火焰?zhèn)鞲衅魇菍?zhuān)門(mén)用來(lái)搜尋火源的傳感器，火焰?zhèn)鞲衅饕部梢杂脕?lái)檢測(cè)光線的亮度，只是傳感器對(duì)火焰特別靈敏。火焰?zhèn)鞲衅骼眉t外線對(duì)火焰非常敏感的特點(diǎn)，使用特制的紅外線接受管來(lái)檢測(cè)火焰，然后把火焰的亮度轉(zhuǎn)化為高低變化的電平信號(hào)。

3.3 低功耗設(shè)計(jì)

由于森林一般地域遼闊且環(huán)境復(fù)雜，一次性布設(shè)完設(shè)備后需要使用較長(zhǎng)年限，為了延長(zhǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用時(shí)間，減少能量消耗，工作電路采取低功耗設(shè)計(jì)[13]。穩(wěn)壓器負(fù)責(zé)將電池的電壓穩(wěn)定到3.3 V，但是它本身也會(huì)消耗一定能量?？紤]到該部件功能和體積的要求，使用低功耗穩(wěn)壓器件TPS7333。在器件的選擇上也進(jìn)行了低功耗設(shè)計(jì)。經(jīng)測(cè)試，傳統(tǒng)的GPS 的功耗為221 mW，工作電流為67.2 mA。本次設(shè)計(jì)采用的低功耗GPS 的功耗為104 mW，工作電流為32.6 mA，功耗不到傳統(tǒng)GPS 的一半。外圍電路中的傳感器(如通訊、定位模塊)的供電可以由芯片進(jìn)行控制，在系統(tǒng)休眠的時(shí)候極大地降低了系統(tǒng)的功耗?？刂菩酒部梢赃M(jìn)入休眠模式，進(jìn)一步降低系統(tǒng)的功耗。

表1 系統(tǒng)主要模塊節(jié)能前后的功耗

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 嵌入式程序流程設(shè)計(jì)

單片機(jī)程序處理過(guò)程如圖5 所示。首先進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的初始化，例如設(shè)定串口的波特率，延時(shí)函數(shù)初始化，配置單片機(jī)的時(shí)鐘頻率，RTC 時(shí)鐘配置。接著火焰?zhèn)鞲衅鏖_(kāi)始工作，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)周?chē)欠裼忻骰?，在監(jiān)測(cè)到明火時(shí)產(chǎn)生外部中斷，發(fā)送報(bào)警信號(hào)。單片機(jī)控制負(fù)載開(kāi)關(guān)為外設(shè)供電。經(jīng)過(guò)延時(shí)后，溫濕度模塊，氣壓模塊，定位模塊開(kāi)始初始化設(shè)置，配置內(nèi)部的I/O。外設(shè)初始化成功后，各個(gè)傳感器開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。GPS 模塊可以采集到位置信息和時(shí)間信息，使用GPS獲取的時(shí)間信息校準(zhǔn)RTC 時(shí)鐘的時(shí)間信息。RTC 時(shí)鐘可以在單片機(jī)芯片休眠或待機(jī)的時(shí)候提供時(shí)間信息。當(dāng)休眠時(shí)間結(jié)束時(shí)，可以喚醒單片機(jī)。將采集到的數(shù)據(jù)存放于Data＿BUFF 變量，使用DMA 將數(shù)據(jù)發(fā)送到串口，通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到無(wú)線模塊。無(wú)線發(fā)送成功以后，單片機(jī)關(guān)閉外設(shè)電源，進(jìn)入休眠狀態(tài)。在任何時(shí)候，當(dāng)火焰?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測(cè)到明火時(shí)，都可以通過(guò)外部中斷喚醒單片機(jī)，發(fā)送報(bào)警信號(hào)。

圖5 嵌入式程序流程圖

4.2 數(shù)據(jù)解析協(xié)議

芯片與上位機(jī)的通信協(xié)議如表2 所示，數(shù)據(jù)協(xié)議共有21 個(gè)字節(jié)。前4 個(gè)字節(jié)為幀頭，其中0x5A，0x5A 是幀頭標(biāo)志，數(shù)據(jù)標(biāo)志字節(jié)每一位分別代表溫濕度，電量，火焰?zhèn)鞲衅?，氣壓?jì)，GPS 信息，當(dāng)傳感器獲取到相應(yīng)的數(shù)據(jù)時(shí)，相應(yīng)位置置1。第4 個(gè)字節(jié)byte3 表示數(shù)據(jù)量，溫度和濕度各使用1 個(gè)字節(jié)，電量使用1 個(gè)字節(jié)，火焰?zhèn)鞲衅魇褂? 個(gè)字節(jié)，氣壓計(jì)使用4 個(gè)字節(jié)，經(jīng)度使用4 個(gè)字節(jié)，緯度使用4 個(gè)字節(jié)。第5 到第20 位為數(shù)據(jù)位，存放的是各個(gè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)，高位在前，低位在后。最后一位是數(shù)據(jù)校驗(yàn)位，用于檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否正確。

表2 串口通信協(xié)議

4.3 上位機(jī)程序

上位機(jī)處理數(shù)據(jù)流程如圖6 所示，由于硬件使用DMA 發(fā)送數(shù)據(jù)，每次可以發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)先進(jìn)行緩存，然后進(jìn)行幀頭識(shí)別和數(shù)據(jù)校驗(yàn)，如果校驗(yàn)失敗則舍棄本次數(shù)據(jù)，重新接收數(shù)據(jù)，校驗(yàn)成功則根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行解析，解析完成之后在軟件界面進(jìn)行顯示，接著進(jìn)行下一次的數(shù)據(jù)接收。

圖6 上位機(jī)處理數(shù)據(jù)流程圖

5 測(cè)試及結(jié)果分析

由于森林的環(huán)境比較復(fù)雜，為保障風(fēng)能和太陽(yáng)能的采集效率以及信號(hào)的穩(wěn)定傳輸，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)放置在森林開(kāi)闊地帶或者固定在樹(shù)木的高處。能源采集裝置采集環(huán)境中的能量，支持系統(tǒng)正常運(yùn)行，延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖7 所示，能量采集裝置表面分布著黑色的太陽(yáng)能電池板，在不同的光照角度均能良好地采集太陽(yáng)能。

圖7 森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)裝置

在風(fēng)速為7 m/s 時(shí)，測(cè)得存儲(chǔ)電容的充電曲線如圖8 所示。測(cè)試使用的電容為470 μF 的鉭電容，從充電開(kāi)始到充電到6 V 僅需要1.62 s，電容中存儲(chǔ)的電量可以通過(guò)能源管理電路充入到鋰電池當(dāng)中，也可以通過(guò)能源管理芯片直接給系統(tǒng)供電，增加了電池的續(xù)航時(shí)間。使用太陽(yáng)能電池在室外的能量密度可以達(dá)到3.7 mW/cm2，當(dāng)采集的有效面積為100 cm2時(shí)，可以采集的能量為370 mW，可以滿(mǎn)足系統(tǒng)的能量消耗。

圖8 470 μF 電容充電曲線

環(huán)境中的溫度、濕度、氣壓每整點(diǎn)記錄一次，采集周期為1 h，用整點(diǎn)前2 min 的數(shù)據(jù)作為采集值；GPS的搜星時(shí)間小于2 min，既能保證定位系統(tǒng)正常工作，又能節(jié)約電能；MCU 和無(wú)線傳輸模塊在2 min 內(nèi)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁浇闹欣^基站，如表3 所示。經(jīng)過(guò)計(jì)算，系統(tǒng)每小時(shí)消耗的電量不到6 mAh。

表3 硬件1 h 功耗情況

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以有效地采集數(shù)據(jù)，并由主控芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼打包，將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線發(fā)送到終端。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)放置在樹(shù)林中，分別測(cè)試了在同一時(shí)刻不同位置的溫濕度曲線，如圖9(a)所示，以及在同一地點(diǎn)12 h 內(nèi)的溫濕度曲線，如圖9(b)所示。火焰?zhèn)鞲衅饕恢碧幱诠ぷ鳡顟B(tài)，當(dāng)檢測(cè)到明火時(shí)，使用外部中斷喚醒MCU，傳輸報(bào)警信號(hào)。

圖9 系統(tǒng)采集的溫度和濕度曲線

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并完成了自供電低功耗森林火災(zāi)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從能量采集模塊，電路設(shè)計(jì)，低功耗設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)等方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，該系統(tǒng)可以檢測(cè)森林環(huán)境的基本狀態(tài)，同時(shí)可以采集環(huán)境中的能量為系統(tǒng)供電。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)可以有效地采集環(huán)境中的能量實(shí)現(xiàn)能量的自供給，能夠采集森林中的溫度，濕度信息，探測(cè)是否產(chǎn)生明火，并通過(guò)ZigBee 進(jìn)行無(wú)線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。