羅禮幸，梁文豪，方翰騰，陳桂濱

（肇慶學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院，廣東肇慶 526061）

2020 年11 月13 日廣東省肇慶市羚羊峽發(fā)生山火、2021 年1 月21 日廣東省深圳市南山區(qū)南山街道大南山發(fā)生山火。由此可見，時至今日，山火依然頻發(fā)。森林火災(zāi)具有損壞面積大、損失嚴(yán)重、難以控制等特點，嚴(yán)重威脅現(xiàn)有森林資源。所以研究森林火災(zāi)的預(yù)防對策是新形勢下的要求，可以有效保護森林[1]。目前，森林火災(zāi)的防護措施主要采用人工巡視、視頻監(jiān)控和衛(wèi)星遙感的方法。人工巡視的成本高且觀察范圍小、容易受天氣情況影響[2]；視頻監(jiān)控成本較高、數(shù)據(jù)冗余、容易出現(xiàn)監(jiān)控盲區(qū)[3]；衛(wèi)星遙感成本高、容易受天氣狀況影響[4]。相比上述三種森林火災(zāi)防護措施，系統(tǒng)可以及時獲取到森林中的各項環(huán)境數(shù)據(jù)，并且分析可能發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域，發(fā)現(xiàn)火災(zāi)后及時報警，防患于未然，更早發(fā)現(xiàn)森林火災(zāi)，及時報警、及時補救，能更好地保護森林資源[5]。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本系統(tǒng)的功能由Zigbee 單元、監(jiān)測控制器和協(xié)調(diào)器共同實現(xiàn)[6]，Zigbee 單元通過無線局域網(wǎng)絡(luò)把相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至協(xié)調(diào)器[7]；協(xié)調(diào)器通過串口將無線局域網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測控制器；云端接收監(jiān)測控制器通過4G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的信息。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示，系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 硬件部分

2.1 Zigbee 單元硬件部分

Zigbee 單元結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。Zigbee 單元通過搭載溫濕度、煙霧、一氧化碳和火焰?zhèn)鞲衅鳎瑢崿F(xiàn)對周圍環(huán)境相關(guān)信息的收集，并通過無線局域網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)測控制器。Zigbee 單元傳輸?shù)男畔ㄖ車h(huán)境的溫濕度、煙霧、一氧化碳、火焰的信息和該單元編號。

圖2 Zigbee 單元結(jié)構(gòu)

Zigbee 是一種標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了短距離、低傳輸速率無線通信所需要的一系列通信協(xié)議[8]。遠距離、低速率、低成本、低功耗是它的特點。它可以實現(xiàn)Zigbee 單元傳Zigbee 單元的方式，這樣可以增大Zigbee 無線局域網(wǎng)絡(luò)的通信范圍。此外，Zigbee 無線局域網(wǎng)絡(luò)的靈活性好，如果Zigbee 單元與網(wǎng)絡(luò)的連接斷開，Zigbee 單元可以再連接進入網(wǎng)絡(luò)，不會出現(xiàn)一旦斷開就不能連接的情況。在森林環(huán)境中設(shè)備難以維護，所以需要長期工作、功耗要盡量低，而且系統(tǒng)要盡量覆蓋森林。相較于傳統(tǒng)的藍牙通信、Mesh 通訊，Zigbee 單元數(shù)可達上萬[9]，而且Zigbee 的通訊功耗低，更加適合林區(qū)防火系統(tǒng)的建設(shè)。

2.1.1 處理芯片

本系統(tǒng)采用CC2530 集成芯片以實現(xiàn)讀取和傳輸環(huán)境信息的功能[10]。該芯片具有中斷、睡眠和喚醒功能，能有效地降低功耗，而且芯片的價格低，能以很低的成本建立Zigbee 網(wǎng)絡(luò)。此外，該芯片內(nèi)部集成了增強型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8051MCU，擁有系統(tǒng)可編程Flash、8KB RAM 和UART、SPI、DMA 等諸多強大外設(shè)功能；這使它成為建立無線局域網(wǎng)絡(luò)的不二之選。

2.1.2 溫濕度檢測模塊

SHT20 模塊的特點是測量溫濕度的范圍廣、精度高，而且采用IIC 通訊，抗干擾能力強，在被水浸沒的情況下也能工作。此外，一個產(chǎn)品的價格只在20 元左右，成本低，而且它的占用空間小，方便在處理芯片上搭載，所以該產(chǎn)品符合在森林環(huán)境中工作的需要[11]。

2.1.3 煙霧檢測模塊

MQ-2 是專門檢測煙霧氣體的工具，而且其他氣體難以對它產(chǎn)生干擾，它可檢測濃度范圍為100～10000ppm。它一旦檢測到高濃度的煙霧，數(shù)字輸出端口輸出低電平，否則輸出高電平。

2.1.4 一氧化碳檢測模塊

MQ-7 的內(nèi)部材料選用二氧化錫，是專門檢測一氧化碳氣體的工具，可檢測多種混雜一氧化碳的氣體[12]。它一旦檢測到高濃度的一氧化碳氣體，數(shù)字輸出端口輸出低電平，否則輸出高電平。

2.1.5 火焰檢測模塊

利用紅外線探測以判斷是否發(fā)生火災(zāi)是火焰?zhèn)鞲衅鞯脑恚涮綔y角度可達60°。它一旦探測到火焰，模塊數(shù)字輸出端口輸出低電平，否則輸出高電平。

2.1.6 電源模塊

本系統(tǒng)采樣3 節(jié)18650 鋰離子電池作為電源，該電池漏電率低且容量大，特別適用于沒有電能供應(yīng)的森林環(huán)境。此外通過LM2596 穩(wěn)壓模塊將輸入電壓穩(wěn)定在5V，確保系統(tǒng)處于穩(wěn)定供電狀態(tài)。

2.2 監(jiān)測控制器

監(jiān)測控制器的主控芯片是STM32F103ZET6，協(xié)調(diào)器通過串口與監(jiān)測控制器進行通信，監(jiān)測控制器通過4G 模塊將環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至云端。

2.2.1 STM32F103ZET6

STM32[13]芯片專為低功耗、高性能、低成本的嵌入式應(yīng)用設(shè)計，時鐘頻率高達72MHz；擁有包括：USB、IIC、SPI 等多種外部設(shè)備，功能強大，芯片運行速度快。而且其中斷功能強，有中斷優(yōu)先級的劃分。該芯片能搭配多種傳感器、通訊模塊、攝像頭等工作，儲存、驅(qū)動能力強。

2.2.2 4GDTU 通信模塊ATK-M751

模塊利用4G 網(wǎng)絡(luò)進行通信，支持移動/聯(lián)通/電信接入方式；適用多種通信協(xié)議；支持連接多種云服務(wù)器（如：原子云、阿里云、百度云和OneNET）；支持自動定時采集任務(wù)、基站定位、自定義心跳包和注冊包數(shù)據(jù)；支持上位機/AT 指令/短信/透傳指令配置參數(shù)。它以高速率、低延遲和無線數(shù)傳作為核心功能，適用于森林環(huán)境中的數(shù)據(jù)上傳要求。比傳統(tǒng)的GSM 數(shù)據(jù)傳輸、3G 模塊傳輸有著更佳的使用功能、通訊速度、帶寬以及穩(wěn)定性。AT 指令是STM32 主控制器和4G 無線模塊之間進行通信的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)則，STM32 主控制器采用AT 指令控制4G 無線模塊傳輸數(shù)據(jù)。4GDTU 模塊通過TTL 串口與STM32F103 單片機進行通信，將STM32F103 單片機采集到的傳感器信息發(fā)送給遠程云服務(wù)器。

3 軟件部分

3.1 Zigbee 單元軟件部分

CC2530 采用IAR 編譯環(huán)境。IAR[14]編譯環(huán)境是一個用于嵌入式開發(fā)的工具集，與其他ARM 開發(fā)環(huán)境相比，IAR 軟件容易掌握、受眾廣泛、使用方便、功能完整，包含的全軟件的模擬程序，這使用戶不用進行硬件的配置就能模擬ARM 內(nèi)核以及外部設(shè)備的軟件運行時候的環(huán)境。

ZIgbee 無線局域網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)過程如圖3 所示：協(xié)調(diào)器建立新的網(wǎng)絡(luò)，是新建網(wǎng)絡(luò)中的第一個設(shè)備，然后等待其他單元加入網(wǎng)絡(luò)請求，如果是新的單元請求加入就給該單元分配網(wǎng)絡(luò)地址，如果不是新的單元，則調(diào)用相關(guān)的處理函數(shù)[15]。

圖3 Zigbee 組網(wǎng)過程流程

3.2 監(jiān)測控制器軟件部分

監(jiān)測控制器以STM32 為主控芯片，編譯環(huán)境為Keil5。KeiluVision5 是使用C 語言的嵌入式開發(fā)工具，區(qū)別于匯編語言，C 語言在程序的功能結(jié)構(gòu)和代碼的可閱讀性和后期維護上都有顯著優(yōu)勢。

4 系統(tǒng)的工作模式

系統(tǒng)的工作模式有：正常模式、休眠模式、預(yù)警模式、警報模式，在不同的情況下以不同的模式運行。

（1）正常模式：Zigbee 單元每30min 采集一次環(huán)境數(shù)據(jù)，并且將采集的數(shù)據(jù)上傳。

（2）休眠模式：Zigbee 單元在沒有采集數(shù)據(jù)任務(wù)時進入休眠模式。休眠模式減少了系統(tǒng)的功耗，讓系統(tǒng)可以在電量有限的情況下持續(xù)工作更長的時間。休眠模式是指Zigbee 協(xié)議棧休眠，其他各個傳感器依然正常工作，若休眠狀態(tài)下傳感器檢測到周圍環(huán)境數(shù)據(jù)異常則馬上喚醒Zigbee 單元，將環(huán)境數(shù)據(jù)上傳。只有終端單元和路由單元能進入休眠模式，協(xié)調(diào)器需一直保持工作狀態(tài)。

（3）預(yù)警模式：若系統(tǒng)分析出采集的數(shù)據(jù)異常，則進入預(yù)警模式，異常Zigbee 單元自動減少采樣周期，然后采集環(huán)境數(shù)據(jù)10次，若這10 次數(shù)據(jù)都正常則異常的數(shù)據(jù)為偶然誤差，否則系統(tǒng)進入警報模式，即發(fā)生森林火災(zāi)。

（4）警報模式：各個Zigbee 單元減少采樣的周期并且一直處于工作狀態(tài)，不斷將森林環(huán)境數(shù)據(jù)上傳。系統(tǒng)能實時收集森林火災(zāi)發(fā)生時森林的環(huán)境信息。以此分析火災(zāi)的走向，為撲滅火災(zāi)提供幫助。

系統(tǒng)運行過程：Zigbee 單元周期性地采集周圍環(huán)境的溫濕度、煙霧、一氧化碳和火焰信息，然后通過Zigbee 網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸?shù)奖O(jiān)測控制器中，監(jiān)測控制器將接受到的環(huán)境信息通過4G 網(wǎng)絡(luò)上傳到云端，云端對環(huán)境信息進行匯總分析。若Zigbee 單元分析出信息正常，則進入休眠狀態(tài)；否則進入預(yù)警狀態(tài)，單元自動縮短采樣周期，迅速采集10 次信息，若這10 次信息都正常則恢復(fù)正常狀態(tài)，否則進入警報狀態(tài)，說明發(fā)生山火，Zigbee 單元不斷將信息上傳，不能休眠，為后續(xù)工作提供協(xié)助。

5 系統(tǒng)測試方案及結(jié)果分析

系統(tǒng)實物圖如圖4 所示。

圖4 森林火災(zāi)實時監(jiān)控系統(tǒng)實物

5.1 模塊測試方案及結(jié)果分析

5.1.1 SHT20 溫濕度監(jiān)測模塊

SHT20 溫濕度檢測模塊測量得出的溫度與溫度計測量得出的實際溫度進行比較，從而判斷溫濕度檢測模塊是否正常工作。

由圖5 可看出溫度計測出的實際溫度為26℃，由圖6 可看出SHT20 溫濕度檢測模塊測量的溫度為25℃或26℃，濕度變化范圍不超過3%，濕度度誤差偏差很??；SHT20 和溫度計測量的溫度相差較小，表明模塊測量得出的溫度誤差不大，溫濕度檢測模塊正常工作。

圖5 溫度計測量實際溫度結(jié)果

5.1.2 火焰檢測模塊

圖6 SHT20 溫濕度傳感器模塊測試結(jié)果

當(dāng)火焰檢測模塊異常時，數(shù)字輸出端口輸出低電平，正常情況下數(shù)字輸出端口輸出高電平。測試方案如下：將打火機置于火焰檢測模塊探頭約50cm 處，然后點燃明火；火焰檢測模塊探測到明火時數(shù)字輸出端口由高電平變成低電平，Zigbee 單元外部中斷觸發(fā)，串口輸出Open fire found。

由圖7 可知，當(dāng)打火機點燃明火時，串口輸出Open fire found，表明火焰檢測模塊發(fā)現(xiàn)明火。

圖7 模塊單獨測試結(jié)果

5.1.3 一氧化碳檢測模塊和煙霧檢測模塊

MQ-7 和MQ-2 檢測到異常氣體時，數(shù)字輸出端口輸出低電平，正常情況下數(shù)字輸出端口輸出高電平。測試方案如下：將打火機置于模塊附近，按住打火機開關(guān)放出氣體但不點燃氣體，模塊檢測到異常氣體時觸發(fā)外部中斷，串口輸出The concentration of carbon monoxide is too high，即檢測到異常氣體；串口輸出The concentration of smoke is too high，即檢測到異常氣體。

由圖7 可知，當(dāng)打火機放出氣體時，異常氣體的濃度都過高，模塊也做出對應(yīng)的響應(yīng)。

5.2 整體測試

表1 監(jiān)測控制器正常測試結(jié)果

表2 監(jiān)測控制器異常測試結(jié)果

由表1 可知，采集的數(shù)據(jù)都是正常的，說明系統(tǒng)正常運行；表2 中Zigbee 單元2 和Zigbee 單元3 采集的一氧化碳數(shù)據(jù)是異常的，Zigbee 單元2 采集的火焰數(shù)據(jù)是異常的，還有Zigbee 單元5的煙霧數(shù)據(jù)是異常的。

6 結(jié)語

本文從硬件和軟件設(shè)計對系統(tǒng)進行介紹，最后對系統(tǒng)進行測試。系統(tǒng)能實時監(jiān)控森林的環(huán)境信息，并且能在火災(zāi)發(fā)生時迅速響應(yīng)，在森林防火中具有廣泛的使用價值。本系統(tǒng)具有功耗低、實時性好、能長時間穩(wěn)定運行等特點。此外，可以在云端搭建可視化界面，讓數(shù)據(jù)顯示更加直觀，此方案的研究有待進一步探索。