基于無線射頻和GPRS網(wǎng)絡(luò)的林火監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

 0 引言

森林火災(zāi)是一種世界性的林業(yè)重大災(zāi)害，我國(guó)每年都有上千次的森林火災(zāi)發(fā)生，造成嚴(yán)重的森林資源破壞、經(jīng)濟(jì)和財(cái)產(chǎn)損失。林火的及時(shí)發(fā)現(xiàn)與報(bào)警是防止森林火災(zāi)發(fā)生的重要任務(wù)之一，是控制和撲滅森林火災(zāi)的基礎(chǔ)。我國(guó)的林火監(jiān)測(cè)措施按其所在的空間高度可劃分為衛(wèi)星監(jiān)測(cè)、航空巡護(hù)、嘹望臺(tái)觀測(cè)和地面巡護(hù)等四個(gè)層次。目前，在森林防火工作中已初步實(shí)現(xiàn)了高空有衛(wèi)星、中空有飛機(jī)、地面有嘹望臺(tái)和巡護(hù)人員的立體監(jiān)測(cè)手段，其中衛(wèi)星監(jiān)測(cè)和嘹望臺(tái)監(jiān)測(cè)是目前我國(guó)林火監(jiān)測(cè)的基本方式。根據(jù)火災(zāi)發(fā)生時(shí)的基本特征，可以利用溫度和煙霧濃度來監(jiān)測(cè)林火，結(jié)合森林大面積分布和野外難以布線和供電的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于無線射頻和GPRS網(wǎng)絡(luò)的林火監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集電路，可為森林防火提供一種參考。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)采用無線射頻與GPRS相結(jié)合的方式，終端監(jiān)測(cè)溫度和煙霧濃度，并通過無線射頻發(fā)送到基站，基站通過MC55與監(jiān)控中心通信，將終端采集回的數(shù)據(jù)打包發(fā)送至監(jiān)控中心，并可接受監(jiān)控中心的指令，對(duì)每個(gè)終端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，從而可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)林火的監(jiān)控。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 溫度采集電路

本設(shè)計(jì)采用DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20數(shù)字溫度傳感器。DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為3.0～5.5 V，無需備用電源。測(cè)溫范圍-55℃～+125℃。9～12位的可編程分辨率。每個(gè)DS18B20都有一個(gè)獨(dú)特的64位序列號(hào)，可作為終端的唯一標(biāo)識(shí)符。

2.2 煙霧濃度采集電路

MQ-2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w或煙霧時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中煙霧濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。在本設(shè)計(jì)中，將MQ-2電流的變化轉(zhuǎn)化為電壓值的變化，然后通過A/D轉(zhuǎn)換得到電壓值，利用電壓值與煙霧濃度對(duì)照表可查找得到煙霧濃度的值。

2.3 無線射頻電路設(shè)計(jì)

圖3無線射頻電路

RF200模塊特點(diǎn)如下：標(biāo)準(zhǔn)異步串行接口，方便與各種控制器的精簡(jiǎn)串口連接;數(shù)據(jù)透明傳輸，所收即所發(fā);模塊內(nèi)置高性能CPU實(shí)現(xiàn)前向糾錯(cuò)處理，最大可以糾24bits連續(xù)突發(fā)錯(cuò)誤，達(dá)到業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水平;工作頻率范圍為418～455 MHz;GFSK的調(diào)制方式;可選的16位RFID(特殊設(shè)定以減少一對(duì)多時(shí)的單片機(jī)系統(tǒng)開銷);超大的256 byte數(shù)據(jù)緩沖區(qū);2000m的傳輸距離，非常適合在嵌入式系統(tǒng)中遠(yuǎn)距離無線射頻使用。

2.4 低功耗設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)要長(zhǎng)期在野外工作，因此低功耗設(shè)計(jì)尤為重要。

(1)選擇低功耗的外圍器件和傳感器。在低功耗的應(yīng)用中，穩(wěn)壓芯片和復(fù)位器件的選擇很重要，芯片自身的功耗要很低，而且要有足夠的驅(qū)動(dòng)能力，是系統(tǒng)正常運(yùn)行的保證。其他器件也要選擇低功耗的器件。本電路在設(shè)計(jì)時(shí)做了大量的調(diào)研工作，最終所采用的元器件均為同類別產(chǎn)品中功耗較低的型號(hào)。

(2)不用的I/O口全部接地，合理運(yùn)用器件的低功耗模式。對(duì)于高阻輸入引腳，一定不能懸空，通常將其做接地處理，以免因?yàn)楦】斩鸸苣_狀態(tài)不定而消耗功率。

(3)合理利用外圍器件的低功耗模式。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)所包含的部件中，LPC767的低功耗模式有兩種，即空閑模式和掉電模式。本電路設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際需求，使用了LPC767的空閑模式。

傳感器也要有MCU來控制，確保其在不工作時(shí)不耗電。

(4)復(fù)合三極管要旁路漏電電流。對(duì)于用三極管搭接的復(fù)合管需要增加偏置電阻，普通三極管由于生產(chǎn)工藝限制達(dá)不到理想狀態(tài)，即截止電流不可能為0，這樣增加系統(tǒng)功耗。

(5)大功率的器件，要能被關(guān)斷。靜態(tài)電流較大的器件如MQ-2，在系統(tǒng)靜態(tài)時(shí)需要關(guān)斷其電源，以減低功耗。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 終端軟件設(shè)計(jì)

3.2 終端通信子程序設(shè)計(jì)

終端與基站的通信功能是通過中斷方式實(shí)現(xiàn)的，見數(shù)據(jù)通信流程圖所示。當(dāng)基站發(fā)送一個(gè)命令后，單片機(jī)則產(chǎn)生一個(gè)中斷。在中斷子程序中，首先進(jìn)行關(guān)閉中斷、保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，然后單片機(jī)接收一個(gè)來自上位機(jī)的數(shù)據(jù)一握手信號(hào)，檢查是否正確，并發(fā)回應(yīng)答信號(hào)。如果正確，則清除標(biāo)志位，從中斷子程序返回，再次進(jìn)入中斷子程序時(shí)仍然先判斷是否為握手信號(hào)。如果不是，則為接收數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)送入存儲(chǔ)單元中保存，然后判斷數(shù)據(jù)是否接收完，沒接收完則繼續(xù)進(jìn)行接收，接收完則清除接收數(shù)據(jù)標(biāo)志位，并向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)志位。最后恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，打開中斷，從中斷子程序返回。圖3終端通信子程序流程圖

3.3 基站軟件設(shè)計(jì)

如前所述，基站由單片機(jī)控制RF200與MC55，測(cè)溫主機(jī)的程序主要分為系統(tǒng)初始化、設(shè)置時(shí)鐘芯片、與測(cè)溫終端通信及與測(cè)控中心通信四大部分，實(shí)現(xiàn)接收測(cè)溫終端上傳的溫度煙霧濃度數(shù)據(jù)并發(fā)送至監(jiān)控中心，將接收到的監(jiān)控中心控制命令下傳至測(cè)溫終端等功能。測(cè)溫主機(jī)的主程序和接收中斷處理部分程序流程如圖4和圖5所示。