基于4G網(wǎng)絡(luò)和多傳感器的農(nóng)業(yè)火災(zāi)報警系統(tǒng)

0 引 言

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，也是世界上農(nóng)業(yè)災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一。農(nóng)業(yè)災(zāi)害造成農(nóng)作物大幅減產(chǎn)，帶來了巨大的損失使國家財(cái)政背上了沉重的包袱 [1]。因此火災(zāi)等農(nóng)業(yè)災(zāi)害的監(jiān)測顯得極其重要，但傳統(tǒng)監(jiān)測方法主要是定點(diǎn)監(jiān)測或隨機(jī)抽查檢測，實(shí)際作業(yè)中表現(xiàn)出費(fèi)時、費(fèi)力、效率低下等缺點(diǎn) [2]，且只對火災(zāi)的某一種物理或化學(xué)信號進(jìn)行探測，易使報警系統(tǒng)出現(xiàn)誤報或漏報等問題 [3]。將遙感技術(shù)和多種傳感器應(yīng)用到火災(zāi)監(jiān)測中可解決以上難題，為降低農(nóng)業(yè)火災(zāi)造成的嚴(yán)重?fù)p失，開發(fā)出高效率、實(shí)時、遠(yuǎn)程的農(nóng)業(yè)火災(zāi)報警系統(tǒng)顯得十分必要

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為克服傳統(tǒng)火災(zāi)監(jiān)測設(shè)備的諸多缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種基于 4G網(wǎng)絡(luò)與多傳感器的農(nóng)業(yè)火災(zāi)報警系統(tǒng)，具有遠(yuǎn)程火災(zāi)監(jiān)測和報警功能，在農(nóng)業(yè)火災(zāi)發(fā)生的第一時間進(jìn)行火災(zāi)報警提示，以便管理者及時采取滅火措施。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1所示系統(tǒng)由 PC客戶端和搭載于無人機(jī)上的 STM32處理器、溫濕度傳感器、4G通信等模塊組成。無人機(jī)及其搭載的模塊是下位機(jī)，用于采集溫濕度、煙霧濃度、圖像等數(shù)據(jù)并發(fā)送至上位機(jī) ；PC客戶端是上位機(jī)，用于顯示數(shù)據(jù)和報警。溫濕度傳感器實(shí)時測量農(nóng)田的各種數(shù)據(jù)，并送入處理器進(jìn)行分析，若所測得數(shù)據(jù)超出設(shè)定的閾值，處理器驅(qū)動 OV5640攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)，同時通過 4G通信模塊上傳至服務(wù)器，PC客戶端從服務(wù)器獲取后顯示數(shù)據(jù)并進(jìn)行火災(zāi)報警

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32 處理器

下位機(jī)選用 Cortex-M4 內(nèi)核的 STM32F429 作為處理器，其最高主頻為 168 MHz，帶有 2 MB 的 FLASH，192 kB 的SRAM，16 個 DMA 通道，DCMI 數(shù)字?jǐn)z像頭接口，3 個 12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），每個 ADC 可共享多達(dá) 16 個外部通道。具有更強(qiáng)的 DSP 處理能力、更快的通信接口、更高的采樣率和帶 FIFO 的 DMA 控制器等 [4]，因此在數(shù)據(jù)處理、通信等方面能夠表現(xiàn)出更好的性能。

2.2 傳感器模塊

2.2.1 溫濕度傳感器

下位機(jī)選用 Sensirion 公司生產(chǎn)的數(shù)字溫濕度傳感器SHT11，采用的 CMOSens® 技術(shù)使其具有響應(yīng)迅速、抗干擾能力強(qiáng)、低功耗等特點(diǎn) [5]。將電容性聚合體測濕敏感元件和用能隙材料制成的測溫元件并在同一芯片上，與 14 位的A/D 轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實(shí)現(xiàn)無縫連接。其供電電壓范圍為 2.4 ～ 5.5 V，濕度測量范圍為 0 ～ 100 %RH，精度為±3 %RH，溫度測量范圍為 -40 ～ 123.8 ℃，精度為 ±0.4 ℃，其結(jié)構(gòu)如 2 圖所示。

                              圖 2 溫濕度傳感器 SHT11 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.2.2 火焰?zhèn)鞲衅?

火災(zāi)發(fā)生的一個顯著特征是產(chǎn)生火焰并向外發(fā)射特定波長范圍的光線， 因此采用火焰?zhèn)鞲衅鱽硖綔y此特征該傳感器對火焰光譜極其靈敏， 能夠檢測波長在 760 ～ 1 100 nm 的光線。探測角度約為 60°，對打火機(jī)火焰測試距離為 0.8 m，火焰越大探測距離越遠(yuǎn)。工作電壓為 3.3 ～5 V 其接口有電源 VCC，地 GND，TTL 開關(guān)信號輸出 DO，模擬信號輸出 AO，其原理如 3 圖所示

2.2.3 煙霧傳感器

選用煙霧傳感器 QM-2 來測量可燃?xì)怏w和煙霧濃度，此傳感器可用于測量液化氣等可燃?xì)怏w和煙霧濃度，監(jiān)測濃度范圍為 300 ～10 000 ppm。工作電壓為 5 V，電流為 150 mA 共有四個接口，電源 VCC，地 GND，TTL 開關(guān)信號輸出 DO 模擬信號輸出 AO。此傳感器對液化氣、天然氣、煙霧測量的靈敏度較高，具有壽命長、成本低等特點(diǎn) [6]，其原理如圖 4 所示

2.2.4 圖像傳感器

攝像頭選用 COMS 圖像傳感器 OV5640，其最大支持輸出的圖像為 500 萬像素（分辨率為 2 592×1 944），可采集到較為清晰的火災(zāi)圖像信息。通過 SCCB 總線控制圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式，包括伽瑪曲線、白平衡等功能的設(shè)置可輸出整幀、子采樣等方式的各種分辨率 8 位或 10 位圖像數(shù)據(jù)。QSXGA（分辨率為 2 592×1 944 的輸出格式）圖像最高達(dá) 15 幀 /s[7-8]。

2.3 4G 通信模塊

溫濕度、煙霧濃度、火焰光線、高清視頻圖像等數(shù)據(jù)經(jīng)傳感器采集和處理器分析后，需通過通信模塊實(shí)時上傳至服務(wù)器，因此要求通信模塊具有傳輸速度大、時延小等特點(diǎn)。本系統(tǒng)選用 4G 通信模塊移遠(yuǎn) EC20，供電電壓為 3.3 ～4.3 V。采用標(biāo)準(zhǔn)的 Mini PCIe 封裝，可同時支持 LTE，UMTS和 GSM/GPRS 網(wǎng)絡(luò)，最大上行速率為 50 Mbps，最大下行速率為 100 Mbps，能通過多輸入多輸出技術(shù)（MIMO）降低誤碼率改善通信質(zhì)量，并通過 GNSS 接收器實(shí)現(xiàn)在任何環(huán)境下快速準(zhǔn)確定位 [9]。內(nèi)置豐富的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、多個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口、多種操作系統(tǒng)和軟件功能，具有應(yīng)用范圍廣泛、通信質(zhì)量高、體積小、重量輕等特點(diǎn)，能夠滿足此系統(tǒng)的通信要求。

與處理器通信方面，4G 通信模塊和處理器通過串口連接以實(shí)現(xiàn)串口通信，同時其支持標(biāo)準(zhǔn) AT 指令集和擴(kuò)展 AT 指令集，可采用 AT 命令來控制。與服務(wù)器通信方面，由于 4G 通信模塊自身內(nèi)部集成有 TCP/IP 協(xié)議，因此使用 TCP/IP 協(xié)議與服務(wù)器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3.1.1 溫濕度傳感器

SHT11 具有以下引腳，電源 VDD 和地 GND，它們之間須加一個 100 nF 的電容用來去耦濾波。雙向的串行數(shù)據(jù)DATA，用于讀取傳感器數(shù)據(jù)。串行時鐘 SCK，用于處理器與 SHT11 之間的通訊同步。

傳感器的通信流程如圖 5 所示。啟動傳感器，通電后傳感器經(jīng) 11 ms 進(jìn)入休眠狀態(tài)。發(fā)送命令，啟動傳輸時序，完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?，該時序如圖 6 所示。溫濕度測量，向傳感器發(fā)送測量命令，等待測量結(jié)束后接收 2 B 的測量數(shù)據(jù)和 1 B的 CRC 奇偶校驗(yàn)。休眠，測量和通信完成后傳感器自動進(jìn)入休眠模式。

3.1.2 火焰?zhèn)鞲衅?

此傳感器通過感光元件將接受到的光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出， 具有 TTL 開關(guān)信號和模擬信號兩種輸出形式STM32 處理器內(nèi)置有 ADC，可以將傳感器采集到的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再進(jìn)行與閾值比較等數(shù)據(jù)處理

3.1.3 煙霧傳感器

此傳感器利用氣敏材料二氧化錫在可燃?xì)怏w和煙霧環(huán)境中的電導(dǎo)率與可燃?xì)怏w濃度呈正相關(guān)的特性，將電導(dǎo)率轉(zhuǎn)化為電壓信號輸出。具有 TTL 開關(guān)信號輸出和模擬信號輸出，模擬電壓信號輸出與濃度呈正相關(guān)，將此模擬量送入處理器通過ADC 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，進(jìn)而做下一步的數(shù)據(jù)處理

3.1.4 圖像傳感器

STM32 處理器內(nèi)置的同步并行 DCMI 數(shù)字?jǐn)z像頭接口能夠接收由 CMOS 攝像頭輸出的 8 位、10 位、12 位、14 位圖像數(shù)據(jù)。圖像數(shù)據(jù)可通過 DMA 方式直接傳輸，在 SCCB 總線讀取數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)，極大地提高了圖像數(shù)據(jù)的采集和處理速度[10]。DCMI 接口驅(qū)動OV5640 采集圖像數(shù)據(jù)流程如圖7 所示

圖 7 DCMI 驅(qū)動 OV5640 步驟

3.2 上位機(jī)客戶端設(shè)計(jì)

PC 客戶端是農(nóng)田火災(zāi)報警系統(tǒng)和用戶進(jìn)行信息交互的主體，其主要功能是火災(zāi)報警和下位機(jī)測量數(shù)據(jù)的顯示。PC 客戶端連接因特網(wǎng)，從服務(wù)器實(shí)時獲取下位機(jī)處理器基于多傳感器復(fù)合所得到的火災(zāi)分析結(jié)果及所測量的溫濕度、煙霧濃度火焰光線、視頻圖像等數(shù)據(jù)，再進(jìn)行火災(zāi)報警顯示和測量數(shù)據(jù)顯示，以便用戶實(shí)時獲取農(nóng)田的火災(zāi)情況。PC 客戶端的開發(fā)是利用基于 Java 的可擴(kuò)展平臺 Eclipse 實(shí)現(xiàn)，其各功能描述如下

(1) 火災(zāi)報警顯示，下位機(jī)處理器通過分析測量數(shù)據(jù)得到是否發(fā)生火災(zāi)的結(jié)論，上傳至服務(wù)器，客戶端獲取后進(jìn)行報警顯示

(2) 測量數(shù)據(jù)顯示，將溫濕度、煙霧濃度等數(shù)據(jù)顯示給用戶，以便了解火災(zāi)現(xiàn)場狀況

(3) 視頻圖像顯示，火災(zāi)現(xiàn)場的視頻圖像顯示可讓用戶直觀地觀察火災(zāi)狀況

(4) 高度顯示，客戶端從服務(wù)器獲取的飛行器高度信息為用戶提供飛行器的高度信息

3.3 服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫的搭建

在服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫的搭建工程中，搭載平臺采用迅為電子的ARM9 Linux 開發(fā)板，通過 Linux 系統(tǒng)編程實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能。4G 通信模塊和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸采用花生殼軟件實(shí)現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)穿透，將服務(wù)器與已存在 IP 地址的端口對應(yīng)起來端口映射）。服務(wù)器和 PC 客戶端之間的數(shù)據(jù)傳輸，首先服務(wù)器保存從下位機(jī)接收的數(shù)據(jù)，客戶端再訪問服務(wù)器以獲取服務(wù)器接收來自下位機(jī)的數(shù)據(jù)

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

系統(tǒng)測試在一片空地上進(jìn)行，人為小面積放火模擬農(nóng)業(yè)火災(zāi)場景，無人機(jī)低空飛行進(jìn)行火災(zāi)監(jiān)測。下位機(jī)如圖 8 所示火災(zāi)監(jiān)測前先調(diào)試下位機(jī)、服務(wù)器、上位機(jī)運(yùn)行正常，三者之間通信狀態(tài)良好，其次讓無人機(jī)在距離地面 2 m 左右的高度飛行進(jìn)行火災(zāi)監(jiān)測，各傳感器將測量數(shù)據(jù)送入處理器進(jìn)行處理，若超過設(shè)定的閾值則判斷為有火災(zāi)發(fā)生，處理器驅(qū)動攝像頭采集火災(zāi)現(xiàn)場的視頻圖像信息，并通過 4G 通信模塊發(fā)送至服務(wù)器，客戶端從服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)后進(jìn)行火災(zāi)報警和數(shù)據(jù)顯示。當(dāng)無人機(jī)飛行到火焰上方附近時，客戶端顯示出報警提示、各測量值已超過閾值提示、以及火災(zāi)現(xiàn)場的圖像信息等客戶端顯示如圖 9 所示

圖8 無人機(jī)搭載的下位機(jī)圖9 上位機(jī)客戶端顯示

測試結(jié)果表明此系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性較高。傳感器測量到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高，攝像頭采集到的視頻圖像清晰、失真較小系統(tǒng)對火災(zāi)發(fā)生的判斷準(zhǔn)確可靠。因此，該農(nóng)業(yè)火災(zāi)報警系統(tǒng)在運(yùn)行可靠度、通信穩(wěn)定度、火災(zāi)判斷準(zhǔn)確度等方面均滿足設(shè)計(jì)要求

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一款基于 4G網(wǎng)絡(luò)與多傳感器的農(nóng)業(yè)火災(zāi)報警系統(tǒng)，其上位機(jī)是 PC客戶端，下位機(jī)由無人機(jī)及其搭載的STM32處理器、溫濕度傳感器、4G通信等模塊組成。通過溫濕度等傳感器測量農(nóng)田的各種數(shù)據(jù)信息，送入處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理判斷是否有火災(zāi)發(fā)生，若發(fā)生火災(zāi)則通過 4G網(wǎng)絡(luò)將各種數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器，PC客戶端從服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和火災(zāi)報警，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田火災(zāi)的實(shí)時監(jiān)測。測試結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的火災(zāi)監(jiān)測設(shè)備，此系統(tǒng)能夠?qū)崟r、高效大范圍地進(jìn)行火災(zāi)監(jiān)測，并在火災(zāi)發(fā)生時及時報警提示，具有效率高、時效性強(qiáng)、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，在信息化農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景