基于4G網絡和多傳感器的農業(yè)火災報警系統(tǒng)

楊頌 張少偉 孫培壯 郭軍 劉薇薇

摘 要：傳統(tǒng)的農業(yè)火災監(jiān)測裝置存在效率低、時效性差、無法遠程報警等問題。文中設計了一種基于4G網絡與多傳感器的農業(yè)火災報警系統(tǒng)，將STM32處理器、溫濕度傳感器、4G通信模塊等搭載于無人機上，溫濕度傳感器測量數(shù)據并送入處理器分析，若測量數(shù)據超出設定閾值，處理器驅動攝像頭采集圖像，通過4G網絡將圖像和測量數(shù)據發(fā)送至服務器，PC客戶端從服務器獲取數(shù)據并報警。該系統(tǒng)具有效率高、時效性強等特點。測試結果顯示，系統(tǒng)的穩(wěn)定性高，在信息化農業(yè)領域的應用前景十分廣闊。

關鍵詞：火災報警；數(shù)據測量；多傳感器復合；4G網絡

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）09-00-03

0 引 言

我國是一個農業(yè)大國，也是世界上農業(yè)災害最嚴重的國家之一。農業(yè)災害造成農作物大幅減產，帶來了巨大的損失，使國家財政背上了沉重的包袱[1]。因此火災等農業(yè)災害的監(jiān)測顯得極其重要，但傳統(tǒng)監(jiān)測方法主要是定點監(jiān)測或隨機抽查檢測，實際作業(yè)中表現(xiàn)出費時、費力、效率低下等缺點[2]，且只對火災的某一種物理或化學信號進行探測，易使報警系統(tǒng)出現(xiàn)誤報或漏報等問題[3]。將遙感技術和多種傳感器應用到火災監(jiān)測中可解決以上難題，為降低農業(yè)火災造成的嚴重損失，開發(fā)出高效率、實時、遠程的農業(yè)火災報警系統(tǒng)顯得十分必要。

1 系統(tǒng)總體設計

為克服傳統(tǒng)火災監(jiān)測設備的諸多缺點，本文設計了一種基于4G網絡與多傳感器的農業(yè)火災報警系統(tǒng)，具有遠程火災監(jiān)測和報警功能，在農業(yè)火災發(fā)生的第一時間進行火災報警提示，以便管理者及時采取滅火措施。系統(tǒng)結構如圖1所示，系統(tǒng)由PC客戶端和搭載于無人機上的STM32處理器、溫濕度傳感器、4G通信等模塊組成。無人機及其搭載的模塊是下位機，用于采集溫濕度、煙霧濃度、圖像等數(shù)據并發(fā)送至上位機；PC客戶端是上位機，用于顯示數(shù)據和報警。溫濕度傳感器實時測量農田的各種數(shù)據，并送入處理器進行分析，若所測得數(shù)據超出設定的閾值，處理器驅動OV5640攝像頭采集圖像數(shù)據，同時通過4G通信模塊上傳至服務器，PC客戶端從服務器獲取后顯示數(shù)據并進行火災報警。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 STM32處理器

下位機選用Cortex-M4內核的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)字攝像頭接口，3個12位模數(shù)轉換器（ADC），每個ADC可共享多達16個外部通道。具有更強的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

下位機選用Sensirion公司生產的數(shù)字溫濕度傳感器SHT11，采用的CMOSens?技術使其具有響應迅速、抗干擾能力強、低功耗等特點[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轉換器以及串行接口電路實現(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 ℃，其結構如2圖所示。

2.2.2 火焰?zhèn)鞲衅?/p>

火災發(fā)生的一個顯著特征是產生火焰并向外發(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°，對打火機火焰測試距離為0.8 m，火焰越大探測距離越遠。工作電壓為3.3～5 V，其接口有電源VCC，地GND，TTL開關信號輸出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來測量可燃氣體和煙霧濃度，此傳感器可用于測量液化氣等可燃氣體和煙霧濃度，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[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圖像信息。通過SCCB總線控制圖像質量、數(shù)據格式和傳輸方式，包括伽瑪曲線、白平衡等功能的設置。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。QSXGA（分辨率為2 592×1 944的輸出格式）圖像最高達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)據經傳感器采集和處理器分析后，需通過通信模塊實時上傳至服務器，因此要求通信模塊具有傳輸速度大、時延小等特點。本系統(tǒng)選用4G通信模塊移遠EC20，供電電壓為3.3～

4.3 V。采用標準的Mini PCIe封裝，可同時支持LTE，UMTS和GSM/GPRS網絡，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（MIMO）降低誤碼率改善通信質量，并通過GNSS接收器實現(xiàn)在任何環(huán)境下快速準確定位[9]。內置豐富的網絡協(xié)議、多個工業(yè)標準接口、多種操作系統(tǒng)和軟件功能，具有應用范圍廣泛、通信質量高、體積小、重量輕等特點，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現(xiàn)串口通信，同時其支持標準AT指令集和擴展AT指令集，可采用AT命令來控制。與服務器通信方面，由于4G通信模塊自身內部集成有TCP/IP協(xié)議，因此使用TCP/IP協(xié)議與服務器進行通信，實現(xiàn)數(shù)據的傳輸。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 下位機軟件設計

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DATA，用于讀取傳感器數(shù)據。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11 ms進入休眠狀態(tài)。發(fā)送命令，啟動傳輸時序，完成數(shù)據傳輸?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，等待測量結束后接收2 B的測量數(shù)據和1 B的CRC奇偶校驗。休眠，測量和通信完成后傳感器自動進入休眠模式。

3.1.2 火焰?zhèn)鞲衅?/p>

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

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氣體和煙霧環(huán)境中的電導率與可燃氣體濃度呈正相關的特性，將電導率轉化為電壓信號輸出。具有TTL開關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，將此模擬量送入處理器通過ADC轉換為數(shù)字量，進而做下一步的數(shù)據處理。

3.1.4 圖像傳感器

STM32處理器內置的同步并行DCMI數(shù)字攝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。圖像數(shù)據可通過DMA方式直接傳輸，在SCCB總線讀取數(shù)據到緩沖區(qū)，極大地提高了圖像數(shù)據的采集和處理速度[10]。DCMI接口驅動OV5640采集圖像數(shù)據流程如圖7所示。

3.2 上位機客戶端設計

PC客戶端是農田火災報警系統(tǒng)和用戶進行信息交互的主體，其主要功能是火災報警和下位機測量數(shù)據的顯示。PC客戶端連接因特網，從服務器實時獲取下位機處理器基于多傳感器復合所得到的火災分析結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，再進行火災報警顯示和測量數(shù)據顯示，以便用戶實時獲取農田的火災情況。PC客戶端的開發(fā)是利用基于Java的可擴展平臺Eclipse實現(xiàn)，其各功能描述如下：

（1）火災報警顯示，下位機處理器通過分析測量數(shù)據得到是否發(fā)生火災的結論，上傳至服務器，客戶端獲取后進行報警顯示；

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

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

（4）高度顯示，客戶端從服務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 服務器與數(shù)據庫的搭建

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

4 系統(tǒng)測試結果

系統(tǒng)測試在一片空地上進行，人為小面積放火模擬農業(yè)火災場景，無人機低空飛行進行火災監(jiān)測。下位機如圖8所示?；馂谋O(jiān)測前先調試下位機、服務器、上位機運行正常，三者之間通信狀態(tài)良好，其次讓無人機在距離地面2 m左右的高度飛行進行火災監(jiān)測，各傳感器將測量數(shù)據送入處理器進行處理，若超過設定的閾值則判斷為有火災發(fā)生，處理器驅動攝像頭采集火災現(xiàn)場的視頻圖像信息，并通過4G通信模塊發(fā)送至服務器，客戶端從服務器獲取數(shù)據后進行火災報警和數(shù)據顯示。當無人機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、以及火災現(xiàn)場的圖像信息等，客戶端顯示如圖9所示。

測試結果表明此系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性較高。傳感器測量到的數(shù)據準確度高，攝像頭采集到的視頻圖像清晰、失真較小，系統(tǒng)對火災發(fā)生的判斷準確可靠。因此，該農業(yè)火災報警系統(tǒng)在運行可靠度、通信穩(wěn)定度、火災判斷準確度等方面均滿足設計要求。

5 結 語

本文設計了一款基于4G網絡與多傳感器的農業(yè)火災報警系統(tǒng)，其上位機是PC客戶端，下位機由無人機及其搭載的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田的各種數(shù)據信息，送入處理器進行數(shù)據處理判斷是否有火災發(fā)生，若發(fā)生火災則通過4G網絡將各種數(shù)據發(fā)送至服務器，PC客戶端從服務器獲取數(shù)據后，進行數(shù)據顯示和火災報警，實現(xiàn)了農田火災的實時監(jiān)測。測試結果表明，相比于傳統(tǒng)的火災監(jiān)測設備，此系統(tǒng)能夠實時、高效、大范圍地進行火災監(jiān)測，并在火災發(fā)生時及時報警提示，具有效率高、時效性強、穩(wěn)定性高等特點，在信息化農業(yè)領域有廣闊的應用前景。

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