自動巡航森林火災檢測小車的設計

陳 曦， 劉和劍

(蘇州大學 應用技術學院，江蘇 蘇州 215325)

?

自動巡航森林火災檢測小車的設計

陳 曦， 劉和劍

(蘇州大學 應用技術學院，江蘇 蘇州 215325)

設計了自動巡航森林火災監測小車以用于有效防范森林火災，在續航中當掃描地區溫度超過一定值且煙霧濃度超過上限值定位后，將GPS位置信息和圖像，通過監測系統將檢測到的信息傳送至總控系統并且進行報警。可以進行手動自動切換對各處巡查；小車可以自動定位，規劃路線返回充電站；低功耗模式巡查，遇到火情是開啟其它模塊；能夠采用太陽能電池板供電，提高部分續航能力等功能。詳細分析了其各系統的作用及原理，以期能更有效地開展森林火災的監測范圍。

自動巡航；森林火災；檢測

1　系統功能需求及技術指標

(1)檢測當前環境中溫濕度,煙霧濃度；(2)在沿著預定路線形勢的時候，可以通過主控中心切換到手動遙控，觀察詳細環境信息；(3)進行GPS定位和精準火源檢測；(4)低電量自動返回。

2　遠程監控系統

遠程監控系統即通過網絡、電話線、移動寬帶、數據線等遠程傳輸數據以供查看的監控系統。如今，網絡遍布全球，從理論上分析，遠程監控的范圍可以遍布全球上任何角落。但是出于成本等因素考慮，通常是點對點的監控模式。遠程監控者則可以通過電腦端的應用、網頁或者手機客戶端實時查看遠方的活動場景，檢測到異常后，可以系統先自行出發警報或者作出處理，也可以有監控者自己實施人工干預處理。監控系統包括監控設備、接收軟件和傳輸過程3大部分。基本硬件包括：攝像頭、PC或手機、處理板。整個系統需要用到的知識有：網絡傳輸協議、數字圖像處理技術和嵌入式開發等技術。核心原理圖如圖1所示。

圖1CC3200片載系統電路原理

3　火焰和溫度監測模塊設計

火焰傳感器根據探測的距離遠近而不同。對于森林防火這樣大范圍的火焰探測，仍是利用特殊的紅外光敏管，當區域出現明顯高于環境溫度的紅外源點時，表明該點出現明火；對于非常近距離火焰的探測(比如用于自動燃燒設備)，則是利用火焰區電阻值低、無火焰區電阻高的特點進行檢測。

而溫度模塊使用了非接觸性的溫度傳感器：TMP006為IIC接口，外圍電路相對較少，其中ADDR0,ADDR1為芯片地址設置，方便同一ⅡC總線掛載多個同芯片時使用，通過修改ADDR地址而在從而可以達到地址可變的設計。C11作為無極性瓷片電容，用在該電路中的電容稱為退耦電容，退耦電容并接于電路正負極之間，可防止電路通過電源形成的正反饋通路而引起的寄生振蕩。所謂退耦，即防止前后電路電流大小變化時，在供電電路中所形成的電流沖動對電路的正常工作產生影響，換言之，退耦電路能夠有效地消除電路之間的寄生耦合。DTRDY為data ready，用于檢測數據就緒;ⅡC的雙線SCL,SDA分別接至MCU的ⅡC接口。溫度與火焰檢測電路原理圖如圖2所示

圖2溫度和火焰檢測電路原理

。

4　無線和網絡部分的設計

CC3200自帶了網絡服務的協議棧，所以大部分情況下只要調用相應的API就可以完成所需要的任務，能有效地提高開發效率，加快設計周期。在初始化設定好Wi-Fi之后，便需要啟動HTTP SERVSR,詳細啟動流程如圖3所示。

圖3　配置HTTP SERVSR流程

在調用的API中，較重要的有以下幾個方面：HTTP 服務任務(HST)函數 HTTPServerTask()主要包括下列內容：①初始化程序變量 InitializeAppVariables();②配置 SimpleLink 為默認狀態 ConfigureSimpleLinkToDefaultState();③讀取設備配置 ReadDeviceConfiguration();④連接網絡 ConnectToNetwork();⑤停止 HTTP 服務 sl_NetAppStop();⑥啟動 HTTP 服務 sl_NetAppStart()。

其中連接網絡函數 ConnectToNetwork()包含 Httpserver 項目的主要內容。而其中最重要的就是ConnectToNetwork()這個API了， 連接網絡函數 ConnectToNetwork()主要包括下列內容： ①啟動 SimpleLink sl_Start()；②設置 WLAN 模式 sl_WlanSetMode()；③接入點模式操作 sl_NetAppStop() + sl_NetAppStart()；④站點模式操作 SmartConfigConnect()。

其中站點模式操作的主要內容是智能配置連接SmartConfigConnect()中，首先設置WLAN模式連接網絡函數ConnectToNetwork()啟動SimpleLink后，根據sl_Start()返回的當前模式g_uiSimplelinkRole和設備配置模式g_uiDeviceModeConfig進行判斷：如果當前模式不是站點模式(g_uiSimplelinkRole != ROLE_STA)，而設備配置模式為站點模式(g_uiDeviceModeConfig == ROLE_STA)，則調用 sl_WlanSetMode()將設備設置為站點模式(ROLE_STA)，然后重啟 SimpleLink。同樣，如果當前模式不是接入點模式(g_uiSimplelinkRole != ROLE_AP)，而設備配置模式為接入點模式(g_uiDeviceModeConfig == ROLE_AP)，則調用 sl_WlanSetMode() 將設備設置為接入點模式(ROLE_AP)，然后重啟 SimpleLink。還有一種操作模式為：接入點模式操作 如果當前模式是接入點模式(g_uiSimplelinkRole == ROLE_AP)，則進行接入點模式 操作，包括等待獲取 IP、重啟 HTTP 服務、獲取接入點名稱和顯示下列提示信息：最后芯片作為站點模式操作，如果當前模式不是接入點模式，則進行站點模式操作，包括重啟 HTTP 服務、等待設備自動連接接入點和智能配置連接接入點等。在等待設備自動連接接入點時，開發板上的紅 LED 快速閃爍，如果自動連接超時(g_ucConnectTimeout == AUTO_CONNECTION_TIMEOUT_COUNT)，則紅LED點亮，超級終端中顯示下列提示信息：Use Smart Config Application to configure the device。設備進入一個接入點模式時，可以通過上位機來訪問當前的Wi-Fi設備，對其進行操作，讀取傳感器的值。當有上位機連接到下位機時，或連接到站點通過一個接入點時，下位機中應用程序啟動HTTP服務，然后發起GET請求，瀏覽器設備頁。當有一個請求建立與設備的連接時，就能打開存儲在閃存芯片網頁，當HTTP服務，使用POST方法發送網頁到設備操作，也就可以控制裝置。

在設計中，PC端的上位機主要是用于發起HTTP請求，HTTP (Hypertext Transfer Protocol,超文本傳輸協議)是用于將超文本資源(HTML網頁、圖像和查詢結果等)傳輸到客戶端的客戶端/服務器協議，HTTP工作在預定義的TCP套接字上，默認端口80。

HTTP服務器監聽HTTP套接字(默認端口80)，按照請求類型(GET或POST)求的URI (Uniform Resource Identifier，統一資源標識符)資源和內容， HTTP服務器在ROM中保存有一組作為內部默認網頁的內部靜態網頁，可以提供cc3200芯片的設備配置、設備狀態和基本的分析工具。調試及結果，下位機默認的域名為web_serve.com，當PC中上位機客戶端打開的時候，其實就是對web_serve.com進行HTTP GET請求，在MCU端，當服務器獲取到HTTP GET請求時，首先檢查請求資源URN(uniform resource name ，統一資源名稱)在閃存中是否存在，如果存在的話，將閃存中的數據作為響應發送給上位機解析。其流程如圖4所示，上位機工程流程、工作裝臺如圖5所示。

圖4　數據傳輸流程

圖5　上位機工作流程,工作裝臺

5　結語

通過系統調試、仿真運行，基本達到了設計要求，但如能提高元器件的精度，將能更有效地擴展監測范圍。

[1]徐蕊. 基于ARM的變電站數據采集遠程監控系統[J]. 通訊世界,2016(1):169.

[2]李欽曉. 用戶側用電設備能耗信息采集及遠程監控系統[D].南京：南京郵電大學,2015.

[3]劉興華,佟健鵬. 燃氣遠程數據采集與實時監控分析的研究[J]. 天津科技,2014(12):23～24.

[4]王建春,張雪飛,劉紹偉,等. 基于多點數據采集遠程溫濕度監控系統的研究及應用[J]. 山西農業科學,2015(3):333～336.

[5]徐全鳳. 基于ZigBee技術的遠程監控病房環境采集系統[D].曲阜：曲阜師范大學,2014.

[6]李紅升. 遠程視頻監控中快速采集子系統的設計與實現[J]. 電子測試,2013(19):96～97.

[7]馮玉婷,常禹,胡遠滿,等. 大興安嶺呼中森林景觀的空間點格局分析[J]. 生態學雜志,2012(4).

[8]常禹,陳宏偉,胡遠滿, 等. 林火烈度評價及其空間異質性研究進展[J]. 自然災害學報,2012(2).

[9]王書涵,張曉麗,游先祥, 等. 3S技術在森林火險等級研究中的應用[J]. 廣東農業科學, 2011(23).

[10]陳宏偉,胡遠滿,常禹, 等. 呼中林區不同森林采伐方式對林火的長期影響模擬[J]. 北京林業大學學報, 2011(5).

[11]陳樹彪,鄭野,李秀英. 大興安嶺呼中林業局林下主要經濟植物資源的調查[J]. 內蒙古林業調查設計,2011(5).

[12]劉志華,楊健,賀紅士, 等. 黑龍江大興安嶺呼中林區火燒點格局分析及影響因素[J]. 生態學報,2011(6).

2016-06-22

陳曦(1993—)，男，蘇州大學應用技術學院學生。

劉和劍(1971—)，男，講師，主要從事電子信息科學的教學與研究工作。

S762

A

1674-9944(2016)16-0163-04