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)

楊頌 張少偉 孫培壯 郭軍 劉薇薇

摘 要：傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)火災(zāi)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(shè)計了一種基于4G網(wǎng)絡(luò)與多傳感器的農(nóng)業(yè)火災(zāi)報警系統(tǒng)，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(jù)并送入處理器分析，若測量數(shù)據(jù)超出設(shè)定閾值，處理器驅(qū)動攝像頭采集圖像，通過4G網(wǎng)絡(luò)將圖像和測量數(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)并報警。該系統(tǒng)具有效率高、時效性強等特點。測試結(jié)果顯示，系統(tǒng)的穩(wěn)定性高，在信息化農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。

關(guān)鍵詞：火災(zāi)報警；數(shù)據(jù)測量；多傳感器復(fù)合；4G網(wǎng)絡(luò)

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(nóng)業(yè)大國，也是世界上農(nóng)業(yè)災(zāi)害最嚴重的國家之一。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(zāi)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(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)造成的嚴重損失，開發(fā)出高效率、實時、遠程的農(nóng)業(yè)火災(zāi)報警系統(tǒng)顯得十分必要。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

為克服傳統(tǒng)火災(zāi)監(jiān)測設(shè)備的諸多缺點，本文設(shè)計了一種基于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(jù)并發(fā)送至上位機；PC客戶端是上位機，用于顯示數(shù)據(jù)和報警。溫濕度傳感器實時測量農(nóng)田的各種數(shù)據(jù)，并送入處理器進行分析，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)并進行火災(zāi)報警。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 STM32處理器

下位機選用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)字攝像頭接口，3個12位模數(shù)轉(zhuǎn)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(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、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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)如2圖所示。

2.2.2 火焰?zhèn)鞲衅?/p>

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(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(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[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。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(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接收器實現(xiàn)在任何環(huán)境下快速準確定位[9]。內(nèi)置豐富的網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用范圍廣泛、通信質(zhì)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(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)器進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 下位機軟件設(shè)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(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摃r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。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(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氣體和煙霧環(huán)境中的電導(dǎo)率與可燃氣體濃度呈正相關(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(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。

3.2 上位機客戶端設(shè)計

PC客戶端是農(nóng)田火災(zāi)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(zāi)報警和下位機測量數(shù)據(jù)的顯示。PC客戶端連接因特網(wǎng)，從服務(wù)器實時獲取下位機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)，再進行火災(zāi)報警顯示和測量數(shù)據(jù)顯示，以便用戶實時獲取農(nóng)田的火災(zāi)情況。PC客戶端的開發(fā)是利用基于Java的可擴展平臺Eclipse實現(xiàn)，其各功能描述如下：

（1）火災(zāi)報警顯示，下位機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行，人為小面積放火模擬農(nóng)業(yè)火災(zāi)場景，無人機低空飛行進行火災(zāi)監(jiān)測。下位機如圖8所示。火災(zāi)監(jiān)測前先調(diào)試下位機、服務(wù)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(zāi)監(jiān)測，各傳感器將測量數(shù)據(jù)送入處理器進行處理，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)后進行火災(zāi)報警和數(shù)據(jù)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(zāi)現(xiàn)場的圖像信息等，客戶端顯示如圖9所示。

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)生的判斷準確可靠。因此，該農(nóng)業(yè)火災(zāi)報警系統(tǒng)在運行可靠度、通信穩(wěn)定度、火災(zāi)判斷準確度等方面均滿足設(shè)計要求。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計了一款基于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(nóng)田的各種數(shù)據(jù)信息，送入處理器進行數(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，進行數(shù)據(jù)顯示和火災(zāi)報警，實現(xiàn)了農(nóng)田火災(zāi)的實時監(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、穩(wěn)定性高等特點，在信息化農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻

[1]陳然.農(nóng)業(yè)災(zāi)害影響因素分析[J].經(jīng)濟研究導(dǎo)刊，2009（11）：61-62.

[2]李童衛(wèi).遙感技術(shù)支持下的農(nóng)業(yè)災(zāi)害監(jiān)測與管理[J].河北農(nóng)機，2014（1）：52-54.

[3]趙哲，秦會斌.基于CAN總線的火災(zāi)報警系統(tǒng)的研究[J].機電工程，2011，28（5）：594-597.

[4]徐倫.基于STM32與圖像采集模塊OV5640的物品表面缺陷檢測儀設(shè)計[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2017（10）：53-56.

[5]黃光華.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與研究[D].南昌：江西理工大學，2012.

[6]王慧琚.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)[D].蘇州：蘇州大學，2012.

[7]張震.基于FPGA的USB3.0高速圖像采集系統(tǒng)設(shè)計與圖像特征提取算法研究[D].西安：西安電子科技大學，2015.

[8]趙厲.基于FPGA的彩色球形目標檢測技術(shù)研究[D].南寧：廣西科技大學，2015.

[9]谷雙.嵌入式無線視頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計[D].蘭州：蘭州理工大學，2017.

[10]曾浩.基于STM32F407的嵌入式機器視覺裝置研發(fā)[D].廣州：廣東工業(yè)大學，2015.