基于太陽能的遠(yuǎn)程無線警示裝置設(shè)計(jì)

魏顯文

(武威職業(yè)學(xué)院，武威 733000)

0 引 言

祁連山自然保護(hù)區(qū)地處甘肅、青海兩省交界處，東起烏鞘嶺的松山，西到當(dāng)金山口，北臨河西走廊，南靠柴達(dá)木盆地，是河西人民賴以自下而上的命脈，是這里經(jīng)濟(jì)文化繁榮的基本保證，祁連山自然保護(hù)區(qū)位于武威、張掖兩地區(qū)和金昌市部分地區(qū)，東西長1 200多公里，南北寬120 km，總面積2 653 000公頃。主要保護(hù)對(duì)象是祁連山水源涵養(yǎng)林、草原植被。近年來，祁連山自然保護(hù)區(qū)部分環(huán)境遭到一些非法組織或人為性的破壞，例如在自然保護(hù)區(qū)獵殺稀有動(dòng)物、砍伐珍貴樹木、野營燒烤等，這些不良行為對(duì)保護(hù)區(qū)造成了一定程度的破壞，而保護(hù)區(qū)面積大，人工巡查困難，目前常見的警示方法有粘貼宣傳海報(bào)、警示碑、人工巡邏等方式予以提醒和警示。警示牌是放置在自然保護(hù)區(qū)路口顯目位置，優(yōu)點(diǎn)是制作成本低廉，展板內(nèi)容用不同顏色標(biāo)注，以圖文并茂的方式進(jìn)行展示，將國家政策顯現(xiàn)出來，對(duì)冒然進(jìn)入保護(hù)區(qū)的游客給予警示。缺點(diǎn)是該警示牌放置在野外，風(fēng)吹日曬短期內(nèi)將會(huì)褪色，或者損壞，要頻繁的進(jìn)行更換，而保護(hù)區(qū)一般離居民生活區(qū)相隔甚遠(yuǎn)，無法指派專人進(jìn)行維護(hù)，另外對(duì)冒然進(jìn)入保護(hù)區(qū)的居民無法制止。警示碑一般設(shè)置在自然保護(hù)區(qū)的入口處，以水泥澆筑的方式修建起來的警示碑，相對(duì)單一的警示牌要牢固耐用，警示碑的正反面均可放置警示語錄或者將字刻在碑上。該裝置的優(yōu)點(diǎn)是體積大，使得過往游客很清楚的看到警示語錄，若是刻在碑上的宣傳語則持久性好，不受自然條件的損壞。缺點(diǎn)是刻在碑上的語錄不方便更換，若遭到人為破壞，維修成本過高。針對(duì)此類情況，設(shè)計(jì)一款基于太陽能的遠(yuǎn)程無線警示裝置具有一定的社會(huì)價(jià)值。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 工作模式

警示裝置分布于保護(hù)區(qū)的各個(gè)路口采集信息，并將采集的信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接脩艚K端，用戶終端對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和處理，如圖1所示。

圖1 警示裝置工作示意圖

節(jié)點(diǎn)上方外置的LED顯示屏用于顯示保護(hù)區(qū)的政策法規(guī)和人類禁止進(jìn)入的標(biāo)識(shí)語。當(dāng)節(jié)點(diǎn)上帶有紅外傳感的攝像頭檢測到帶有熱量的人或物試圖進(jìn)入保護(hù)區(qū)域時(shí)，節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)調(diào)用模式識(shí)別算法對(duì)抓拍的圖片進(jìn)行識(shí)別，若識(shí)別為動(dòng)物時(shí)靜默處理；若識(shí)別為人類則進(jìn)行警示(內(nèi)置語音高音喇叭播放語音+警示燈閃爍)，同時(shí)值班室用戶終端上的警示燈將會(huì)閃爍并警報(bào)；若不聽警示繼續(xù)前行，工作人員通過遠(yuǎn)程對(duì)話系統(tǒng)進(jìn)行人工喊話警示，若仍不聽警告，紅外傳感攝像頭就會(huì)對(duì)其進(jìn)行鎖定抓拍，同時(shí)將抓拍的照片傳送至值班室用戶終端，值班室工作人員根據(jù)抓拍到的信息及時(shí)趕赴現(xiàn)場進(jìn)行處理。是一種集煙霧監(jiān)測預(yù)報(bào)警、圖像抓拍預(yù)報(bào)警、遠(yuǎn)程報(bào)文傳輸、空氣質(zhì)量檢測、高音喇叭警示、紅藍(lán)色強(qiáng)光警示為一體的智能警示裝置，太陽能供給能量，可遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)具有夜間警示的功能。

1.2 硬件結(jié)構(gòu)

整個(gè)裝置采用模塊化設(shè)計(jì)理念，由物聯(lián)網(wǎng)模塊、主控模塊、警示模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)看模塊、LED顯示模塊、電源模塊、支架模塊等組成。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于太陽能的保護(hù)區(qū)警示裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2.1 物聯(lián)網(wǎng)模塊

采用ZigBee技術(shù)搭建無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)WMSN，將分布于保護(hù)區(qū)內(nèi)的各節(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)區(qū)內(nèi)無互聯(lián)網(wǎng)信號(hào)地帶節(jié)點(diǎn)互傳至有網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)上，再利用互聯(lián)網(wǎng)將信息傳送至用戶終端。相鄰節(jié)點(diǎn)之間傳輸距離最大可達(dá)1 km～3 km，有效減少保護(hù)區(qū)節(jié)點(diǎn)放置的數(shù)量。

1.2.2 主控模塊

主控以嵌入式單片機(jī)STM32為控制中心，單片機(jī)與外圍設(shè)備連接采用插拔式接口處理，能夠?qū)崿F(xiàn)即插即用。紅外檢測攝像頭、警示燈、高音喇叭、LED顯示屏、存儲(chǔ)芯片均通過相應(yīng)電路與單片機(jī)相連接。紅外檢測攝像頭拍攝的照片存儲(chǔ)于存儲(chǔ)芯片中，單片機(jī)采用模式識(shí)別算法區(qū)分出是人類還是動(dòng)物以做出不同的反應(yīng)。

1.2.3 警示模塊

警示模塊由三部分構(gòu)成：一是2個(gè)高音喇叭，二是位于節(jié)點(diǎn)上的紅藍(lán)雙色相間的LED警示燈，三是位于保護(hù)區(qū)值班室的紅藍(lán)雙色警示燈。當(dāng)紅外傳感攝像頭采集到游客貿(mào)然進(jìn)入保護(hù)區(qū)后，馬上啟動(dòng)內(nèi)置語音警報(bào)指令，高音喇叭將以語音指令方式發(fā)出警告，警示燈配合高音喇叭予以震懾，同事保護(hù)區(qū)值班室警示燈會(huì)發(fā)出警報(bào)，提醒工作人員注意有人闖入。

1.2.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊

紅外傳感攝像頭用于時(shí)時(shí)監(jiān)看保護(hù)區(qū)各個(gè)路口，白天能很好地拍攝到路口的狀態(tài)，夜間采用紅外熱成像技術(shù)確保攝像頭能夠精確拍攝。拍攝完成的照片以數(shù)字形式壓縮存儲(chǔ)在存儲(chǔ)芯片中，一定時(shí)期能重復(fù)覆蓋。

1.2.5 電源模塊

通過太陽能板將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，可以為整個(gè)節(jié)點(diǎn)提供電能。另外，在智能警示節(jié)點(diǎn)支架底部放置儲(chǔ)能蓄電池，太陽能發(fā)出的多余電量可以存儲(chǔ)在蓄電池中，保證夜間對(duì)警示節(jié)點(diǎn)供電，此電源系統(tǒng)不但解決了自然保護(hù)區(qū)用電困難的問題，而且采用太陽能供電，清潔方便無污染。

1.2.6 支架模塊

本裝置的支架機(jī)構(gòu)由三部分組成：一是底座，采用角鐵焊接成梯形底盤，埋于地下后用水泥澆灌固定整個(gè)警示系統(tǒng)；二是支干部分，采用圓鋼或方鋼焊接而成；三是頂盤法蘭盤，在支桿上端焊接一個(gè)三角形法蘭盤，用于支撐顯示模塊和其他模塊。

2 軟件設(shè)計(jì)

主控機(jī)構(gòu)以STM32單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)出電路，采用C語言編程，在Proteus軟件上進(jìn)行仿真，確保電路能穩(wěn)定運(yùn)行后進(jìn)行電路制版，將各模塊集成，減少控制電路，降低研制成本，警示系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3 警示系統(tǒng)工作流程

3 結(jié)束語

本警示裝置中電源供給采用大陽能光伏板發(fā)電，解決了保護(hù)區(qū)無電網(wǎng)的難題，LED顯示屏選用低功耗的燈柱，具備防水防塵功能，警示燈選用35.08LED芯片，在滿足亮度要求的同時(shí)保證低功耗，警示效果好。裝置相對(duì)現(xiàn)有的警示牌和警示碑具有更佳的警示效果，LED顯示屏不斷更新展示國家對(duì)自然保護(hù)區(qū)的相關(guān)政策，高音喇叭和警示燈同時(shí)啟動(dòng)，對(duì)冒然進(jìn)入保護(hù)區(qū)的游客給以震懾，讓其知曉國家相關(guān)規(guī)定，避免游客闖入保護(hù)區(qū)。警示系統(tǒng)采用ZigBee搭建先進(jìn)的無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)WMSN，能夠在沒有網(wǎng)絡(luò)的自然保護(hù)區(qū)、警示裝置之間進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和傳輸，當(dāng)警示系統(tǒng)接近于有互聯(lián)網(wǎng)信號(hào)地帶時(shí)，利用互聯(lián)網(wǎng)將所有數(shù)據(jù)以報(bào)文的形式快速有效的傳輸?shù)较嚓P(guān)管理部門，除了具備警示功能外，還具有煙霧報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)保護(hù)區(qū)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙霧傳感器將信息采集后，立即傳輸至主控單元，觸發(fā)相應(yīng)的警示開關(guān)，引起周圍的居民的注意，并以報(bào)文形式上傳至管理部門。溫濕度傳感器和風(fēng)速傳感器將信息采集后為相關(guān)科研部門提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)，攝像頭對(duì)冒然進(jìn)入保護(hù)區(qū)的游客和車輛進(jìn)行錄像和抓拍，并將相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到硬盤中，為執(zhí)法部門后續(xù)懲罰提供有效的證據(jù)。