低功耗全天候邊海防監控系統硬件電路設計

摘" 要：邊海防是國家安全的戰略防線，是維護國家根本利益的安全屏障。近年來，我國經濟社會的發展和國內外的安全環境都發生著巨大變化，邊境與沿海地區日益成為內外矛盾和利益的交匯地帶，但是邊防區域地理位置復雜、邊境線漫長，無人值守邊防站、出入境口岸等邊境監控重點區域分布廣、與監控中心距離遠，且微波、雷達等周界防護手段受限于自然天氣，對邊海防地區的安全管理造成極大影響。因此，該文旨在設計一款超低功耗、低成本、分布式且全天候遠距離邊海防監控系統，適用于對無人區、邊境區等點多線長面廣的區域進行長期監控，可全面提升邊海防管控能力。

關鍵詞：邊海防；低功耗；全天候；硬件電路；管控能力

中圖分類號：TN925" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）16-0134-04

Abstract： Border and coastal defense is a strategic line of defense of national security and a security barrier for safeguarding the fundamental interests of the country. In recent years， great changes have taken place in China's economic and social development and the security environment at home and abroad. The border and coastal areas have increasingly become the intersection of internal and external contradictions and interests， but the geographical location of the border defense area is complex and the border line is long. The key areas of border monitoring such as unattended border stations and entry and exit ports are widely distributed and far away from the monitoring center， and the perimeter protection means such as microwave and radar are limited by natural weather. It has a great impact on the security management of border and coastal defense areas. Therefore， the purpose of this paper is to design an ultra-low-power， low-cost， distributed， all-weather long-distance border and coastal defense monitoring system， which is suitable for long-term monitoring in areas such as no man's land and border areas， and can comprehensively improve the ability of border and coastal defense management and control.

Keywords： border and coastal defense; low power consumption; all-weather; hardware circuit; management and control ability

為深入貫徹習近平強軍思想，始終堅持敢于創新、勇于開拓的思想路線，把握以研促學開展過程的主線，力求達到學以致用的目的，實現對標基層、緊貼實戰的良好質效，堅持我軍積極防御戰略思想，結合我國邊海防監控力量薄弱的實際，創新研發此低功耗邊海防監控系統，有利于占據道義制高點、掌握政治和外交主動，有利于以武止戈，保障國家和平發展，為加強國防建設和建成世界一流軍隊提供強大動力。

由于邊境地區地理環境復雜，很多地區無法布設通信光纜，利用無線傳輸設備具備的無須布線、技術可行、安裝施工方便、靈活性強及受地理環境限制小等優點[1]，有助于監控邊海防地區，進一步提高安全管理能力。

本文致力于智慧邊海防建設，自主設計和研發出一款低功耗全天候邊海防監控系統，具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、分布式、全天候和遠距離等特點，能夠實現被動報警與主動偵察2種功能，從而對邊境地區進行全面監控，彌補現階段邊海防技術的不足，成為邊海防管控的有效科技力量。

1" 整體設計

1.1" 預期功能

本文研究的低功耗全天候邊海防監控系統的目標是實現被動報警和主動偵察2大功能，來為邊海防管理提供全天時、全天候、不間斷的實際狀況與動態變化信息。邊海防官兵可以通過系統實時、準確地獲取前端設備傳回的警報信息，也可以通過上位機軟件發布命令，選擇全部或部分前端設備回傳當前監控信息，隨時掌握監控區域的安全穩定情況，及時作出判斷和行動。

1.2" 系統框圖

低功耗全天候邊海防監控系統包括子節點、主節點、中心站和上位機軟件4部分，其中子節點是搭載紅外報警設備的超低功耗傳感器，可大量安插、投擲到固定所需位置，形成一個巨大的子點網絡，一旦某個節點檢測到有效異變，即將報警信號、時間、坐標位置等信息傳遞給主節點，主節點將接收信息傳回中心站，中心站將數據暫存并傳回上位機顯示，邊防官兵根據顯示信息可以及時掌握監控區域的情況并有針對性地巡查。另外，邊防官兵也可以操作上位機軟件，呼叫子點網絡回傳當前周邊情況，實現被動報警和主動偵察的全面監控方案。低功耗全天候邊海防監控系統的整體通信流程如圖1所示。

其中上位機軟件安裝在監控站的計算機上，通過RJ-45接口與中心站相連，實現發布指令、顯示存儲數據、報警等功能。中心站主要由A39C LoRa傳輸模塊、STC8H1K17-36I-TSSOP20單片機、ETH-01傳輸模塊構成，負責與中心站及主節點間的數據傳輸，完成數據傳回、命令廣播等任務。主節點主要由A39C LoRa傳輸模塊、STC8H1K17-36I-TSSOP20單片機、LED顯示模塊構成，作為中心站和子節點之間的樞紐，完成雙向通信。子節點主要由A39C Lora模塊、STC8H1K17-36I-TSSOP20單片機、LED顯示模塊及人體紅外傳感器構成，能夠完成數據采集，并將數據通過無線模塊傳給主節點，進而傳回到上位機軟件。

2" 硬件部分的設計

2.1" 處理器模塊

處理器模塊采用STC8H1K17-36I-TSSOP20單片機。STC8H系列單片機是STC生產的單時鐘單片機，不需要外部晶振和外部復位機，具有超強抗干擾、低功耗、超低價及高速等特點。微控制單元（MCU）內部集成高精度R/C時鐘，并提供了豐富的數字外設接口和模擬外設，并提供了2種低功耗：IDLE模式和STOP模式，能夠進一步減少能量損耗，滿足低功耗全天候邊海防監控系統的需要。STC8H1K17-36I-TSSOP20單片機工作電壓為1.9～5.5 V，工作溫度為-40～85 ℃，芯片有所有的I/O口中斷功能，有4級中斷優先級，可掉電喚醒。STC8H1K17-36I-TSSOP20單片機管腳圖如圖2所示。

2.2" 紅外人體傳感器模塊

紅外傳感器使用SR602紅外人體傳感器，其是基于紅外線技術的自動控制模塊，響應速度快、靈敏度高、靜態功耗小和抗干擾能力大，而且其體積較小，因此容易安裝、簡單實用，專用于感應周圍人體的存在。最大感應距離為5 m，熱釋電紅外的紅外線傳感器件對特定波長的紅外線有極強的感應能力，當檢測到人體輻射的紅外光譜時，紅外傳感器OUT端輸出高電平[2]，信號持續時間可以通過電阻進行調整。此外，該傳感器具有可重復觸發模式，即如果在高電平狀態下周圍有人通過，傳感器會繼續輸出高電平，直到人離開。SR-602紅外傳感器引腳圖如圖3所示。

2.3" 數據傳輸模塊

2.3.1" 無線數據傳輸模塊

主節點與中心站及子節點間的無線數據傳輸模塊采用A39C LoRa為核心。LoRa是semtech公司開發的一種低功耗局域網無線標準，其名稱“LoRa”是遠距離無線電（Long Range Radio），其在同樣的功耗下比傳統的無線射頻通信距離擴大3～5倍。LoRa具有低功耗、低成本、遠距離傳輸、系統容量大且抗干擾性強等優勢，成為低功耗廣域網中一個技術代表[3]。因此，在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠，實現了低功耗和遠距離的統一。

A39C-T400A22D1a是一款410-525 MHz、158 mW，具有高穩定性，工業級的無線串口模塊，采用無線的方式實現串口通信大大減小了線路連接的復雜程度，從而避免了電線老化、線路間干擾等問題[4]。LoRa擴頻調制，實測傳輸距離最遠可達5 000 m。該模塊支持數據廣播、數據監聽、定點傳輸、主從模式、自動中繼及定點喚醒等傳輸方式。支持超低功耗，多樣化的功能和極高的穩定性，可廣泛應用于各種環境下，輕松實現低頻無線數據傳輸，連接圖如圖4所示。

2.3.2" 有線數據傳輸模塊

中心站和上位機間的有線數據傳輸模塊采用ETH-01，官兵可以通過上位機發送指令給中心站，進而廣播給所有的主節點與子節點，進行數據采集，從而監控當前狀態。以太網具有通信速率高、帶寬大等優點，已經廣泛應用于國防、通信、航天和工業控制等高可靠性和高實時性領域[5]。ETH是一種光纖以太網接口卡，按照以太網通信協議進行信號傳輸，通過光纜與光纖以太網交換機連接。中心站與上位機均位于監控室中，利用光纜與光纖連接不會受到外界環境的影響。中心站和上位機間的數據傳輸模塊電路圖如圖5所示。

2.4" 電源模塊

電源模塊采用18650電池，其中18表示直徑為18" mm，65表示長度為65 mm，0表示圓柱形電池，有鈷酸鋰電池與磷酸鐵鋰電池2種類型，容量范圍是1 200 ～3 350 mAh，常見容量為2 200～2 600 mAh，可以使用多個18650電池組合成大容量的電池組。

XC6206P332MR是一款固定輸出正壓低壓差 （LDO）穩壓器，采用3引腳SOT-23封裝。其是一款高精密，高電壓正電壓穩壓器，使用CMOS與激光微調技術所制造，提供大電流與極低的壓差。XC6206P332MR包含限流電路、驅動晶體管、精密參考電壓與糾錯電路。電源模塊電路圖如圖6所示。

2.5" 顯示電路

系統中的顯示模塊采用LED-0805，燈的尺寸為2.0 mm×1.25 mm。LED具有許多優勢，如節能環保、啟動電壓低、尺寸設計靈活、不含汞、電能轉化為光的效率高、壽命長及能夠與多種設備一起使用等[6]。LED貼片燈由FPC電路板、LED燈、優質硅膠套管制成，低熱量、高亮度、堅固耐用，使用低壓直流供電安全方便，發光顏色多樣，色彩鮮艷，戶外使用具有抗UV老化、變黃、抗高溫等優勢，被廣泛應用于城市各工程中、大屏幕顯示系統、影音設備、電子詞典、液晶顯示屏背光源和汽車儀表地戶外看板等產品上。接口電路如圖7所示。

3" 結束語

本文設計、開發的低功耗全天候邊海防監控系統，其前端設備體積小、重量輕、功耗低、成本低、對氣候和地理環境的要求極低、系統工作穩定及安裝和后期維護非常方便，可大批量地安插、投擲到固定所需位置，形成監控網絡，對周邊實現24 h不間斷、無障礙的監控，滿足當前邊海防監控所需。

參考文獻：

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[2] 溫佳，周旭，楊興華，等．移動網絡視頻監控系統[M]．北京：電子工業出版社，2012．

[3] 楊新華，鄭越，馬建立.基于LoRa的電力物聯網智能終端采集系統設計[J].傳感器與微系統，2022，41（1）：123-126.

[4] 戴楠，孫長國，劉志宏.基于CC1110的無線串口通信系統設計與實現[J].計算機與網絡，2010，36（21）：68-70.

[5] 張玉琢，曹源，聞映紅.基于交換式以太網的列車通信網絡建模與性能分析[J].通信學報，2015，36（9）：181-187.

[6] 黎學文，陳磊，林金填.LED創新應用發展現狀[J].中國照明電器，2021（7）：1-6.