基于NB-IoT窄帶通信和多傳感器組網技術的森林火災監測預警系統

秦鈺林 周若麟 張珂欣 范訓禮 馮瑞航

摘 要：森林火災是一種我國常見的自然災害，具有突發、破壞大、處置難的特征，對森林的生態環境和人類的社會生態帶來難以彌補的危害。一般的林業火災監測預防設備存在工作效率低、時間效度性差、無法遠程預警等問題。文中設計了一種基于NB-IoT窄帶通信技術、無線傳感網技術的林業火災監測預警系統。該系統通過構建“正六邊形”傳感器監測網格，將STM32微控制器、煙霧傳感器、火焰傳感器、NB-IoT通信模塊等設備搭載在監測格節點上，傳感器測量環境數據并傳入微控制器進行處理，若數據超過設定閾值，微控制器驅動NB-IoT通信模塊，將數據和初步預警信息上傳至阿里云服務器，PC端從服務器獲取初步預警數據并報警，同時轉發數據至手機APP，及時報警。該系統具有工作效率高、時間效度好、多平臺預警等特點。測試結果顯示，系統的穩定性高，在林業信息化領域的應用前景廣闊。

關鍵詞：林火監測;STM32;多傳感器組網;NB-IoT窄帶通信;服務器;微控制器

中圖分類號：TP277.1文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）06-00-03

0 引 言

我國是林業資源充足的大國，同時也是林火災害發生較為嚴重的國家。林業火災不僅威脅人民生命財產安全、破壞生態環境，還造成巨大的經濟損失[1]。因此，森林火災的監測傳輸、預防預警、處置反應極為重要，現有傳統方法在實際工作環境中表現出費時費力、效率低下等缺點，且只對環境信息中的一種物化信息進行監測，易出現誤報、漏報等問題[2]。將NB-IoT窄帶通信技術和多種傳感器組網技術應用到森林火災監測中可解決以上難題，減少人員傷亡、財產損失。因此開發可長期布置、反應及時、遠程監控的森林火災監測預警系統具有一定的社會意義[3]。

針對火災監測技術的要求以及傳統火災監測技術的不足，本文通過構建“正六邊形”傳感器監測網格，將STM32微控制器、煙霧傳感器、火焰傳感器、NB-IoT通信模塊等設備搭載在監測格節點上，傳感器測量環境數據并傳入微控制器處理。如果數據超過設定閾值，微控制器驅動NB-IoT通信模塊，將數據和初步預警信息上傳至云服務器，PC端從服務器獲取初步預警數據并報警，同時轉發數據到手機APP。文中提出的基于NB-IoT窄帶通信技術、無線傳感網技術的林業火災監測預警系統經實驗測試，可以滿足一定范圍內的林業火災監測。

1 系統總體設計

本系統總體設計結構如圖1所示。系統由PC客戶端、手機APP客戶端、阿里云服務器和正六邊形監測網格的節點（STM32微控制器、可充電電池、太陽能光電效應板、煙霧傳感器、火焰傳感器、NB-IoT通信模塊）等組成。節點采用STM32微控制器作為下位機，用于采集煙霧濃度、溫度等數據，在STM32微控制器進行運算并發送儲存至阿里云服務器;PC客戶端、手機APP客戶端通過向服務器定期請求數據，實現實時監測環境數據并進行預警、報警。傳感器組網實時測量森林的環境信息，并送入微控制器進行數據處理、分析，若采集的信息超出閾值，微控制器驅動NB-IoT通信模塊，上傳數據及預警、報警信息至服務器，PC客戶端、APP客戶端從服務器獲取數據，向企事業單位用戶、個人用戶分別預警、報警，并不同程度地顯示數據。

2 系統硬件設計

2.1 STM32 處理器

正六邊形監測網格的節點下位機采用Cortex-M4內核的STM32F429微控制器，該微控制器的最高主頻為168 MHz，擁有2 MB FLASH，192 KB SRAM，DMA通道，12位模數轉換器，具有更強的處理能力、更快的接口通信速率、更高的采樣率，因此在運算能力、傳輸能力等方面具有更好的性能。

2.2 傳感器模塊

2.2.1 煙霧傳感器

正六邊形監測網格的節點下位機采用匯誠科技公司國產化的LM393，ZYMQ-2型煙霧傳感器。該傳感器的監測濃度范圍為300～10 000 ppm，工作電壓為5 V，工作電流為150 mA。該傳感器共有4個接口，電源VCC，地線GND，TTL電平信號輸出DO，模擬信號輸出AO。具有模擬量輸出以及TTL電平輸出的雙路信號輸出功能，可調節電位器、傳感器靈敏度，防止誤報。MQ-2型煙霧傳感器原理如圖2所示。

2.2.2 火焰傳感器

火災發生時，環境參數會發生劇烈的變化，其中一個顯著變化就是以火源為中心向外界發射一定波長的光線。因此，本文采用火焰傳感器進行監測。該傳感器由LM393、火焰檢測探頭組成，對火焰光波長極為敏感，能檢測760～

1 100 nm波長的光。工作電壓為3.3～12 V，工作電流小于1.6 mA，其接口有電源VCC，接地GND，TTL開關信號輸出DO，模擬信號輸出AO。其探測角度約為60°，為全方位監測火源，系統將6個火焰傳感器捆綁集成為一組，分別監測60°的扇面區域。火焰傳感器原理如圖3所示。

2.3 NB-IoT窄帶通信模塊

正六邊形監測網格節點的煙霧傳感器、火焰傳感器組將煙霧濃度、火焰光線等環境數據采集后傳送到STM32微控制器，通過MQ-2型煙霧傳感器窄帶傳輸模塊實時上傳至阿里云服務器，但要求通信模塊具有速度高、時延小等特點。

本系統采用STM32主控芯片和NB-IoT通信芯片，使用窄帶物聯網（NB-IoT）通信。NB-IoT主要用于構建蜂窩網絡，需消耗約180 kHz帶寬，支持低功耗監測節點在廣域網的蜂窩數據連接，待機時間長[4]。

與處理器通信方面，NB-IoT窄帶通信芯片和STM32微控制器之間通過串口相連，支持標準AT指令集和擴展AT指令集。本系統采用AT命令進行控制。

3 系統軟件設計

3.1 節點軟件設計

該森林火災監測預警系統節點上電復位后，首先進行系統初始化，然后通過與附近的NB-IoT基站進行身份校驗以加入窄帶通信網絡。當加入網絡后，節點進入周期性循環工作流程，定時定期對傳感器采集的環境信息進行分析處理;將采集的數據打包，寫入發送緩存區，定時對采集數據進行更新，并通過基站發送數據至阿里云服務器。為保證節點正常工作，工作循環設置判斷語句，詢問電量是否充足，當電量不足時，進行關機保護，防止數據丟失。節點控制流程如圖4所示。

3.2 客戶端軟件設計

本文所述的森林火災監測預警系統中，微控制器與云端服務器的通信基于套接字Socket協議，同時使用UDP協議。微控制器中的客戶端程序首先調用AT指令，命令NB-IoT通信模塊通過字節流將約定的注冊包發送至云平臺，云平臺確認注冊包后，與節點建立UDP連接，并發送環境信息到云平臺。之后，云平臺再通過使用python編寫的基于TCP的服務器客戶端程序將數據發至云端服務器。

APP和PC客戶端采用基于HTTP的協議，通過云端服務器的公網域名訪問云端服務器中提前生成的Json文件，并獲取儲存在文件中的環境數據及預警信息，之后通過用戶界面呈現。

3.3 服務器端軟件設計

該森林火災監測預警系統服務器端軟件使用電信物聯網云平臺的專用客戶端程序get_data.py，此程序可用于接收節點發送的數據，并對數據進行儲存和進一步分析處理。首先，客戶端打開Socket套接字，用云平臺的IP地址、端口號與云平臺建立TCP連接，然后調用recv函數接收云平臺發送的字節流信息，并進行字節流到字符串的格式轉換，以“*”為標志，用split函數對各數據類別進行辨認、標識，儲存在data目錄的節點歷史數據文件中，最后生成Json文件。

APP服務器端程序采用Servlet。通過Servlet實現的接口允許APP基于HTTP協議通過公網域名訪問云服務器中的Json文件并獲取其中的數據。

4 系統測試結果

系統測試選擇一片小樹林作為模擬實際森林環境的地點。選用一臺配置有虛擬串口和上位機軟件的筆記本電腦，以及安裝有APP的手機在實驗室內模擬實際客戶。

通過使用打火機點燃紙張等方法模擬火災場景，并進行火災監測預警。系統測試開始前，先調試下位機、服務器、客戶端、上位機，保證它們正常運行，且保持良好通信狀態。傳感器將測量的環境數據送入微控制器進行處理，若超過設定的閾值則判斷為有火災發生，并通過NB-IoT通信模塊發送至云端服務器，客戶端從服務器獲取數據后進行火災預警和火場環境數據顯示。當模擬實驗點火后，客戶端顯示預警提示、各測量值已超過閾值提示，以及火災現場的環境信息等。APP客戶端顯示界面如圖5所示。

多次測試結果證明，該系統穩定、可靠性較高。多個傳感器測量到的數據準確度高，系統對森林火災發生的判斷準確可靠。因此該系統在可靠程度、穩定程度、準確程度等方面均可滿足設計要求。

5 結 語

本文設計了一款基于NB-IoT窄帶通信和多傳感器組網技術的森林火災監測預警系統，其上位機由PC客戶端、APP客戶端組成，下位機由STM32微控制器、火焰傳感器、煙霧傳感器、NB-IoT窄帶通信模塊等組成。通過多種傳感器測量森林環境信息，之后將其送入微控制器進行分析處理，判斷火災發生的可能性，若判定為發生火災，則通過NB-IoT窄帶通信網絡將數據上傳至阿里云服務器，PC客戶端、APP客戶端從服務器獲取數據后，顯示數據并進行火災報警，實現森林火災的實時監測。測試結果表明，相比于傳統的森林火災監測系統，該系統能夠實時、準確、高效、廣域地進行火災監測預警，具有運行效率高、監測時效性強、通信穩定性高、節點耗能低等特點，在農業信息化領域具有廣闊的應用前景。

參考文獻

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