自供電低功耗森林火災無線監測系統?

李春成，楊 云，陳 亮，何 劍，丑修建

(中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051)

近幾年，受全球氣候異常變化、人類活動頻繁等因素的影響，森林大火出現的頻率呈迅速增加趨勢，這對地球生態環境和人類生命財產安全構成巨大威脅。如果能在火情出現的早期階段及時準確地報告森林火災出現的具體位置和狀況，將有助于消防人員及時采取措施，最大限度降低森林火災的蔓延，從而避免造成巨大生態破壞和生命財產損失[1－3]。目前，主要的森林防火措施仍舊以地面巡邏、監視塔、衛星監控等為主[4]。這些方法需要巨大投入(財力、物力、人力)但卻收效有限，在實踐中取得效果并不理想。其中，國內主要采用地面巡護、望臺監測和航空巡護等方法[5]，多數情況下分布智能化和可靠性比較低。因此，開發智能火災監控系統來實現實時監測變得十分重要。本文提出了一種低功耗森林火災監測系統，利用太陽能和風能互補的優勢，可以最大限度地收集環境中的能量，將其轉換成電能實現對監測系統的供能。在電路的結構和程序中采集了低功耗設計，進一步減少了系統的功耗。本設計可以監測周圍環境的溫度、濕度、氣壓信息，并且探測周圍是否有明火，可以獲取位置信息，將數據通過無線發送到遠端。本設計具有體積小，重量輕，易于布放等優點。

1 總體設計方案

系統包括能量采集單元、能量管理單元、數據采集單元、核心控制單元和無線通信單元，其結構如圖1 所示。能量采集單元是將外界環境中的太陽能和風能轉換為電能；能量管理單元負責存儲和管理所采集的能量，并驅動其他三個單元進行正常的運作；傳感單元對監測參數進行感知產生電信號，并且將信號移交到核心控制單元處理；核心控制單元負責執行用戶的程序和處理數據；無線通信單元將傳感節點連接成傳感網絡，傳感網絡可以獨立運行，也可以通過網關連接到互聯網，監測中心可以通過互聯網監測傳感器采集到的信息。傳感單元包括定位模塊，無線傳輸模塊，溫濕度模塊，氣壓模塊，火焰傳感器，能夠監測周圍的溫度、濕度、氣壓和位置信息，從而感知周圍是否有火焰并實時將傳感器采集到的信息無線傳輸到接收端。

圖1 硬件系統總體結構圖

2 能量采集單元

能量采集單元主要包括風能采集和太陽能采集兩部分。在整個風能自供電無線傳感器節點系統中，風機是能量采集部件，它負責將風能轉換為電能，如圖2 所示。能量的轉換包含有兩個過程:風力推動風輪葉片旋轉將風能轉換為機械能；機械能再通過發電結構轉換成電能[6－7]。太陽能采集使用的是太陽能電池板，將太陽能轉換成電能[8]。

圖2 能量采集模塊結構和內部結構圖

風能采集將機械能轉化成電能的原理是電磁感應現象:閉合電路的一部分導體在磁場中做切割磁感線的運動時，導體中就會產生電流，這種現象叫電磁感應現象。本質是閉合電路中磁通量的變化。使用小型的風力發電機給監測節點供電許多優點[9]:一方面可以利用風能充當電源，解除了鋪設電纜或頻繁更換電池的煩惱，另一方面通過密集布置的節點，也提高了監測數據的密度和精度。這種小型的風力發電機，相比常規的大功率風機而言，有如下優勢:(1)由于體積小型化，部署位置要求低；(2)大功率風機工作時的風速均在10 m/s 以上，而距離地面高度較低的風速一般在2 m/s～7 m/s，小型風力發電機可以在低風速的條件下采集能量；(3)風機體積小、重量輕和成本低，可以適應無線節點的部署需求。

風能采集需要整流電路，低損耗DC/DC 電路，能量存儲電路，電池充電電路等。綜合考慮，風能采集使用能源管理芯片LTC3331，原理圖如圖3 所示。當收集能量可用時，LTC3331 可以提供高達50 mA的連續輸出電流，以延長電池壽命。當收集的能量可以穩定提供給負載時，LTC3331 僅需電池提供200 nA 電流；當空載時，靜態電流僅為950 nA；當沒有能夠收集的能量時，鋰電池為降壓－升壓型轉換器供電，該轉換器可以在高達4.2 V 的整個電池電壓范圍內工作。當采集的能量不可用時，LTC3331自動轉換為電池供電。LTC3331 配備了一個超級電容器平衡器，一個簡單的10 mA 電池充電器，能夠用采集到的能量給超級電容或鋰電池供電，同時具有低電壓斷接保護功能，當電池電量低于設定值時斷接電池以避免電池深度放電。

圖3 LTC3331 原理圖

太陽能光伏電池發電的原理是光生伏特效應[10]:當太陽光(或其他光)照射到光伏電池上時，電池會產生“光生電壓”。若將電池引出電極并接上負載，則負載就有“光生電流”流過，從而獲得功率輸出。由于森林的環境比較復雜，一般的能量采集芯片無法滿足需求，為了最大程度地收集利用環境中的能量，本設計采用具有太陽能最大功率點追蹤(Maximum power point tracking，MPPT)功能的芯片CN3791，其原理圖如圖4 所示。由太陽能板的伏安特性曲線可知，當環境溫度恒定時，在不同的日照強度下，對應最大輸出功率的輸出電壓基本相同。因此，只要保持太陽能板的輸出端的電壓為恒定電壓，就能保證在該溫度下光照強度不同時，太陽能板輸出最大功率。CN3791 太陽能板最大功率點跟蹤端MPPT 管腳的電壓被調制在1.205 V，配合片外的兩個電阻(圖4 中的R3和R4)構成的分壓網絡，可以實現對太陽能板最大功率點進行跟蹤。太陽能板最大功率點電壓由下式決定:

圖4 CN3791 原理圖

當輸入電源的電流輸出能力降低時，內部電路可以自動跟蹤太陽能板的最大功率點，可最大限度地利用太陽能板的輸出功率。

3 低功耗電路設計

3.1 主控芯片

STM32C8T6 是STM 公司生產的芯片，集成了豐富的片內外設，如看門狗，DMA(Direct Memory Access，直接存儲器訪問)控制器，UART 接口，SPI 接口，RTC 實時時鐘，擁有睡眠、停機和待機模式[11－12]。本設計中串口發送數據使用了DMA 傳輸，將數據從一個地址空間復制到另外一個地址空間。STM32 的RTC 模塊擁有一組連續計數的計數器，在相應軟件配置下，可提供時鐘日歷的功能。修改計數器的值可以重新設置系統當前的時間和日期。

3.2 傳感器電路設計

森林火災的發生與天氣有密切關系，高溫、連續干旱、大風天氣容易引起火災。在發生火災時，周圍的溫度，濕度和氣壓會產生較大的變化。本設計中含有溫濕度采集模塊DHT11 監測溫度和濕度的變化，高精度氣壓傳感器MS5611－01BA 監測氣壓的變化，通過溫度，濕度和氣壓信息對容易發生火災的地區做出預警；用火焰傳感器探測周圍是是否有明火；使用GPS 模塊發送傳感器的位置，方便提前采取相應的措施。

DHT11 數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，包括一個電阻式感濕元件和一個NTC 測溫元件，并與一個高性能8 位單片機相連接。校準系數以程序的形式存在OTP 內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數。

MS5611－01BA 氣壓傳感器是由MEAS(瑞士)推出的一款SPI 和I2C 總線接口的新一代高分辨率氣壓傳感器，測量高度分辨率可達到10 cm。該傳感器模塊包括一個高線性度的壓力傳感器和一個超低功耗的24 位Σ 模數轉換器(工廠校準系數)。

火焰傳感器是專門用來搜尋火源的傳感器，火焰傳感器也可以用來檢測光線的亮度，只是傳感器對火焰特別靈敏?；鹧鎮鞲衅骼眉t外線對火焰非常敏感的特點，使用特制的紅外線接受管來檢測火焰，然后把火焰的亮度轉化為高低變化的電平信號。

3.3 低功耗設計

由于森林一般地域遼闊且環境復雜，一次性布設完設備后需要使用較長年限，為了延長監測系統的使用時間，減少能量消耗，工作電路采取低功耗設計[13]。穩壓器負責將電池的電壓穩定到3.3 V，但是它本身也會消耗一定能量?？紤]到該部件功能和體積的要求，使用低功耗穩壓器件TPS7333。在器件的選擇上也進行了低功耗設計。經測試，傳統的GPS 的功耗為221 mW，工作電流為67.2 mA。本次設計采用的低功耗GPS 的功耗為104 mW，工作電流為32.6 mA，功耗不到傳統GPS 的一半。外圍電路中的傳感器(如通訊、定位模塊)的供電可以由芯片進行控制，在系統休眠的時候極大地降低了系統的功耗?？刂菩酒部梢赃M入休眠模式，進一步降低系統的功耗。

表1 系統主要模塊節能前后的功耗

4 系統軟件設計

4.1 嵌入式程序流程設計

單片機程序處理過程如圖5 所示。首先進行系統參數的初始化，例如設定串口的波特率，延時函數初始化，配置單片機的時鐘頻率，RTC 時鐘配置。接著火焰傳感器開始工作，實時監測周圍是否有明火，在監測到明火時產生外部中斷，發送報警信號。單片機控制負載開關為外設供電。經過延時后，溫濕度模塊，氣壓模塊，定位模塊開始初始化設置，配置內部的I/O。外設初始化成功后，各個傳感器開始采集數據。GPS 模塊可以采集到位置信息和時間信息，使用GPS獲取的時間信息校準RTC 時鐘的時間信息。RTC 時鐘可以在單片機芯片休眠或待機的時候提供時間信息。當休眠時間結束時，可以喚醒單片機。將采集到的數據存放于Data＿BUFF 變量，使用DMA 將數據發送到串口，通過串口將數據發送到無線模塊。無線發送成功以后，單片機關閉外設電源，進入休眠狀態。在任何時候，當火焰傳感器監測到明火時，都可以通過外部中斷喚醒單片機，發送報警信號。

圖5 嵌入式程序流程圖

4.2 數據解析協議

芯片與上位機的通信協議如表2 所示，數據協議共有21 個字節。前4 個字節為幀頭，其中0x5A，0x5A 是幀頭標志，數據標志字節每一位分別代表溫濕度，電量，火焰傳感器，氣壓計，GPS 信息，當傳感器獲取到相應的數據時，相應位置置1。第4 個字節byte3 表示數據量，溫度和濕度各使用1 個字節，電量使用1 個字節，火焰傳感器使用1 個字節，氣壓計使用4 個字節，經度使用4 個字節，緯度使用4 個字節。第5 到第20 位為數據位，存放的是各個傳感器采集到的數據，高位在前，低位在后。最后一位是數據校驗位，用于檢驗數據是否正確。

表2 串口通信協議

4.3 上位機程序

上位機處理數據流程如圖6 所示，由于硬件使用DMA 發送數據，每次可以發送一幀數據，上位機接收到數據先進行緩存，然后進行幀頭識別和數據校驗，如果校驗失敗則舍棄本次數據，重新接收數據，校驗成功則根據數據協議進行解析，解析完成之后在軟件界面進行顯示，接著進行下一次的數據接收。

圖6 上位機處理數據流程圖

5 測試及結果分析

由于森林的環境比較復雜，為保障風能和太陽能的采集效率以及信號的穩定傳輸，監測系統應放置在森林開闊地帶或者固定在樹木的高處。能源采集裝置采集環境中的能量，支持系統正常運行，延長電池的使用時間。監測系統如圖7 所示，能量采集裝置表面分布著黑色的太陽能電池板，在不同的光照角度均能良好地采集太陽能。

圖7 森林火災監測裝置

在風速為7 m/s 時，測得存儲電容的充電曲線如圖8 所示。測試使用的電容為470 μF 的鉭電容，從充電開始到充電到6 V 僅需要1.62 s，電容中存儲的電量可以通過能源管理電路充入到鋰電池當中，也可以通過能源管理芯片直接給系統供電，增加了電池的續航時間。使用太陽能電池在室外的能量密度可以達到3.7 mW/cm2，當采集的有效面積為100 cm2時，可以采集的能量為370 mW，可以滿足系統的能量消耗。

圖8 470 μF 電容充電曲線

環境中的溫度、濕度、氣壓每整點記錄一次，采集周期為1 h，用整點前2 min 的數據作為采集值；GPS的搜星時間小于2 min，既能保證定位系統正常工作，又能節約電能；MCU 和無線傳輸模塊在2 min 內將采集到的數據傳輸到附近的中繼基站，如表3 所示。經過計算，系統每小時消耗的電量不到6 mAh。

表3 硬件1 h 功耗情況

經過試驗驗證，監測系統可以有效地采集數據，并由主控芯片對數據進行編碼打包，將數據通過無線發送到終端。監測系統放置在樹林中，分別測試了在同一時刻不同位置的溫濕度曲線，如圖9(a)所示，以及在同一地點12 h 內的溫濕度曲線，如圖9(b)所示。火焰傳感器一直處于工作狀態，當檢測到明火時，使用外部中斷喚醒MCU，傳輸報警信號。

圖9 系統采集的溫度和濕度曲線

6 結論

本文設計并完成了自供電低功耗森林火災無線監測系統，從能量采集模塊，電路設計，低功耗設計，系統軟件設計等方面對系統進行了詳細介紹，該系統可以檢測森林環境的基本狀態，同時可以采集環境中的能量為系統供電。實驗結果表明，系統可以有效地采集環境中的能量實現能量的自供給，能夠采集森林中的溫度，濕度信息，探測是否產生明火，并通過ZigBee 進行無線傳輸到上位機。