基于无线射频和GPRS网络的林火监测数据采集电路设计

 0 引言

森林火灾是一种世界性的林业重大灾害，我国每年都有上千次的森林火灾发生，造成严重的森林资源破坏、经济和财产损失。林火的及时发现与报警是防止森林火灾发生的重要任务之一，是控制和扑灭森林火灾的基础。我国的林火监测措施按其所在的空间高度可划分为卫星监测、航空巡护、嘹望台观测和地面巡护等四个层次。目前，在森林防火工作中已初步实现了高空有卫星、中空有飞机、地面有嘹望台和巡护人员的立体监测手段，其中卫星监测和嘹望台监测是目前我国林火监测的基本方式。根据火灾发生时的基本特征，可以利用温度和烟雾浓度来监测林火，结合森林大面积分布和野外难以布线和供电的特点，设计了基于无线射频和GPRS网络的林火监测数据采集电路，可为森林防火提供一种参考。

1 总体设计方案

本设计采用无线射频与GPRS相结合的方式，终端监测温度和烟雾浓度，并通过无线射频发送到基站，基站通过MC55与监控中心通信，将终端采集回的数据打包发送至监控中心，并可接受监控中心的指令，对每个终端进行远程控制，从而可以实现远程对林火的监控。系统的整体结构如图1所示。

2 硬件电路设计

2.1 温度采集电路

本设计采用DALLAS公司生产的DS18B20数字温度传感器。DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。可用数据总线供电，电压范围为3.0～5.5 V，无需备用电源。测温范围-55℃～+125℃。9～12位的可编程分辨率。每个DS18B20都有一个独特的64位序列号，可作为终端的唯一标识符。

2.2 烟雾浓度采集电路

MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体或烟雾时，传感器的电导率随空气中烟雾浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。在本设计中，将MQ-2电流的变化转化为电压值的变化，然后通过A/D转换得到电压值，利用电压值与烟雾浓度对照表可查找得到烟雾浓度的值。

2.3 无线射频电路设计

图3无线射频电路

RF200模块特点如下：标准异步串行接口，方便与各种控制器的精简串口连接;数据透明传输，所收即所发;模块内置高性能CPU实现前向纠错处理，最大可以纠24bits连续突发错误，达到业内领先水平;工作频率范围为418～455 MHz;GFSK的调制方式;可选的16位RFID(特殊设定以减少一对多时的单片机系统开销);超大的256 byte数据缓冲区;2000m的传输距离，非常适合在嵌入式系统中远距离无线射频使用。

2.4 低功耗设计

由于本系统要长期在野外工作，因此低功耗设计尤为重要。

(1)选择低功耗的外围器件和传感器。在低功耗的应用中，稳压芯片和复位器件的选择很重要，芯片自身的功耗要很低，而且要有足够的驱动能力，是系统正常运行的保证。其他器件也要选择低功耗的器件。本电路在设计时做了大量的调研工作，最终所采用的元器件均为同类别产品中功耗较低的型号。

(2)不用的I/O口全部接地，合理运用器件的低功耗模式。对于高阻输入引脚，一定不能悬空，通常将其做接地处理，以免因为浮空而引起管脚状态不定而消耗功率。

(3)合理利用外围器件的低功耗模式。在本系统设计所包含的部件中，LPC767的低功耗模式有两种，即空闲模式和掉电模式。本电路设计根据实际需求，使用了LPC767的空闲模式。

传感器也要有MCU来控制，确保其在不工作时不耗电。

(4)复合三极管要旁路漏电电流。对于用三极管搭接的复合管需要增加偏置电阻，普通三极管由于生产工艺限制达不到理想状态，即截止电流不可能为0，这样增加系统功耗。

(5)大功率的器件，要能被关断。静态电流较大的器件如MQ-2，在系统静态时需要关断其电源，以减低功耗。

3 软件设计

3.1 终端软件设计

3.2 终端通信子程序设计

终端与基站的通信功能是通过中断方式实现的，见数据通信流程图所示。当基站发送一个命令后，单片机则产生一个中断。在中断子程序中，首先进行关闭中断、保护现场，然后单片机接收一个来自上位机的数据一握手信号，检查是否正确，并发回应答信号。如果正确，则清除标志位，从中断子程序返回，再次进入中断子程序时仍然先判断是否为握手信号。如果不是，则为接收数据，将数据送入存储单元中保存，然后判断数据是否接收完，没接收完则继续进行接收，接收完则清除接收数据标志位，并向上位机发送数据结束标志位。最后恢复现场，打开中断，从中断子程序返回。图3终端通信子程序流程图

3.3 基站软件设计

如前所述，基站由单片机控制RF200与MC55，测温主机的程序主要分为系统初始化、设置时钟芯片、与测温终端通信及与测控中心通信四大部分，实现接收测温终端上传的温度烟雾浓度数据并发送至监控中心，将接收到的监控中心控制命令下传至测温终端等功能。测温主机的主程序和接收中断处理部分程序流程如图4和图5所示。