基于4G网络和多传感器的农业火灾报警系统

0 引 言

我国是一个农业大国，也是世界上农业灾害最严重的国家之一。农业灾害造成农作物大幅减产，带来了巨大的损失使国家财政背上了沉重的包袱 [1]。因此火灾等农业灾害的监测显得极其重要，但传统监测方法主要是定点监测或随机抽查检测，实际作业中表现出费时、费力、效率低下等缺点 [2]，且只对火灾的某一种物理或化学信号进行探测，易使报警系统出现误报或漏报等问题 [3]。将遥感技术和多种传感器应用到火灾监测中可解决以上难题，为降低农业火灾造成的严重损失，开发出高效率、实时、远程的农业火灾报警系统显得十分必要

1 系统硬件设计

为克服传统火灾监测设备的诸多缺点，本文设计了一种基于 4G网络与多传感器的农业火灾报警系统，具有远程火灾监测和报警功能，在农业火灾发生的第一时间进行火灾报警提示，以便管理者及时采取灭火措施。系统结构如图 1所示系统由 PC客户端和搭载于无人机上的 STM32处理器、温湿度传感器、4G通信等模块组成。无人机及其搭载的模块是下位机，用于采集温湿度、烟雾浓度、图像等数据并发送至上位机 ；PC客户端是上位机，用于显示数据和报警。温湿度传感器实时测量农田的各种数据，并送入处理器进行分析，若所测得数据超出设定的阈值，处理器驱动 OV5640摄像头采集图像数据，同时通过 4G通信模块上传至服务器，PC客户端从服务器获取后显示数据并进行火灾报警

2 系统硬件设计

2.1 STM32 处理器

下位机选用 Cortex-M4 内核的 STM32F429 作为处理器，其最高主频为 168 MHz，带有 2 MB 的 FLASH，192 kB 的SRAM，16 个 DMA 通道，DCMI 数字摄像头接口，3 个 12位模数转换器（ADC），每个 ADC 可共享多达 16 个外部通道。具有更强的 DSP 处理能力、更快的通信接口、更高的采样率和带 FIFO 的 DMA 控制器等 [4]，因此在数据处理、通信等方面能够表现出更好的性能。

2.2 传感器模块

2.2.1 温湿度传感器

下位机选用 Sensirion 公司生产的数字温湿度传感器SHT11，采用的 CMOSens® 技术使其具有响应迅速、抗干扰能力强、低功耗等特点 [5]。将电容性聚合体测湿敏感元件和用能隙材料制成的测温元件并在同一芯片上，与 14 位的A/D 转换器以及串行接口电路实现无缝连接。其供电电压范围为 2.4 ～ 5.5 V，湿度测量范围为 0 ～ 100 %RH，精度为±3 %RH，温度测量范围为 -40 ～ 123.8 ℃，精度为 ±0.4 ℃，其结构如 2 图所示。

                              图 2 温湿度传感器 SHT11 内部结构

2.2.2 火焰传感器

火灾发生的一个显著特征是产生火焰并向外发射特定波长范围的光线， 因此采用火焰传感器来探测此特征该传感器对火焰光谱极其灵敏， 能够检测波长在 760 ～ 1 100 nm 的光线。探测角度约为 60°，对打火机火焰测试距离为 0.8 m，火焰越大探测距离越远。工作电压为 3.3 ～5 V 其接口有电源 VCC，地 GND，TTL 开关信号输出 DO，模拟信号输出 AO，其原理如 3 图所示

2.2.3 烟雾传感器

选用烟雾传感器 QM-2 来测量可燃气体和烟雾浓度，此传感器可用于测量液化气等可燃气体和烟雾浓度，监测浓度范围为 300 ～10 000 ppm。工作电压为 5 V，电流为 150 mA 共有四个接口，电源 VCC，地 GND，TTL 开关信号输出 DO 模拟信号输出 AO。此传感器对液化气、天然气、烟雾测量的灵敏度较高，具有寿命长、成本低等特点 [6]，其原理如图 4 所示

2.2.4 图像传感器

摄像头选用 COMS 图像传感器 OV5640，其最大支持输出的图像为 500 万像素（分辨率为 2 592×1 944），可采集到较为清晰的火灾图像信息。通过 SCCB 总线控制图像质量、数据格式和传输方式，包括伽玛曲线、白平衡等功能的设置可输出整帧、子采样等方式的各种分辨率 8 位或 10 位图像数据。QSXGA（分辨率为 2 592×1 944 的输出格式）图像最高达 15 帧 /s[7-8]。

2.3 4G 通信模块

温湿度、烟雾浓度、火焰光线、高清视频图像等数据经传感器采集和处理器分析后，需通过通信模块实时上传至服务器，因此要求通信模块具有传输速度大、时延小等特点。本系统选用 4G 通信模块移远 EC20，供电电压为 3.3 ～4.3 V。采用标准的 Mini PCIe 封装，可同时支持 LTE，UMTS和 GSM/GPRS 网络，最大上行速率为 50 Mbps，最大下行速率为 100 Mbps，能通过多输入多输出技术（MIMO）降低误码率改善通信质量，并通过 GNSS 接收器实现在任何环境下快速准确定位 [9]。内置丰富的网络协议、多个工业标准接口、多种操作系统和软件功能，具有应用范围广泛、通信质量高、体积小、重量轻等特点，能够满足此系统的通信要求。

与处理器通信方面，4G 通信模块和处理器通过串口连接以实现串口通信，同时其支持标准 AT 指令集和扩展 AT 指令集，可采用 AT 命令来控制。与服务器通信方面，由于 4G 通信模块自身内部集成有 TCP/IP 协议，因此使用 TCP/IP 协议与服务器进行通信，实现数据的传输。

3 系统软件设计

3.1 下位机软件设计

3.1.1 温湿度传感器

SHT11 具有以下引脚，电源 VDD 和地 GND，它们之间须加一个 100 nF 的电容用来去耦滤波。双向的串行数据DATA，用于读取传感器数据。串行时钟 SCK，用于处理器与 SHT11 之间的通讯同步。

传感器的通信流程如图 5 所示。启动传感器，通电后传感器经 11 ms 进入休眠状态。发送命令，启动传输时序，完成数据传输的初始化，该时序如图 6 所示。温湿度测量，向传感器发送测量命令，等待测量结束后接收 2 B 的测量数据和 1 B的 CRC 奇偶校验。休眠，测量和通信完成后传感器自动进入休眠模式。

3.1.2 火焰传感器

此传感器通过感光元件将接受到的光信号转换为电压信号输出， 具有 TTL 开关信号和模拟信号两种输出形式STM32 处理器内置有 ADC，可以将传感器采集到的模拟量转换为数字量，再进行与阈值比较等数据处理

3.1.3 烟雾传感器

此传感器利用气敏材料二氧化锡在可燃气体和烟雾环境中的电导率与可燃气体浓度呈正相关的特性，将电导率转化为电压信号输出。具有 TTL 开关信号输出和模拟信号输出，模拟电压信号输出与浓度呈正相关，将此模拟量送入处理器通过ADC 转换为数字量，进而做下一步的数据处理

3.1.4 图像传感器

STM32 处理器内置的同步并行 DCMI 数字摄像头接口能够接收由 CMOS 摄像头输出的 8 位、10 位、12 位、14 位图像数据。图像数据可通过 DMA 方式直接传输，在 SCCB 总线读取数据到缓冲区，极大地提高了图像数据的采集和处理速度[10]。DCMI 接口驱动OV5640 采集图像数据流程如图7 所示

图 7 DCMI 驱动 OV5640 步骤

3.2 上位机客户端设计

PC 客户端是农田火灾报警系统和用户进行信息交互的主体，其主要功能是火灾报警和下位机测量数据的显示。PC 客户端连接因特网，从服务器实时获取下位机处理器基于多传感器复合所得到的火灾分析结果及所测量的温湿度、烟雾浓度火焰光线、视频图像等数据，再进行火灾报警显示和测量数据显示，以便用户实时获取农田的火灾情况。PC 客户端的开发是利用基于 Java 的可扩展平台 Eclipse 实现，其各功能描述如下

(1) 火灾报警显示，下位机处理器通过分析测量数据得到是否发生火灾的结论，上传至服务器，客户端获取后进行报警显示

(2) 测量数据显示，将温湿度、烟雾浓度等数据显示给用户，以便了解火灾现场状况

(3) 视频图像显示，火灾现场的视频图像显示可让用户直观地观察火灾状况

(4) 高度显示，客户端从服务器获取的飞行器高度信息为用户提供飞行器的高度信息

3.3 服务器与数据库的搭建

在服务器和数据库的搭建工程中，搭载平台采用迅为电子的ARM9 Linux 开发板，通过 Linux 系统编程实现网络通信功能。4G 通信模块和服务器之间的数据传输采用花生壳软件实现内网穿透，将服务器与已存在 IP 地址的端口对应起来端口映射）。服务器和 PC 客户端之间的数据传输，首先服务器保存从下位机接收的数据，客户端再访问服务器以获取服务器接收来自下位机的数据

4 系统测试结果

系统测试在一片空地上进行，人为小面积放火模拟农业火灾场景，无人机低空飞行进行火灾监测。下位机如图 8 所示火灾监测前先调试下位机、服务器、上位机运行正常，三者之间通信状态良好，其次让无人机在距离地面 2 m 左右的高度飞行进行火灾监测，各传感器将测量数据送入处理器进行处理，若超过设定的阈值则判断为有火灾发生，处理器驱动摄像头采集火灾现场的视频图像信息，并通过 4G 通信模块发送至服务器，客户端从服务器获取数据后进行火灾报警和数据显示。当无人机飞行到火焰上方附近时，客户端显示出报警提示、各测量值已超过阈值提示、以及火灾现场的图像信息等客户端显示如图 9 所示

图8 无人机搭载的下位机图9 上位机客户端显示

测试结果表明此系统稳定性、可靠性较高。传感器测量到的数据准确度高，摄像头采集到的视频图像清晰、失真较小系统对火灾发生的判断准确可靠。因此，该农业火灾报警系统在运行可靠度、通信稳定度、火灾判断准确度等方面均满足设计要求

5 结 语

本文设计了一款基于 4G网络与多传感器的农业火灾报警系统，其上位机是 PC客户端，下位机由无人机及其搭载的STM32处理器、温湿度传感器、4G通信等模块组成。通过温湿度等传感器测量农田的各种数据信息，送入处理器进行数据处理判断是否有火灾发生，若发生火灾则通过 4G网络将各种数据发送至服务器，PC客户端从服务器获取数据后，进行数据显示和火灾报警，实现了农田火灾的实时监测。测试结果表明，相比于传统的火灾监测设备，此系统能够实时、高效大范围地进行火灾监测，并在火灾发生时及时报警提示，具有效率高、时效性强、稳定性高等特点，在信息化农业领域有广阔的应用前景