自供电低功耗森林火灾无线监测系统∗

李春成，杨 云，陈 亮，何 剑，丑修建

(中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051)

近几年，受全球气候异常变化、人类活动频繁等因素的影响，森林大火出现的频率呈迅速增加趋势，这对地球生态环境和人类生命财产安全构成巨大威胁。如果能在火情出现的早期阶段及时准确地报告森林火灾出现的具体位置和状况，将有助于消防人员及时采取措施，最大限度降低森林火灾的蔓延，从而避免造成巨大生态破坏和生命财产损失[1－3]。目前，主要的森林防火措施仍旧以地面巡逻、监视塔、卫星监控等为主[4]。这些方法需要巨大投入(财力、物力、人力)但却收效有限，在实践中取得效果并不理想。其中，国内主要采用地面巡护、望台监测和航空巡护等方法[5]，多数情况下分布智能化和可靠性比较低。因此，开发智能火灾监控系统来实现实时监测变得十分重要。本文提出了一种低功耗森林火灾监测系统，利用太阳能和风能互补的优势，可以最大限度地收集环境中的能量，将其转换成电能实现对监测系统的供能。在电路的结构和程序中采集了低功耗设计，进一步减少了系统的功耗。本设计可以监测周围环境的温度、湿度、气压信息，并且探测周围是否有明火，可以获取位置信息，将数据通过无线发送到远端。本设计具有体积小，重量轻，易于布放等优点。

1 总体设计方案

系统包括能量采集单元、能量管理单元、数据采集单元、核心控制单元和无线通信单元，其结构如图1 所示。能量采集单元是将外界环境中的太阳能和风能转换为电能；能量管理单元负责存储和管理所采集的能量，并驱动其他三个单元进行正常的运作；传感单元对监测参数进行感知产生电信号，并且将信号移交到核心控制单元处理；核心控制单元负责执行用户的程序和处理数据；无线通信单元将传感节点连接成传感网络，传感网络可以独立运行，也可以通过网关连接到互联网，监测中心可以通过互联网监测传感器采集到的信息。传感单元包括定位模块，无线传输模块，温湿度模块，气压模块，火焰传感器，能够监测周围的温度、湿度、气压和位置信息，从而感知周围是否有火焰并实时将传感器采集到的信息无线传输到接收端。

图1 硬件系统总体结构图

2 能量采集单元

能量采集单元主要包括风能采集和太阳能采集两部分。在整个风能自供电无线传感器节点系统中，风机是能量采集部件，它负责将风能转换为电能，如图2 所示。能量的转换包含有两个过程:风力推动风轮叶片旋转将风能转换为机械能；机械能再通过发电结构转换成电能[6－7]。太阳能采集使用的是太阳能电池板，将太阳能转换成电能[8]。

图2 能量采集模块结构和内部结构图

风能采集将机械能转化成电能的原理是电磁感应现象:闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流，这种现象叫电磁感应现象。本质是闭合电路中磁通量的变化。使用小型的风力发电机给监测节点供电许多优点[9]:一方面可以利用风能充当电源，解除了铺设电缆或频繁更换电池的烦恼，另一方面通过密集布置的节点，也提高了监测数据的密度和精度。这种小型的风力发电机，相比常规的大功率风机而言，有如下优势:(1)由于体积小型化，部署位置要求低；(2)大功率风机工作时的风速均在10 m/s 以上，而距离地面高度较低的风速一般在2 m/s～7 m/s，小型风力发电机可以在低风速的条件下采集能量；(3)风机体积小、重量轻和成本低，可以适应无线节点的部署需求。

风能采集需要整流电路，低损耗DC/DC 电路，能量存储电路，电池充电电路等。综合考虑，风能采集使用能源管理芯片LTC3331，原理图如图3 所示。当收集能量可用时，LTC3331 可以提供高达50 mA的连续输出电流，以延长电池寿命。当收集的能量可以稳定提供给负载时，LTC3331 仅需电池提供200 nA 电流；当空载时，静态电流仅为950 nA；当没有能够收集的能量时，锂电池为降压－升压型转换器供电，该转换器可以在高达4.2 V 的整个电池电压范围内工作。当采集的能量不可用时，LTC3331自动转换为电池供电。LTC3331 配备了一个超级电容器平衡器，一个简单的10 mA 电池充电器，能够用采集到的能量给超级电容或锂电池供电，同时具有低电压断接保护功能，当电池电量低于设定值时断接电池以避免电池深度放电。

图3 LTC3331 原理图

太阳能光伏电池发电的原理是光生伏特效应[10]:当太阳光(或其他光)照射到光伏电池上时，电池会产生“光生电压”。若将电池引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。由于森林的环境比较复杂，一般的能量采集芯片无法满足需求，为了最大程度地收集利用环境中的能量，本设计采用具有太阳能最大功率点追踪(Maximum power point tracking，MPPT)功能的芯片CN3791，其原理图如图4 所示。由太阳能板的伏安特性曲线可知，当环境温度恒定时，在不同的日照强度下，对应最大输出功率的输出电压基本相同。因此，只要保持太阳能板的输出端的电压为恒定电压，就能保证在该温度下光照强度不同时，太阳能板输出最大功率。CN3791 太阳能板最大功率点跟踪端MPPT 管脚的电压被调制在1.205 V，配合片外的两个电阻(图4 中的R3和R4)构成的分压网络，可以实现对太阳能板最大功率点进行跟踪。太阳能板最大功率点电压由下式决定:

图4 CN3791 原理图

当输入电源的电流输出能力降低时，内部电路可以自动跟踪太阳能板的最大功率点，可最大限度地利用太阳能板的输出功率。

3 低功耗电路设计

3.1 主控芯片

STM32C8T6 是STM 公司生产的芯片，集成了丰富的片内外设，如看门狗，DMA(Direct Memory Access，直接存储器访问)控制器，UART 接口，SPI 接口，RTC 实时时钟，拥有睡眠、停机和待机模式[11－12]。本设计中串口发送数据使用了DMA 传输，将数据从一个地址空间复制到另外一个地址空间。STM32 的RTC 模块拥有一组连续计数的计数器，在相应软件配置下，可提供时钟日历的功能。修改计数器的值可以重新设置系统当前的时间和日期。

3.2 传感器电路设计

森林火灾的发生与天气有密切关系，高温、连续干旱、大风天气容易引起火灾。在发生火灾时，周围的温度，湿度和气压会产生较大的变化。本设计中含有温湿度采集模块DHT11 监测温度和湿度的变化，高精度气压传感器MS5611－01BA 监测气压的变化，通过温度，湿度和气压信息对容易发生火灾的地区做出预警；用火焰传感器探测周围是是否有明火；使用GPS 模块发送传感器的位置，方便提前采取相应的措施。

DHT11 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，包括一个电阻式感湿元件和一个NTC 测温元件，并与一个高性能8 位单片机相连接。校准系数以程序的形式存在OTP 内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。

MS5611－01BA 气压传感器是由MEAS(瑞士)推出的一款SPI 和I2C 总线接口的新一代高分辨率气压传感器，测量高度分辨率可达到10 cm。该传感器模块包括一个高线性度的压力传感器和一个超低功耗的24 位Σ 模数转换器(工厂校准系数)。

火焰传感器是专门用来搜寻火源的传感器，火焰传感器也可以用来检测光线的亮度，只是传感器对火焰特别灵敏。火焰传感器利用红外线对火焰非常敏感的特点，使用特制的红外线接受管来检测火焰，然后把火焰的亮度转化为高低变化的电平信号。

3.3 低功耗设计

由于森林一般地域辽阔且环境复杂，一次性布设完设备后需要使用较长年限，为了延长监测系统的使用时间，减少能量消耗，工作电路采取低功耗设计[13]。稳压器负责将电池的电压稳定到3.3 V，但是它本身也会消耗一定能量。考虑到该部件功能和体积的要求，使用低功耗稳压器件TPS7333。在器件的选择上也进行了低功耗设计。经测试，传统的GPS 的功耗为221 mW，工作电流为67.2 mA。本次设计采用的低功耗GPS 的功耗为104 mW，工作电流为32.6 mA，功耗不到传统GPS 的一半。外围电路中的传感器(如通讯、定位模块)的供电可以由芯片进行控制，在系统休眠的时候极大地降低了系统的功耗。控制芯片也可以进入休眠模式，进一步降低系统的功耗。

表1 系统主要模块节能前后的功耗

4 系统软件设计

4.1 嵌入式程序流程设计

单片机程序处理过程如图5 所示。首先进行系统参数的初始化，例如设定串口的波特率，延时函数初始化，配置单片机的时钟频率，RTC 时钟配置。接着火焰传感器开始工作，实时监测周围是否有明火，在监测到明火时产生外部中断，发送报警信号。单片机控制负载开关为外设供电。经过延时后，温湿度模块，气压模块，定位模块开始初始化设置，配置内部的I/O。外设初始化成功后，各个传感器开始采集数据。GPS 模块可以采集到位置信息和时间信息，使用GPS获取的时间信息校准RTC 时钟的时间信息。RTC 时钟可以在单片机芯片休眠或待机的时候提供时间信息。当休眠时间结束时，可以唤醒单片机。将采集到的数据存放于Data＿BUFF 变量，使用DMA 将数据发送到串口，通过串口将数据发送到无线模块。无线发送成功以后，单片机关闭外设电源，进入休眠状态。在任何时候，当火焰传感器监测到明火时，都可以通过外部中断唤醒单片机，发送报警信号。

图5 嵌入式程序流程图

4.2 数据解析协议

芯片与上位机的通信协议如表2 所示，数据协议共有21 个字节。前4 个字节为帧头，其中0x5A，0x5A 是帧头标志，数据标志字节每一位分别代表温湿度，电量，火焰传感器，气压计，GPS 信息，当传感器获取到相应的数据时，相应位置置1。第4 个字节byte3 表示数据量，温度和湿度各使用1 个字节，电量使用1 个字节，火焰传感器使用1 个字节，气压计使用4 个字节，经度使用4 个字节，纬度使用4 个字节。第5 到第20 位为数据位，存放的是各个传感器采集到的数据，高位在前，低位在后。最后一位是数据校验位，用于检验数据是否正确。

表2 串口通信协议

4.3 上位机程序

上位机处理数据流程如图6 所示，由于硬件使用DMA 发送数据，每次可以发送一帧数据，上位机接收到数据先进行缓存，然后进行帧头识别和数据校验，如果校验失败则舍弃本次数据，重新接收数据，校验成功则根据数据协议进行解析，解析完成之后在软件界面进行显示，接着进行下一次的数据接收。

图6 上位机处理数据流程图

5 测试及结果分析

由于森林的环境比较复杂，为保障风能和太阳能的采集效率以及信号的稳定传输，监测系统应放置在森林开阔地带或者固定在树木的高处。能源采集装置采集环境中的能量，支持系统正常运行，延长电池的使用时间。监测系统如图7 所示，能量采集装置表面分布着黑色的太阳能电池板，在不同的光照角度均能良好地采集太阳能。

图7 森林火灾监测装置

在风速为7 m/s 时，测得存储电容的充电曲线如图8 所示。测试使用的电容为470 μF 的钽电容，从充电开始到充电到6 V 仅需要1.62 s，电容中存储的电量可以通过能源管理电路充入到锂电池当中，也可以通过能源管理芯片直接给系统供电，增加了电池的续航时间。使用太阳能电池在室外的能量密度可以达到3.7 mW/cm2，当采集的有效面积为100 cm2时，可以采集的能量为370 mW，可以满足系统的能量消耗。

图8 470 μF 电容充电曲线

环境中的温度、湿度、气压每整点记录一次，采集周期为1 h，用整点前2 min 的数据作为采集值；GPS的搜星时间小于2 min，既能保证定位系统正常工作，又能节约电能；MCU 和无线传输模块在2 min 内将采集到的数据传输到附近的中继基站，如表3 所示。经过计算，系统每小时消耗的电量不到6 mAh。

表3 硬件1 h 功耗情况

经过试验验证，监测系统可以有效地采集数据，并由主控芯片对数据进行编码打包，将数据通过无线发送到终端。监测系统放置在树林中，分别测试了在同一时刻不同位置的温湿度曲线，如图9(a)所示，以及在同一地点12 h 内的温湿度曲线，如图9(b)所示。火焰传感器一直处于工作状态，当检测到明火时，使用外部中断唤醒MCU，传输报警信号。

图9 系统采集的温度和湿度曲线

6 结论

本文设计并完成了自供电低功耗森林火灾无线监测系统，从能量采集模块，电路设计，低功耗设计，系统软件设计等方面对系统进行了详细介绍，该系统可以检测森林环境的基本状态，同时可以采集环境中的能量为系统供电。实验结果表明，系统可以有效地采集环境中的能量实现能量的自供给，能够采集森林中的温度，湿度信息，探测是否产生明火，并通过ZigBee 进行无线传输到上位机。