基于太阳能的远程无线警示装置设计

魏显文

(武威职业学院，武威 733000)

0 引 言

祁连山自然保护区地处甘肃、青海两省交界处，东起乌鞘岭的松山，西到当金山口，北临河西走廊，南靠柴达木盆地，是河西人民赖以自下而上的命脉，是这里经济文化繁荣的基本保证，祁连山自然保护区位于武威、张掖两地区和金昌市部分地区，东西长1 200多公里，南北宽120 km，总面积2 653 000公顷。主要保护对象是祁连山水源涵养林、草原植被。近年来，祁连山自然保护区部分环境遭到一些非法组织或人为性的破坏，例如在自然保护区猎杀稀有动物、砍伐珍贵树木、野营烧烤等，这些不良行为对保护区造成了一定程度的破坏，而保护区面积大，人工巡查困难，目前常见的警示方法有粘贴宣传海报、警示碑、人工巡逻等方式予以提醒和警示。警示牌是放置在自然保护区路口显目位置，优点是制作成本低廉，展板内容用不同颜色标注，以图文并茂的方式进行展示，将国家政策显现出来，对冒然进入保护区的游客给予警示。缺点是该警示牌放置在野外，风吹日晒短期内将会褪色，或者损坏，要频繁的进行更换，而保护区一般离居民生活区相隔甚远，无法指派专人进行维护，另外对冒然进入保护区的居民无法制止。警示碑一般设置在自然保护区的入口处，以水泥浇筑的方式修建起来的警示碑，相对单一的警示牌要牢固耐用，警示碑的正反面均可放置警示语录或者将字刻在碑上。该装置的优点是体积大，使得过往游客很清楚的看到警示语录，若是刻在碑上的宣传语则持久性好，不受自然条件的损坏。缺点是刻在碑上的语录不方便更换，若遭到人为破坏，维修成本过高。针对此类情况，设计一款基于太阳能的远程无线警示装置具有一定的社会价值。

1 硬件设计

1.1 工作模式

警示装置分布于保护区的各个路口采集信息，并将采集的信息通过网络传输到用户终端，用户终端对信息数据进行监控和处理，如图1所示。

图1 警示装置工作示意图

节点上方外置的LED显示屏用于显示保护区的政策法规和人类禁止进入的标识语。当节点上带有红外传感的摄像头检测到带有热量的人或物试图进入保护区域时，节点控制系统调用模式识别算法对抓拍的图片进行识别，若识别为动物时静默处理；若识别为人类则进行警示(内置语音高音喇叭播放语音+警示灯闪烁)，同时值班室用户终端上的警示灯将会闪烁并警报；若不听警示继续前行，工作人员通过远程对话系统进行人工喊话警示，若仍不听警告，红外传感摄像头就会对其进行锁定抓拍，同时将抓拍的照片传送至值班室用户终端，值班室工作人员根据抓拍到的信息及时赶赴现场进行处理。是一种集烟雾监测预报警、图像抓拍预报警、远程报文传输、空气质量检测、高音喇叭警示、红蓝色强光警示为一体的智能警示装置，太阳能供给能量，可远距离数据传输，同时具有夜间警示的功能。

1.2 硬件结构

整个装置采用模块化设计理念，由物联网模块、主控模块、警示模块、远程监看模块、LED显示模块、电源模块、支架模块等组成。其结构如图2所示。

图2 基于太阳能的保护区警示装置结构图

1.2.1 物联网模块

采用ZigBee技术搭建无线多媒体传感器网络WMSN，将分布于保护区内的各节点自组网，实现保护区内无互联网信号地带节点互传至有网络的节点上，再利用互联网将信息传送至用户终端。相邻节点之间传输距离最大可达1 km～3 km，有效减少保护区节点放置的数量。

1.2.2 主控模块

主控以嵌入式单片机STM32为控制中心，单片机与外围设备连接采用插拔式接口处理，能够实现即插即用。红外检测摄像头、警示灯、高音喇叭、LED显示屏、存储芯片均通过相应电路与单片机相连接。红外检测摄像头拍摄的照片存储于存储芯片中，单片机采用模式识别算法区分出是人类还是动物以做出不同的反应。

1.2.3 警示模块

警示模块由三部分构成：一是2个高音喇叭，二是位于节点上的红蓝双色相间的LED警示灯，三是位于保护区值班室的红蓝双色警示灯。当红外传感摄像头采集到游客贸然进入保护区后，马上启动内置语音警报指令，高音喇叭将以语音指令方式发出警告，警示灯配合高音喇叭予以震慑，同事保护区值班室警示灯会发出警报，提醒工作人员注意有人闯入。

1.2.4 远程监控模块

红外传感摄像头用于时时监看保护区各个路口，白天能很好地拍摄到路口的状态，夜间采用红外热成像技术确保摄像头能够精确拍摄。拍摄完成的照片以数字形式压缩存储在存储芯片中，一定时期能重复覆盖。

1.2.5 电源模块

通过太阳能板将太阳能转换为电能，可以为整个节点提供电能。另外，在智能警示节点支架底部放置储能蓄电池，太阳能发出的多余电量可以存储在蓄电池中，保证夜间对警示节点供电，此电源系统不但解决了自然保护区用电困难的问题，而且采用太阳能供电，清洁方便无污染。

1.2.6 支架模块

本装置的支架机构由三部分组成：一是底座，采用角铁焊接成梯形底盘，埋于地下后用水泥浇灌固定整个警示系统；二是支干部分，采用圆钢或方钢焊接而成；三是顶盘法兰盘，在支杆上端焊接一个三角形法兰盘，用于支撑显示模块和其他模块。

2 软件设计

主控机构以STM32单片机为核心，设计出电路，采用C语言编程，在Proteus软件上进行仿真，确保电路能稳定运行后进行电路制版，将各模块集成，减少控制电路，降低研制成本，警示系统工作流程如图3所示。

图3 警示系统工作流程

3 结束语

本警示装置中电源供给采用大阳能光伏板发电，解决了保护区无电网的难题，LED显示屏选用低功耗的灯柱，具备防水防尘功能，警示灯选用35.08LED芯片，在满足亮度要求的同时保证低功耗，警示效果好。装置相对现有的警示牌和警示碑具有更佳的警示效果，LED显示屏不断更新展示国家对自然保护区的相关政策，高音喇叭和警示灯同时启动，对冒然进入保护区的游客给以震慑，让其知晓国家相关规定，避免游客闯入保护区。警示系统采用ZigBee搭建先进的无线多媒体传感器网络WMSN，能够在没有网络的自然保护区、警示裝置之间进行数据共享和传输，当警示系统接近于有互联网信号地带时，利用互联网将所有数据以报文的形式快速有效的传输到相关管理部门，除了具备警示功能外，还具有烟雾报警系统，当保护区发生火灾时，烟雾传感器将信息采集后，立即传输至主控单元，触发相应的警示开关，引起周围的居民的注意，并以报文形式上传至管理部门。温湿度传感器和风速传感器将信息采集后为相关科研部门提供真实可靠的数据，摄像头对冒然进入保护区的游客和车辆进行录像和抓拍，并将相关数据存储到硬盘中，为执法部门后续惩罚提供有效的证据。