基于4G网络和多传感器的农业火灾报警系统
2018-09-29杨颂张少伟孙培壮郭军刘薇薇
杨颂 张少伟 孙培壮 郭军 刘薇薇
摘 要:传统的农业火灾监测装置存在效率低、时效性差、无法远程报警等问题。文中设计了一种基于4G网络与多传感器的农业火灾报警系统,将STM32处理器、温湿度传感器、4G通信模块等搭载于无人机上,温湿度传感器测量数据并送入处理器分析,若测量数据超出设定阈值,处理器驱动摄像头采集图像,通过4G网络将图像和测量数据发送至服务器,PC客户端从服务器获取数据并报警。该系统具有效率高、时效性强等特点。测试结果显示,系统的稳定性高,在信息化农业领域的应用前景十分广阔。
关键词:火灾报警;数据测量;多传感器复合;4G网络
中图分类号:TP274 文献标识码:A 文章编号:2095-1302(2018)09-00-03
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 系统总体设计
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。
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。
與处理器通信方面,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。
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。
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。
参考文献
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