0 引 言
我國是一個農業大國，也是世界上農業災害最嚴重的國家之一。農業災害造成農作物大幅減產，帶來了巨大的損失使國家財政背上了沉重的包袱 [1]。因此火災等農業災害的監測顯得極其重要，但傳統監測方法主要是定點監測或隨機抽查檢測，實際作業中表現出費時、費力、效率低下等缺點 [2]，且只對火災的某一種物理或化學信號進行探測，易使報警系統出現誤報或漏報等問題 [3]。將遙感技術和多種傳感器應用到火災監測中可解決以上難題，為降低農業火災造成的嚴重損失，開發出高效率、實時、遠程的農業火災報警系統顯得十分必要
1 系統硬件設計
為克服傳統火災監測設備的諸多缺點，本文設計了一種基于 4G網絡與多傳感器的農業火災報警系統，具有遠程火災監測和報警功能，在農業火災發生的第一時間進行火災報警提示，以便管理者及時采取滅火措施。系統結構如圖 1所示系統由 PC客戶端和搭載于無人機上的 STM32處理器、溫濕度傳感器、4G通信等模塊組成。無人機及其搭載的模塊是下位機，用于采集溫濕度、煙霧濃度、圖像等數據并發送至上位機 ；PC客戶端是上位機，用于顯示數據和報警。溫濕度傳感器實時測量農田的各種數據，并送入處理器進行分析，若所測得數據超出設定的閾值，處理器驅動 OV5640攝像頭采集圖像數據，同時通過 4G通信模塊上傳至服務器，PC客戶端從服務器獲取后顯示數據并進行火災報警
2 系統硬件設計
2.1 STM32 處理器
下位機選用 Cortex-M4 內核的 STM32F429 作為處理器，其最高主頻為 168 MHz，帶有 2 MB 的 FLASH，192 kB 的SRAM，16 個 DMA 通道，DCMI 數字攝像頭接口，3 個 12位模數轉換器（ADC），每個 ADC 可共享多達 16 個外部通道。具有更強的 DSP 處理能力、更快的通信接口、更高的采樣率和帶 FIFO 的 DMA 控制器等 [4]，因此在數據處理、通信等方面能夠表現出更好的性能。
2.2 傳感器模塊
2.2.1 溫濕度傳感器
下位機選用 Sensirion 公司生產的數字溫濕度傳感器SHT11，采用的 CMOSens® 技術使其具有響應迅速、抗干擾能力強、低功耗等特點 [5]。將電容性聚合體測濕敏感元件和用能隙材料制成的測溫元件并在同一芯片上，與 14 位的A/D 轉換器以及串行接口電路實現無縫連接。其供電電壓范圍為 2.4 ～ 5.5 V，濕度測量范圍為 0 ～ 100 %RH，精度為±3 %RH，溫度測量范圍為 -40 ～ 123.8 ℃，精度為 ±0.4 ℃，其結構如 2 圖所示。
圖 2 溫濕度傳感器 SHT11 內部結構
2.2.2 火焰傳感器
火災發生的一個顯著特征是產生火焰并向外發射特定波長范圍的光線， 因此采用火焰傳感器來探測此特征該傳感器對火焰光譜極其靈敏， 能夠檢測波長在 760 ～ 1 100 nm 的光線。探測角度約為 60°，對打火機火焰測試距離為 0.8 m，火焰越大探測距離越遠。工作電壓為 3.3 ～5 V 其接口有電源 VCC，地 GND，TTL 開關信號輸出 DO，模擬信號輸出 AO，其原理如 3 圖所示
2.2.3 煙霧傳感器
選用煙霧傳感器 QM-2 來測量可燃氣體和煙霧濃度，此傳感器可用于測量液化氣等可燃氣體和煙霧濃度，監測濃度范圍為 300 ～10 000 ppm。工作電壓為 5 V，電流為 150 mA 共有四個接口，電源 VCC，地 GND，TTL 開關信號輸出 DO 模擬信號輸出 AO。此傳感器對液化氣、天然氣、煙霧測量的靈敏度較高，具有壽命長、成本低等特點 [6]，其原理如圖 4 所示
2.2.4 圖像傳感器
攝像頭選用 COMS 圖像傳感器 OV5640，其最大支持輸出的圖像為 500 萬像素（分辨率為 2 592×1 944），可采集到較為清晰的火災圖像信息。通過 SCCB 總線控制圖像質量、數據格式和傳輸方式，包括伽瑪曲線、白平衡等功能的設置可輸出整幀、子采樣等方式的各種分辨率 8 位或 10 位圖像數據。QSXGA（分辨率為 2 592×1 944 的輸出格式）圖像最高達 15 幀 /s[7-8]。
2.3 4G 通信模塊
溫濕度、煙霧濃度、火焰光線、高清視頻圖像等數據經傳感器采集和處理器分析后，需通過通信模塊實時上傳至服務器，因此要求通信模塊具有傳輸速度大、時延小等特點。本系統選用 4G 通信模塊移遠 EC20，供電電壓為 3.3 ～4.3 V。采用標準的 Mini PCIe 封裝，可同時支持 LTE，UMTS和 GSM/GPRS 網絡，最大上行速率為 50 Mbps，最大下行速率為 100 Mbps，能通過多輸入多輸出技術（MIMO）降低誤碼率改善通信質量，并通過 GNSS 接收器實現在任何環境下快速準確定位 [9]。內置豐富的網絡協議、多個工業標準接口、多種操作系統和軟件功能，具有應用范圍廣泛、通信質量高、體積小、重量輕等特點，能夠滿足此系統的通信要求。
與處理器通信方面，4G 通信模塊和處理器通過串口連接以實現串口通信，同時其支持標準 AT 指令集和擴展 AT 指令集，可采用 AT 命令來控制。與服務器通信方面，由于 4G 通信模塊自身內部集成有 TCP/IP 協議，因此使用 TCP/IP 協議與服務器進行通信，實現數據的傳輸。
3 系統軟件設計
3.1 下位機軟件設計
3.1.1 溫濕度傳感器
SHT11 具有以下引腳，電源 VDD 和地 GND，它們之間須加一個 100 nF 的電容用來去耦濾波。雙向的串行數據DATA，用于讀取傳感器數據。串行時鐘 SCK，用于處理器與 SHT11 之間的通訊同步。
傳感器的通信流程如圖 5 所示。啟動傳感器，通電后傳感器經 11 ms 進入休眠狀態。發送命令，啟動傳輸時序，完成數據傳輸的初始化，該時序如圖 6 所示。溫濕度測量，向傳感器發送測量命令，等待測量結束后接收 2 B 的測量數據和 1 B的 CRC 奇偶校驗。休眠，測量和通信完成后傳感器自動進入休眠模式。
3.1.2 火焰傳感器
此傳感器通過感光元件將接受到的光信號轉換為電壓信號輸出， 具有 TTL 開關信號和模擬信號兩種輸出形式STM32 處理器內置有 ADC，可以將傳感器采集到的模擬量轉換為數字量，再進行與閾值比較等數據處理
3.1.3 煙霧傳感器
此傳感器利用氣敏材料二氧化錫在可燃氣體和煙霧環境中的電導率與可燃氣體濃度呈正相關的特性，將電導率轉化為電壓信號輸出。具有 TTL 開關信號輸出和模擬信號輸出，模擬電壓信號輸出與濃度呈正相關，將此模擬量送入處理器通過ADC 轉換為數字量，進而做下一步的數據處理
3.1.4 圖像傳感器
STM32 處理器內置的同步并行 DCMI 數字攝像頭接口能夠接收由 CMOS 攝像頭輸出的 8 位、10 位、12 位、14 位圖像數據。圖像數據可通過 DMA 方式直接傳輸，在 SCCB 總線讀取數據到緩沖區，極大地提高了圖像數據的采集和處理速度[10]。DCMI 接口驅動OV5640 采集圖像數據流程如圖7 所示
圖 7 DCMI 驅動 OV5640 步驟
3.2 上位機客戶端設計
PC 客戶端是農田火災報警系統和用戶進行信息交互的主體，其主要功能是火災報警和下位機測量數據的顯示。PC 客戶端連接因特網，從服務器實時獲取下位機處理器基于多傳感器復合所得到的火災分析結果及所測量的溫濕度、煙霧濃度火焰光線、視頻圖像等數據，再進行火災報警顯示和測量數據顯示，以便用戶實時獲取農田的火災情況。PC 客戶端的開發是利用基于 Java 的可擴展平臺 Eclipse 實現，其各功能描述如下
(1) 火災報警顯示，下位機處理器通過分析測量數據得到是否發生火災的結論，上傳至服務器，客戶端獲取后進行報警顯示
(2) 測量數據顯示，將溫濕度、煙霧濃度等數據顯示給用戶，以便了解火災現場狀況
(3) 視頻圖像顯示，火災現場的視頻圖像顯示可讓用戶直觀地觀察火災狀況
(4) 高度顯示，客戶端從服務器獲取的飛行器高度信息為用戶提供飛行器的高度信息
3.3 服務器與數據庫的搭建
在服務器和數據庫的搭建工程中，搭載平臺采用迅為電子的ARM9 Linux 開發板，通過 Linux 系統編程實現網絡通信功能。4G 通信模塊和服務器之間的數據傳輸采用花生殼軟件實現內網穿透，將服務器與已存在 IP 地址的端口對應起來端口映射）。服務器和 PC 客戶端之間的數據傳輸，首先服務器保存從下位機接收的數據，客戶端再訪問服務器以獲取服務器接收來自下位機的數據
4 系統測試結果
系統測試在一片空地上進行，人為小面積放火模擬農業火災場景，無人機低空飛行進行火災監測。下位機如圖 8 所示火災監測前先調試下位機、服務器、上位機運行正常，三者之間通信狀態良好，其次讓無人機在距離地面 2 m 左右的高度飛行進行火災監測，各傳感器將測量數據送入處理器進行處理，若超過設定的閾值則判斷為有火災發生，處理器驅動攝像頭采集火災現場的視頻圖像信息，并通過 4G 通信模塊發送至服務器，客戶端從服務器獲取數據后進行火災報警和數據顯示。當無人機飛行到火焰上方附近時，客戶端顯示出報警提示、各測量值已超過閾值提示、以及火災現場的圖像信息等客戶端顯示如圖 9 所示
圖8 無人機搭載的下位機圖9 上位機客戶端顯示
測試結果表明此系統穩定性、可靠性較高。傳感器測量到的數據準確度高，攝像頭采集到的視頻圖像清晰、失真較小系統對火災發生的判斷準確可靠。因此，該農業火災報警系統在運行可靠度、通信穩定度、火災判斷準確度等方面均滿足設計要求
5 結 語
本文設計了一款基于 4G網絡與多傳感器的農業火災報警系統，其上位機是 PC客戶端，下位機由無人機及其搭載的STM32處理器、溫濕度傳感器、4G通信等模塊組成。通過溫濕度等傳感器測量農田的各種數據信息，送入處理器進行數據處理判斷是否有火災發生，若發生火災則通過 4G網絡將各種數據發送至服務器，PC客戶端從服務器獲取數據后，進行數據顯示和火災報警，實現了農田火災的實時監測。測試結果表明，相比于傳統的火災監測設備，此系統能夠實時、高效大范圍地進行火災監測，并在火災發生時及時報警提示，具有效率高、時效性強、穩定性高等特點，在信息化農業領域有廣闊的應用前景
