陈海萌 刘畅
常州先趋医疗科技有限公司 常州市 213164
摘要：我国森林面积辽阔，且大部分森林地区处于热带季风气候，所以我国发生森林火灾的次数较多。换句话说，森林火灾这种自然灾害在我国比较常见，但森林火灾具有破坏性大、爆发时间不确定、处理较困难等特点，这导致我们灭火不及时，一旦发生森林火灾，将对人类社会和自然环境产生极大危害。虽然我国已经在森林中安装了森林火灾检测预防装备，但一般的预测装备存在许多的问题，如远程范围检测不到位、工作效率不高、时间效度性差等。本文抛开一般森林火灾监测预防设备，着重介绍一种以NB-loT窄带通信技术为本，搭配无线传感网技术的林业火灾监测预警系统。此系统以构建“正六边形”传感器监测网格为出发点，在监测格节点上搭载药物传感器、火焰传感器、NB-loT通信模块、STM32微控制器等设备。其工作原理为由传感器进行数据测量与数据上传工作，将测量的数据输送到微控制器进行筛选处理，如果数据大于设定阀值，微控制器将会带动NB-loT通信模块工作，而该通信模块将会同步将数据和预警信息传送到阿里云服务器，在PC端获取初步预警数据后进行报警，并在报警的同时将获得的信息转发到手机APP。整套流程逻辑清晰。在经过大部分的测试后，该系统显示出工作效率高、预警平台多样、时间效度好、稳定性高等优势，在以后林业防火灾中将会发挥重要作用，也会推动林业防灾信息化的步伐。
关键词：微控制器；NB-loT窄带通信；多传感器组网；林火监测；STM32
我国国土面积辽阔，且大部分处于中低维度，适合多种树木的生长，这让我国成为林业资源丰富、充足的国家之一，但我国大部分森林处于热带气候，这也导致我国成为林火灾害发生较为严重的国家。可以说，林业火灾对我国生产生活造成了极大的影响，它不仅影响了人民的人身财产安全，对生态环境造成破坏，还会影响我国经济的发展。所以，对森林火灾的防控十分重要且必要，对森林火灾的监测传输、及时处置、预防预警刻不容缓，同时，利用传统的监测预防方法不仅会耗费大量的人力、物力、财力，而且不能够及时、有效地解决火灾问题，严重的甚至会出现对火灾信息误报、漏报名等情况，给社会和人民造成不可估量的损失。而NB-loT窄带通信技术与多种传感器组网技术对森林火灾防控有极大优势，它能够最大程度减少人力、物力、财力的付出，而达到火灾预警效果。所以，对我国重要森林资源配备一套反应及时、能够远程监控的森林火灾监测预警系统具有很较强的现实意义。
总结传统火灾监测技术的缺陷以及了解火灾监测技术的要求，本文介绍了以构建”正六边形”传感器监测网格为基础，将监测格节点装配NB-loT通信板块、烟雾传感器、火焰传感器、STM32微控制器等。以传感器为工作起点，让传感器接收并上传测量的环境数据，微控制器收到信息后进行处理，微控制器依据数据是否超过设定阀值来确定是否驱动NB-loT通信模块，如数据超过设定阀值，将数据与初步预警信息传送至云服务器，PC端获取数据后进行报警工作并将数据同步至手机APP。这类防火灾监测预警技术能够满足一定范围内的火灾监测。
一 系统总体设计
NB-loT窄带通信技术、无线传感网技术系统主要由四大部门组成，它们分别是阿里云服务器、正六边形监测网格的节点、PC客户端、手机APP客户端，其中正六边形监测网格的节点又是由NB-loT通信模块、太阳能光电效应板、可充电电池、烟雾传感器、火焰传感器和STM32微控制器组成。其运行逻辑是，将STM32微控制器作为下位机，其作用为收集烟雾浓度、温度等数据，收集数据后将数据上传至阿里云服务器：为实现实时监测环境数据并及时预警报警，手机APP与PC客户端将定期向服务器请求数据。
传感器组织网的功能便是对森林的环境信息进行实时监测并上传至微控制器，让微控制器进行数据筛选，判断数据是否超过设定阀值，所超过微控制器将会驱动NB-loT通信模块，将预警、报警以及相关数据上传至服务器，手机APP与PC客户端及时从服务器过去信息并向个人用户和事业单位用户预警、报警，并现实相关数据。
二 系统硬件设计
(1)STM32处理器
STM32微控制器为正六边形监测网格的节点下位机，其最高主频为168MHz，且拥有多个通道，像DMA、SRAM、FLASH、192KB等，拥有12位模数转换器，且采用Cortex-M4内核。其优点是处理能力强、采样率更高、通信速率更快。
(2)传感器模块
烟雾传感器是正六边形监测网格的另一个节点下位机，其型号为LM393，ZYMQ-2。该传感器的监测浓度范围较广，为300到10000ppm，工作电流与电压分别为150mA与5V。此传感器有模拟信号输出AO、地线GND、电源VCC以及TTL电平信号输出DO四个借口。为防止误报，有两个借口能够调节传感器灵敏度及电位器。
森林周围环境数据发生剧烈变化是火灾发生的一个特征，而最显著的环境参数便是以火源为中心向外界发生一定波长的光线。这也就是该系统采用火焰传感器的原因。该系统采用的火焰传感器由两部分组成，分别是火焰监测探头和LM393，对火焰光波的捕捉能力特别强。该火焰传感器工作电流低于1.6mA，工作电压大体在4～12V之间，与烟雾传感器一样有四个相同借口。有固定探测角度60度，所以，为更全面监测火源系统将6个火焰传感器分为一组，并分别监测固定探测角的扇形区域。
三 系统软件设计
(1)节点软件设计
一般来说，该火灾监测系统系统初始化是在节点上电复位完成之后，然后再通过NB-IoT基站验证身份并加入窄带信息网络，完成后进行定期分析处理传感器采集的环境信息；综合采集的数据并存入缓存区，定期更新采集数据并上传至阿里云服务器。为维持节点正常工作，需要设置对电量的判断语句保证电量充足，信号流失数据。
(2)客户端软件设计
套接字Socket与UDP协议是微控制器与云端服务器的通信方式。在运行开始时，需要将微控制器的客户端程序调成AT指令，驱动NB-loT通信模块以字节的形式发送约定的注册包到云平台，灾云平台接收确认后进行UDP协议连接，并同步传送环境信息。
四 结语
综上所述，防范森林火灾能一定程度上保证我国的社会安定以及人民财产安全，而一套有效的森林火灾监测预警系统则是防范火灾的前提。本文介绍了一种基于NB-loT窄带通信和多传感器组网技术的森林火灾监测预警系统。其凭借运行效率高、通信更稳定、监测时效强的优点拥有更广阔的发展前景，也希望该系统能够助推我国防森林火灾的进步，有效预防森林火灾。
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作者简介：陈海萌（1990-03-02），男 ，汉，江苏省徐州市，助理工程师，本科，
主要从事方向研究：电子仪器仪表设备