無(wú)線風(fēng)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　林火蔓延在很大程度上依賴(lài)于風(fēng)速等環(huán)境條件。無(wú)線風(fēng)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以幫助研究人員有效的獲取林區(qū)內(nèi)的風(fēng)速，輔助預(yù)判火災(zāi)蔓延趨勢(shì)，從而采取相應(yīng)的滅火措施。本文基于STM32單片機(jī)處理邏輯，采用GPRS傳輸實(shí)時(shí)鳳速數(shù)據(jù)給服務(wù)器，服務(wù)器系統(tǒng)使用SOCKET監(jiān)聽(tīng)匯聚過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，處理并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫(kù)。上位機(jī)采用基于NODEJS后臺(tái)、bootstrap前端框架構(gòu)建出風(fēng)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

　　《工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)》(雙月刊)創(chuàng)刊于1994年，是由浙江大學(xué)、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)主辦，浙江大學(xué)出版社出版的學(xué)術(shù)性國(guó)際合作科技期刊。多年來(lái)一直得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、德國(guó)機(jī)器制造協(xié)會(huì)(VDMA)的資助。

　　1 背景及意義

　　森林火災(zāi)的發(fā)生是突發(fā)性的、隨機(jī)性的，并且能在較短時(shí)間內(nèi)造成重大損失，且難以撲滅，常常有火災(zāi)延續(xù)幾天甚至十幾天的情況，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境破壞。因此如果有林火發(fā)生，就需要在短時(shí)間內(nèi)反應(yīng)并進(jìn)行滅火，滅火能否迅速，措施是否科學(xué)，非常重要的原因是對(duì)林火行為的預(yù)測(cè)是否準(zhǔn)確和及時(shí)。為此國(guó)內(nèi)外都在研究相關(guān)防火預(yù)測(cè)等技術(shù)，旨在減少和控制林火的發(fā)生和蔓延[1]。

　　近百年來(lái)，為了研究林火的燃燒特性和蔓延機(jī)理，人類(lèi)使用各種方法，借助有效的手段不斷嘗試探索，以試圖獲得可靠有效的預(yù)測(cè)方法，從而減少林火導(dǎo)致的損失。但由于受當(dāng)前測(cè)控技術(shù)制約，林火蔓延機(jī)制研究的難點(diǎn)是森林火場(chǎng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與獲取[2]。

　　林火在很大程度上依賴(lài)于風(fēng)速這樣的環(huán)境條件。因此，需要一種有效的森林環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。基于物聯(lián)網(wǎng)的風(fēng)速監(jiān)測(cè)結(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)可以幫助研究人員有效的獲取森林區(qū)內(nèi)的風(fēng)速，從而有效的判斷火災(zāi)可能發(fā)生的地點(diǎn)、火災(zāi)強(qiáng)度，以及火災(zāi)可能的蔓延趨勢(shì)，最終使森林火災(zāi)發(fā)生的概率降到最低[3]。

　　本研究設(shè)計(jì)基于嵌入式平臺(tái)，使用STM32單片機(jī)處理邏輯，結(jié)合SIM900A GPRS模塊，將數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS傳輸給服務(wù)器系統(tǒng)，服務(wù)器系統(tǒng)使用SOCKET監(jiān)聽(tīng)采集點(diǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，處理后，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。上位機(jī)系統(tǒng)，采用基于NODEJS后臺(tái)、bootstrap前端框架設(shè)計(jì)風(fēng)速監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　風(fēng)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)結(jié)合風(fēng)速采集設(shè)備，微處理器技術(shù)，GPRS(General Packet Radio Service)網(wǎng)絡(luò)通信，組成數(shù)據(jù)采集端，實(shí)現(xiàn)風(fēng)數(shù)據(jù)的采集以及實(shí)時(shí)傳送。通過(guò)服務(wù)器NodeJS后臺(tái)，Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)，組成服務(wù)器端，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)。通過(guò)HTML,CSS,JAVASCRIPT技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的展示。

　　風(fēng)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，需實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸 ，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕到y(tǒng)的數(shù)據(jù)采集端將使用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，服務(wù)器端將使用NodeJS的SOCKET類(lèi)實(shí)現(xiàn)TCP/IP以監(jiān)聽(tīng)，同時(shí)使用HTTP實(shí)現(xiàn)與客戶(hù)端的交互。客戶(hù)端，客戶(hù)端瀏覽器端通過(guò)HTTP獲取數(shù)據(jù)以顯示。

　　2.1系統(tǒng)功能框架

　　風(fēng)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集端、服務(wù)器端和客戶(hù)端三個(gè)部分組成。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能框架如圖1所示。數(shù)據(jù)采集端負(fù)責(zé)風(fēng)速數(shù)據(jù)的采集、處理和無(wú)線傳輸，由風(fēng)速采集設(shè)備、微處理器控制單元、GPRS通信單元三個(gè)部分組成。 風(fēng)速采集設(shè)備是一個(gè)風(fēng)扇，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生電壓，傳入微控制器。風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和風(fēng)速成正比關(guān)系，而風(fēng)速轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和電壓，亦是正比關(guān)系，由此可通過(guò)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的電壓值達(dá)到監(jiān)測(cè)風(fēng)速的目的。

　　圖1 系統(tǒng)功能框架

　　微處理器控制單元為STM32F103，它基于ARM Cortex-M3，具有高性能、低功耗、低成本等特點(diǎn)。風(fēng)速采集設(shè)備產(chǎn)生的電壓值，通過(guò)STM32的ADC通道，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到具體的電壓值。GPRS通信單元采用SIM900A，是一款面向工業(yè)級(jí)、緊湊型的雙頻GSM/GPRS模塊，具有性能穩(wěn)定，性?xún)r(jià)比高的特點(diǎn)。STM32將轉(zhuǎn)換好的電壓值，通過(guò)串口，傳給SIM900A，SIM900A將傳來(lái)的電壓值通過(guò)GPRS，以TCP/IP協(xié)議傳給服務(wù)器端[4] [5]。

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　風(fēng)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，主要由以下四個(gè)部分組成：數(shù)據(jù)采集設(shè)備，微控制器，GPRS模塊，電源模塊。數(shù)據(jù)采集端硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　　(1)數(shù)據(jù)采集設(shè)備

　　我們采用一個(gè)微型風(fēng)扇設(shè)備，風(fēng)吹動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生電壓，微控制器獲取風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的電壓。數(shù)據(jù)采集設(shè)備，為一帶扇葉的直流電機(jī)。風(fēng)吹動(dòng)扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生直流電壓，電壓便是用以監(jiān)測(cè)風(fēng)速的關(guān)鍵值。將直流電機(jī)兩極接入STM32開(kāi)發(fā)版的ADC口，這樣便即時(shí)獲取風(fēng)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的電壓值。通過(guò)ADC讀取數(shù)據(jù)。STM32F103ZE擁有3個(gè)ADC，這些 ADC 可以獨(dú)立使用， 也可以使用雙重模式(提高采樣率)。STM32的ADC是12位逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。 它有18個(gè)通道，可測(cè)量16個(gè)外部和2個(gè)內(nèi)部信號(hào)源。各通道的 A/D 轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行。ADC的結(jié)果可以左對(duì)齊或右對(duì)齊方式存儲(chǔ)在16位數(shù)據(jù)寄存器中[12]。

　　(2)微控制器

　　本系統(tǒng)采用STM32F103型號(hào)單片機(jī)作為處理器，結(jié)合ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、接收和GPRS模塊的連網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳輸。微控制器采用意法半導(dǎo)體推出的STM32F103ZE芯片，其內(nèi)核為ARM公司的高性能Cortex-M3，Cortex-M3 采用 ARM V7 構(gòu)架，不僅支持 Thumb-2 指令集，而且擁有很多新特性。較之 ARM7 TDMI，Cortex-M3 擁有更強(qiáng)勁的性能、更高的代碼密度、位帶操作、可嵌套中斷、低成本、低功耗等眾多優(yōu)勢(shì)。

　　(3)GPRS模塊

　　選用SIMCom公司推出的SIM900A作為GPRS無(wú)線通信模塊。 SIM900A是一款雙頻段GSM/GPRS無(wú)線模塊，可工作在GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz頻段，工作電壓在3.1V到4.8V之間，通過(guò)AT命令控制 (GSM 07.07 ，07.05 and SIMCOM 增強(qiáng)AT命令集)，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，可編程進(jìn)行GPRS撥號(hào)上網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)Intemet網(wǎng)絡(luò)通信[6][7]，SIM900A通過(guò)串口與單片機(jī)連接。GPRS模塊運(yùn)行的穩(wěn)定性直接關(guān)系到數(shù)據(jù)采集端與服務(wù)器端之間建立通信鏈路和數(shù)據(jù)通信的可靠性，也關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

　　(4)電源模塊

　　系統(tǒng)GPRS模塊提供12V電壓，STM32單片機(jī)工作電壓為3.3V。

　　4 客戶(hù)端軟件設(shè)計(jì)

　　服務(wù)器端有三大部分，監(jiān)聽(tīng)采集端、原始數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)處理服務(wù)，如圖3所示。監(jiān)聽(tīng)采集端、原始數(shù)據(jù)處理部分負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集端的數(shù)據(jù)接收、處理、存儲(chǔ)，使用NodeJS實(shí)現(xiàn)，引用了NodeJS的net和mysql等模塊，用以實(shí)現(xiàn)socket監(jiān)聽(tīng)，并將接收的數(shù)據(jù)存到數(shù)據(jù)庫(kù)中 [10]。數(shù)據(jù)庫(kù)為MYSQL，一個(gè)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系，用于存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)和處理后的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理服務(wù)，用來(lái)與客戶(hù)端瀏覽器進(jìn)行交互，使用NodeJS實(shí)現(xiàn)，引用了mysql模塊，編寫(xiě)相關(guān)客戶(hù)端的請(qǐng)求路由，完成與客戶(hù)端瀏覽器的HTTP通訊[8-9]。

　　客戶(hù)端，即瀏覽器，通過(guò)HTML,CSS,JAVASCRIPT實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示。使用bootstrap前端框架、dygraphs圖表插件、Jquery庫(kù)，實(shí)現(xiàn)折線圖展示，如圖4所示。

　　5 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)風(fēng)速監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，STM32單片機(jī)，將數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS傳輸給服務(wù)器，服務(wù)器系統(tǒng)使用SOCKET監(jiān)聽(tīng)采集點(diǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，處理并存儲(chǔ)到上位機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。采用基于NODEJS、bootstrap前端框架構(gòu)建了風(fēng)速監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]孫成健. 森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)研究[J]. 科技展望， 2015(17).

　　[2]姜文龍， 劉楷鵬， 韓寧，等. 基于北斗衛(wèi)星通信的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]. 吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)， 2015(3)：84-87.

　　[3]杜廣洲. 應(yīng)用“3S”技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組建凌源市森林防火預(yù)警、監(jiān)測(cè)指揮系統(tǒng)[J]. 防護(hù)林科技， 2015(9)：84-86.

　　[4]滕守明，魯奕，李響.基于STM32芯片及CAN總線在汽車(chē)上的應(yīng)用[J].無(wú)線互聯(lián)科技，2013，3

　　[5]王海民，王宏志. STM32以太網(wǎng)控制系統(tǒng)[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，1：60-65

　　[6]謝瑋， 夏水斌. 基于GPRS的遠(yuǎn)程電力計(jì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[J]. 科技與創(chuàng)新， 2016(19)：86-87.

　　[7]朱文娟， 呂春光. 基于GPRS的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 信息系統(tǒng)工程， 2016(2)：21-22.

　　[8]李長(zhǎng)才， 肖金球， 張少華. 基于STM32的風(fēng)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用， 2016， 35(6)：91-93.

　　[9]駱文亮. Node.js服務(wù)器技術(shù)初探[J].無(wú)線互聯(lián)科技，2014，3：227-227

　　[10]呂敏. 基于STM32的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 西南交通大學(xué)， 2011.