0 引言

森林火災是一種世界性的林業(yè)重大災害，我國每年都有上千次的森林火災發(fā)生，造成嚴重的森林資源破壞、經濟和財產損失。林火的及時發(fā)現(xiàn)與報警是防止森林火災發(fā)生的重要任務之一，是控制和撲滅森林火災的基礎。我國的林火監(jiān)測措施按其所在的空間高度可劃分為衛(wèi)星監(jiān)測、航空巡護、嘹望臺觀測和地面巡護等四個層次。目前，在森林防火工作中已初步實現(xiàn)了高空有衛(wèi)星、中空有飛機、地面有嘹望臺和巡護人員的立體監(jiān)測手段，其中衛(wèi)星監(jiān)測和嘹望臺監(jiān)測是目前我國林火監(jiān)測的基本方式。根據(jù)火災發(fā)生時的基本特征，可以利用溫度和煙霧濃度來監(jiān)測林火，結合森林大面積分布和野外難以布線和供電的特點，設計了基于無線射頻和GPRS網絡的林火監(jiān)測數(shù)據(jù)采集電路，可為森林防火提供一種參考。

1 總體設計方案

本設計采用無線射頻與GPRS相結合的方式，終端監(jiān)測溫度和煙霧濃度，并通過無線射頻發(fā)送到基站，基站通過MC55與監(jiān)控中心通信，將終端采集回的數(shù)據(jù)打包發(fā)送至監(jiān)控中心，并可接受監(jiān)控中心的指令，對每個終端進行遠程控制，從而可以實現(xiàn)遠程對林火的監(jiān)控。系統(tǒng)的整體結構如圖1所示。

2 硬件電路設計

2.1 溫度采集電路

本設計采用DALLAS公司生產的DS18B20數(shù)字溫度傳感器。DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊?？捎脭?shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為3.0～5.5 V，無需備用電源。測溫范圍-55℃～+125℃。9～12位的可編程分辨率。每個DS18B20都有一個獨特的64位序列號，可作為終端的唯一標識符。

2.2 煙霧濃度采集電路

MQ-2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體或煙霧時，傳感器的電導率隨空氣中煙霧濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。在本設計中，將MQ-2電流的變化轉化為電壓值的變化，然后通過A/D轉換得到電壓值，利用電壓值與煙霧濃度對照表可查找得到煙霧濃度的值。

2.3 無線射頻電路設計

圖3無線射頻電路

RF200模塊特點如下：標準異步串行接口，方便與各種控制器的精簡串口連接;數(shù)據(jù)透明傳輸，所收即所發(fā);模塊內置高性能CPU實現(xiàn)前向糾錯處理，最大可以糾24bits連續(xù)突發(fā)錯誤，達到業(yè)內領先水平;工作頻率范圍為418～455 MHz;GFSK的調制方式;可選的16位RFID(特殊設定以減少一對多時的單片機系統(tǒng)開銷);超大的256 byte數(shù)據(jù)緩沖區(qū);2000m的傳輸距離，非常適合在嵌入式系統(tǒng)中遠距離無線射頻使用。

2.4 低功耗設計

由于本系統(tǒng)要長期在野外工作，因此低功耗設計尤為重要。

(1)選擇低功耗的外圍器件和傳感器。在低功耗的應用中，穩(wěn)壓芯片和復位器件的選擇很重要，芯片自身的功耗要很低，而且要有足夠的驅動能力，是系統(tǒng)正常運行的保證。其他器件也要選擇低功耗的器件。本電路在設計時做了大量的調研工作，最終所采用的元器件均為同類別產品中功耗較低的型號。

(2)不用的I/O口全部接地，合理運用器件的低功耗模式。對于高阻輸入引腳，一定不能懸空，通常將其做接地處理，以免因為浮空而引起管腳狀態(tài)不定而消耗功率。

(3)合理利用外圍器件的低功耗模式。在本系統(tǒng)設計所包含的部件中，LPC767的低功耗模式有兩種，即空閑模式和掉電模式。本電路設計根據(jù)實際需求，使用了LPC767的空閑模式。

傳感器也要有MCU來控制，確保其在不工作時不耗電。

(4)復合三極管要旁路漏電電流。對于用三極管搭接的復合管需要增加偏置電阻，普通三極管由于生產工藝限制達不到理想狀態(tài)，即截止電流不可能為0，這樣增加系統(tǒng)功耗。

(5)大功率的器件，要能被關斷。靜態(tài)電流較大的器件如MQ-2，在系統(tǒng)靜態(tài)時需要關斷其電源，以減低功耗。

3 軟件設計

3.1 終端軟件設計

3.2 終端通信子程序設計

終端與基站的通信功能是通過中斷方式實現(xiàn)的，見數(shù)據(jù)通信流程圖所示。當基站發(fā)送一個命令后，單片機則產生一個中斷。在中斷子程序中，首先進行關閉中斷、保護現(xiàn)場，然后單片機接收一個來自上位機的數(shù)據(jù)一握手信號，檢查是否正確，并發(fā)回應答信號。如果正確，則清除標志位，從中斷子程序返回，再次進入中斷子程序時仍然先判斷是否為握手信號。如果不是，則為接收數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)送入存儲單元中保存，然后判斷數(shù)據(jù)是否接收完，沒接收完則繼續(xù)進行接收，接收完則清除接收數(shù)據(jù)標志位，并向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)結束標志位。最后恢復現(xiàn)場，打開中斷，從中斷子程序返回。圖3終端通信子程序流程圖

3.3 基站軟件設計

如前所述，基站由單片機控制RF200與MC55，測溫主機的程序主要分為系統(tǒng)初始化、設置時鐘芯片、與測溫終端通信及與測控中心通信四大部分，實現(xiàn)接收測溫終端上傳的溫度煙霧濃度數(shù)據(jù)并發(fā)送至監(jiān)控中心，將接收到的監(jiān)控中心控制命令下傳至測溫終端等功能。測溫主機的主程序和接收中斷處理部分程序流程如圖4和圖5所示。