無線風速監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

　　林火蔓延在很大程度上依賴于風速等環(huán)境條件。無線風速監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計可以幫助研究人員有效的獲取林區(qū)內(nèi)的風速，輔助預判火災(zāi)蔓延趨勢，從而采取相應(yīng)的滅火措施。本文基于STM32單片機處理邏輯，采用GPRS傳輸實時鳳速數(shù)據(jù)給服務(wù)器，服務(wù)器系統(tǒng)使用SOCKET監(jiān)聽匯聚過來的數(shù)據(jù)，處理并存儲數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫。上位機采用基于NODEJS后臺、bootstrap前端框架構(gòu)建出風速監(jiān)測系統(tǒng)。

　　《工程設(shè)計學報》(雙月刊)創(chuàng)刊于1994年，是由浙江大學、中國機械工程學會主辦，浙江大學出版社出版的學術(shù)性國際合作科技期刊。多年來一直得到國家自然科學基金委員會、德國機器制造協(xié)會(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、隨機性的，并且能在較短時間內(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，造成了嚴重的經(jīng)濟和環(huán)境破壞。因此如果有林火發(fā)生，就需要在短時間內(nèi)反應(yīng)并進行滅火，滅火能否迅速，措施是否科學，非常重要的原因是對林火行為的預測是否準確和及時。為此國內(nèi)外都在研究相關(guān)防火預測等技術(shù)，旨在減少和控制林火的發(fā)生和蔓延[1]。

　　近百年來，為了研究林火的燃燒特性和蔓延機理，人類使用各種方法，借助有效的手段不斷嘗試探索，以試圖獲得可靠有效的預測方法，從而減少林火導致的損失。但由于受當前測控技術(shù)制約，林火蔓延機制研究的難點是森林火場參數(shù)的實時監(jiān)測與獲取[2]。

　　林火在很大程度上依賴于風速這樣的環(huán)境條件。因此，需要一種有效的森林環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)?；谖锫?lián)網(wǎng)的風速監(jiān)測結(jié)點的設(shè)計可以幫助研究人員有效的獲取森林區(qū)內(nèi)的風速，從而有效的判斷火災(zāi)可能發(fā)生的地點、火災(zāi)強度，以及火災(zāi)可能的蔓延趨勢，最終使森林火災(zāi)發(fā)生的概率降到最低[3]。

　　本研究設(shè)計基于嵌入式平臺，使用STM32單片機處理邏輯，結(jié)合SIM900A GPRS模塊，將數(shù)據(jù)通過GPRS傳輸給服務(wù)器系統(tǒng)，服務(wù)器系統(tǒng)使用SOCKET監(jiān)聽采集點發(fā)過來的數(shù)據(jù)，處理后，存儲到數(shù)據(jù)庫。上位機系統(tǒng)，采用基于NODEJS后臺、bootstrap前端框架設(shè)計風速監(jiān)測管理系統(tǒng)。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計

　　風速監(jiān)測系統(tǒng)，通過結(jié)合風速采集設(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，實現(xiàn)風數(shù)據(jù)的采集以及實時傳送。通過服務(wù)器NodeJS后臺，Mysql數(shù)據(jù)庫，組成服務(wù)器端，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的處理和存儲。通過HTML,CSS,JAVASCRIPT技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時、準確的展示。

　　風速監(jiān)測系統(tǒng)，需實現(xiàn)實時、準確的數(shù)據(jù)傳輸 ，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集端將使用TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，服務(wù)器端將使用NodeJS的SOCKET類實現(xiàn)TCP/IP以監(jiān)聽，同時使用HTTP實現(xiàn)與客戶端的交互?？蛻舳耍蛻舳藶g覽器端通過HTTP獲取數(shù)據(jù)以顯示。

　　2.1系統(tǒng)功能框架

　　風速監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集端、服務(wù)器端和客戶端三個部分組成。監(jiān)測系統(tǒng)功能框架如圖1所示。數(shù)據(jù)采集端負責風速數(shù)據(jù)的采集、處理和無線傳輸，由風速采集設(shè)備、微處理器控制單元、GPRS通信單元三個部分組成。 風速采集設(shè)備是一個風扇，通過轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生電壓，傳入微控制器。風扇轉(zhuǎn)動的速度和風速成正比關(guān)系，而風速轉(zhuǎn)動的速度和電壓，亦是正比關(guān)系，由此可通過風扇轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的電壓值達到監(jiān)測風速的目的。

　　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。風速采集設(shè)備產(chǎn)生的電壓值，通過STM32的ADC通道，進行模數(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、緊湊型的雙頻GSM/GPRS模塊，具有性能穩(wěn)定，性價比高的特點。STM32將轉(zhuǎn)換好的電壓值，通過串口，傳給SIM900A，SIM900A將傳來的電壓值通過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

　　風速監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計，主要由以下四個部分組成：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

　　我們采用一個微型風扇設(shè)備，風吹動風扇轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生電壓，微控制器獲取風扇轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的電壓。數(shù)據(jù)采集設(shè)備，為一帶扇葉的直流電機。風吹動扇葉轉(zhuǎn)動，帶動電機轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生直流電壓，電壓便是用以監(jiān)測風速的關(guān)鍵值。將直流電機兩極接入STM32開發(fā)版的ADC口，這樣便即時獲取風轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的電壓值。通過ADC讀取數(shù)據(jù)。STM32F103ZE擁有3個ADC，這些 ADC 可以獨立使用， 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個通道，可測量16個外部和2個內(nèi)部信號源。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)果可以左對齊或右對齊方式存儲在16位數(shù)據(jù)寄存器中[12]。

　　(2)微控制器

　　本系統(tǒng)采用STM32F103型號單片機作為處理器，結(jié)合ADC進行數(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。

　　(3)GPRS模塊

　　選用SIMCom公司推出的SIM900A作為GPRS無線通信模塊。 SIM900A是一款雙頻段GSM/GPRS無線模塊，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AT命令控制 (GSM 07.07 ，07.05 and SIMCOM 增強AT命令集)，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，可編程進行GPRS撥號上網(wǎng)，實現(xiàn)Intemet網(wǎng)絡(luò)通信[6][7]，SIM900A通過串口與單片機連接。GPRS模塊運行的穩(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)系到整個系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

　　(4)電源模塊

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

　　4 客戶端軟件設(shè)計

　　服務(wù)器端有三大部分，監(jiān)聽采集端、原始數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)處理服務(wù)，如圖3所示。監(jiān)聽采集端、原始數(shù)據(jù)處理部分負責數(shù)據(jù)采集端的數(shù)據(jù)接收、處理、存儲，使用NodeJS實現(xiàn)，引用了NodeJS的net和mysql等模塊，用以實現(xiàn)socket監(jiān)聽，并將接收的數(shù)據(jù)存到數(shù)據(jù)庫中 [10]。數(shù)據(jù)庫為MYSQL，一個關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系，用于存儲原始數(shù)據(jù)和處理后的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理服務(wù)，用來與客戶端瀏覽器進行交互，使用NodeJS實現(xiàn)，引用了mysql模塊，編寫相關(guān)客戶端的請求路由，完成與客戶端瀏覽器的HTTP通訊[8-9]。

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

　　5 結(jié)論

　　本文設(shè)計風速監(jiān)測管理系統(tǒng)，STM32單片機，將數(shù)據(jù)通過GPRS傳輸給服務(wù)器，服務(wù)器系統(tǒng)使用SOCKET監(jiān)聽采集點發(fā)過來的數(shù)據(jù)，處理并存儲到上位機系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。采用基于NODEJS、bootstrap前端框架構(gòu)建了風速監(jiān)測管理系統(tǒng)。

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