無線風速監測系統設計

　　林火蔓延在很大程度上依賴于風速等環境條件。無線風速監測系統的設計可以幫助研究人員有效的獲取林區內的風速，輔助預判火災蔓延趨勢，從而采取相應的滅火措施。本文基于STM32單片機處理邏輯，采用GPRS傳輸實時鳳速數據給服務器，服務器系統使用SOCKET監聽匯聚過來的數據，處理并存儲數據到數據庫。上位機采用基于NODEJS后臺、bootstrap前端框架構建出風速監測系統。

　　《工程設計學報》(雙月刊)創刊于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、德國機器制造協會(VDMA)的資助。

　　1 背景及意義

　　森林火災的發生是突發性的、隨機性的，并且能在較短時間內造成重大損失，且難以撲滅，常常有火災延續幾天甚至十幾天的情況，造成了嚴重的經濟和環境破壞。因此如果有林火發生，就需要在短時間內反應并進行滅火，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。為此國內外都在研究相關防火預測等技術，旨在減少和控制林火的發生和蔓延[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制約，林火蔓延機制研究的難點是森林火場參數的實時監測與獲取[2]。

　　林火在很大程度上依賴于風速這樣的環境條件。因此，需要一種有效的森林環境監測系統。基于物聯網的風速監測結點的設計可以幫助研究人員有效的獲取森林區內的風速，從而有效的判斷火災可能發生的地點、火災強度，以及火災可能的蔓延趨勢，最終使森林火災發生的概率降到最低[3]。

　　本研究設計基于嵌入式平臺，使用STM32單片機處理邏輯，結合SIM900A GPRS模塊，將數據通過GPRS傳輸給服務器系統，服務器系統使用SOCKET監聽采集點發過來的數據，處理后，存儲到數據庫。上位機系統，采用基于NODEJS后臺、bootstrap前端框架設計風速監測管理系統。

　　2 系統設計

　　風速監測系統，通過結合風速采集設備，微處理器技術，GPRS(General Packet Radio Service)網絡通信，組成數據采集端，實現風數據的采集以及實時傳送。通過服務器NodeJS后臺，Mysql數據庫，組成服務器端，實現采集數據的處理和存儲。通過HTML,CSS,JAVASCRIPT技術，實現數據的實時、準確的展示。

　　風速監測系統，需實現實時、準確的數據傳輸 ，為了保證數據傳輸的可靠性，系統的數據采集端將使用TCP/IP協議進行數據傳輸，服務器端將使用NodeJS的SOCKET類實現TCP/IP以監聽，同時使用HTTP實現與客戶端的交互。客戶端，客戶端瀏覽器端通過HTTP獲取數據以顯示。

　　2.1系統功能框架

　　風速監測系統由數據采集端、服務器端和客戶端三個部分組成。監測系統功能框架如圖1所示。數據采集端負責風速數據的采集、處理和無線傳輸，由風速采集設備、微處理器控制單元、GPRS通信單元三個部分組成。 風速采集設備是一個風扇，通過轉動，產生電壓，傳入微控制器。風扇轉動的速度和風速成正比關系，而風速轉動的速度和電壓，亦是正比關系，由此可通過風扇轉動產生的電壓值達到監測風速的目的。

　　圖1 系統功能框架

　　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。風速采集設備產生的電壓值，通過STM32的ADC通道，進行模數轉換，得到具體的電壓值。GPRS通信單元采用SIM900A，是一款面向工業級、緊湊型的雙頻GSM/GPRS模塊，具有性能穩定，性價比高的特點。STM32將轉換好的電壓值，通過串口，傳給SIM900A，SIM900A將傳來的電壓值通過GPRS，以TCP/IP協議傳給服務器端[4] [5]。

　　3 系統硬件設計

　　風速監測系統的硬件設計，主要由以下四個部分組成：數據采集設備，微控制器，GPRS模塊，電源模塊。數據采集端硬件結構框圖如圖2所示。

　　(1)數據采集設備

　　我們采用一個微型風扇設備，風吹動風扇轉動，產生電壓，微控制器獲取風扇轉動產生的電壓。數據采集設備，為一帶扇葉的直流電機。風吹動扇葉轉動，帶動電機轉動，產生直流電壓，電壓便是用以監測風速的關鍵值。將直流電機兩極接入STM32開發版的ADC口，這樣便即時獲取風轉動產生的電壓值。通過ADC讀取數據。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字轉換器。 它有18個通道，可測量16個外部和2個內部信號源。各通道的 A/D 轉換可以單次、連續、掃描或間斷模式執行。ADC的結果可以左對齊或右對齊方式存儲在16位數據寄存器中[12]。

　　(2)微控制器

　　本系統采用STM32F103型號單片機作為處理器，結合ADC進行數據的采集、接收和GPRS模塊的連網、數據傳輸。微控制器采用意法半導體推出的STM32F103ZE芯片，其內核為ARM公司的高性能Cortex-M3，Cortex-M3 采用 ARM V7 構架，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)，內嵌TCP/IP協議，可編程進行GPRS撥號上網，實現Intemet網絡通信[6][7]，SIM900A通過串口與單片機連接。GPRS模塊運行的穩定性直接關系到數據采集端與服務器端之間建立通信鏈路和數據通信的可靠性，也關系到整個系統運行的穩定性。

　　(4)電源模塊

　　系統GPRS模塊提供12V電壓，STM32單片機工作電壓為3.3V。

　　4 客戶端軟件設計

　　服務器端有三大部分，監聽采集端、原始數據處理，數據庫，數據處理服務，如圖3所示。監聽采集端、原始數據處理部分負責數據采集端的數據接收、處理、存儲，使用NodeJS實現，引用了NodeJS的net和mysql等模塊，用以實現socket監聽，并將接收的數據存到數據庫中 [10]。數據庫為MYSQL，一個關系型數據庫管理系，用于存儲原始數據和處理后的數據。數據處理服務，用來與客戶端瀏覽器進行交互，使用NodeJS實現，引用了mysql模塊，編寫相關客戶端的請求路由，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實現數據的顯示。使用bootstrap前端框架、dygraphs圖表插件、Jquery庫，實現折線圖展示，如圖4所示。

　　5 結論

　　本文設計風速監測管理系統，STM32單片機，將數據通過GPRS傳輸給服務器，服務器系統使用SOCKET監聽采集點發過來的數據，處理并存儲到上位機系統數據庫。采用基于NODEJS、bootstrap前端框架構建了風速監測管理系統。

　　參考文獻：

　　[1]孫成健. 森林火災監測預警系統研究[J]. 科技展望， 2015(17).

　　[2]姜文龍， 劉楷鵬， 韓寧，等. 基于北斗衛星通信的森林火災監測系統[J]. 吉林師范大學學報(自然科學版)， 2015(3)：84-87.

　　[3]杜廣洲. 應用“3S”技術、網絡技術組建凌源市森林防火預警、監測指揮系統[J]. 防護林科技， 2015(9)：84-86.

　　[4]滕守明，魯奕，李響.基于STM32芯片及CAN總線在汽車上的應用[J].無線互聯科技，2013，3

　　[5]王海民，王宏志. STM32以太網控制系統[J].長春工業大學學報(自然科學版)，2014，1：60-65

　　[6]謝瑋， 夏水斌. 基于GPRS的遠程電力計量監測系統的研究[J]. 科技與創新， 2016(19)：86-87.

　　[7]朱文娟， 呂春光. 基于GPRS的遠程監控系統設計[J]. 信息系統工程， 2016(2)：21-22.

　　[8]李長才， 肖金球， 張少華. 基于STM32的風速監測系統設計[J]. 微型機與應用， 2016， 35(6)：91-93.

　　[9]駱文亮. Node.js服務器技術初探[J].無線互聯科技，2014，3：227-227

　　[10]呂敏. 基于STM32的風速風向測試系統設計[D]. 西南交通大學， 2011.