0引言
由于秸稈焚燒嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境，造成了空氣質(zhì)量的惡化和交通事故，不利于農(nóng)田有機(jī)質(zhì)的積累和循環(huán)利用，因此近些年來政府采取了禁燒、推廣保護(hù)性耕作技術(shù)和促進(jìn)秸稈綜合利用來解決上述問題。1999年，環(huán)保總局會同農(nóng)業(yè)部等6部門下發(fā)了《秸稈禁燒和綜合利用管理辦法》，2004年環(huán)保總局開始利用衛(wèi)星遙感等現(xiàn)代科技手段，對全國夏秋兩季秸稈焚燒情況實施監(jiān)測。2007年5月-6月衛(wèi)星遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，我國主要農(nóng)區(qū)山東、山西、河北、河南、安徽、江蘇、陜西火點數(shù)分別為280，1013，357，87，577，592，83個，涉及到81個地區(qū)384個縣，比2006年同期均有不同程度的增加。其主要原因是由于禁燒責(zé)任不易落實、相關(guān)部門執(zhí)法難度大、綜合利用技術(shù)推廣緩慢等原因，秸稈禁燒的工作稍有松懈，極易反彈。
2008年為確保奧運空氣質(zhì)量，國家進(jìn)一步加大了秸稈禁燒工作的力度，并明確2008年5月初-9月底，北京、天津、山東等9省市，將作為重點區(qū)域，全面禁燒秸稈。由于農(nóng)村地大面廣，一到禁燒期間，通常需要在農(nóng)田網(wǎng)格化布點人工嘹望的方法監(jiān)控，執(zhí)法人員需要量多，野外工作時間和強(qiáng)度都較大，使該項工作難以深入、持久進(jìn)行。同時由于焚燒秸稈基本上是個人行為，焚燒后即離開現(xiàn)場，若不及時處理則因而違法行為界定困難而使責(zé)任人難以受到追究。
農(nóng)作物秸稈可以經(jīng)過
秸稈壓塊機(jī)、
秸稈顆粒機(jī)壓制成生物質(zhì)顆粒燃料，這樣做可以完美地解決農(nóng)作物秸稈的焚燒問題。
為了完成禁燒工作，各地紛紛采取建立秸稈禁燒目標(biāo)管理責(zé)任制以及田間地頭24h蹲守檢查的方式。通過采用“人海戰(zhàn)術(shù)”花費了大量的人力物力后，2008年的空氣質(zhì)量得到了明顯的改善。但是2008年禁燒成本過大，因此如何進(jìn)一步完善秸稈禁燒的監(jiān)控系統(tǒng)和綜合利用技術(shù)，建立起秸稈禁燒的長效機(jī)制才是解決問題的根本出路。
目前，隨著基于藍(lán)牙( Bluetooth)，ZigBee，Wi - Fi協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟和低成本化，在人口集中地區(qū)、機(jī)場周圍、高速公路干線附件等重點區(qū)域使用溫度、煙霧等無線傳感器，建立基于溫度／煙度的秸稈禁燒無線監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)隨時將預(yù)警信息發(fā)送到監(jiān)控人及上級的信息終端（可以是移動終端如手機(jī)或聯(lián)網(wǎng)的計算機(jī)）上，將比目前采用人工24h蹲守嘹望方式具有更高的可靠性和效率，并可大大減少野外瞭望的時間。同時，通過擴(kuò)充傳感器監(jiān)測目標(biāo)，可以完成農(nóng)田信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測和無人值守，并可逐步擴(kuò)大到大范圍區(qū)域的農(nóng)田信息監(jiān)測。
1、技術(shù)途徑與系統(tǒng)組成
秸稈焚燒與溫度是直接關(guān)聯(lián)的，通過監(jiān)測農(nóng)田溫度可以在很大程度上對秸稈焚燒進(jìn)行預(yù)警。結(jié)合當(dāng)’地的氣象條件、農(nóng)田溝渠、田埂的分布和機(jī)場、高速公路的布局，與經(jīng)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，設(shè)置適當(dāng)?shù)臏囟阮A(yù)警線，就可以達(dá)到秸稈禁燒監(jiān)測預(yù)警的目的。
由于監(jiān)測范圍較大和常年連續(xù)監(jiān)測，采用無使用費用的短程無線接入技術(shù)可節(jié)約成本。通過比較，選定ZigBee技術(shù)方案。采用ZigBee微模塊與傳感元件DS1620組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，將預(yù)警信息傳送到村級監(jiān)測站，由EBOX2對信息進(jìn)行分析處理，然后再通過以太網(wǎng)絡(luò)或GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送到上級監(jiān)管部門，由服務(wù)器將數(shù)據(jù)處理存儲，形成秸稈禁燒狀況的記錄和執(zhí)法線索。
ZigBee微模塊間的傳輸距離為1O～100m，為了兼顧系統(tǒng)的高可靠性與低成本，在設(shè)計中選取各節(jié)點間距為70m，節(jié)點間、節(jié)點與EBOX2間均采用無線聯(lián)接，一個平均有200hmz耕地的村莊只需網(wǎng)格化布置節(jié)點總400個，就可以實現(xiàn)全覆蓋監(jiān)測。當(dāng)檢測區(qū)域中出現(xiàn)河流、道路或樹林，致使某些節(jié)點間距超過70m時，需要采用功率放大模塊進(jìn)行增程，這些節(jié)點為特殊節(jié)點，對其供電要采取較大功率的電源。秸稈禁燒無線監(jiān)測系統(tǒng)示意圖。
系統(tǒng)運行中，每次檢測數(shù)據(jù)與前幾次比較，如果溫度有明顯變化，則該地有異常情況，給出溫度預(yù)警；繼續(xù)檢測，根據(jù)焚燒區(qū)預(yù)警點變化，可計算出秸稈焚燒的擴(kuò)展逮度。統(tǒng)計溫度持續(xù)高溫狀態(tài)的節(jié)點數(shù)，可得出秸稈焚燒的范圍。焚燒的具體地點可采用ZigBee模塊的ID碼與地理位置（坐標(biāo)）相對應(yīng)來計算確定。
1.1 f DS1620功能與主要技術(shù)參數(shù)
設(shè)計采用Dallas公司推出的數(shù)字溫度測控器件DS1620進(jìn)行空氣中溫度的檢測，其特性如下：一是獨特的單線接口方式，與微處理器僅需要一條口線即可實現(xiàn)雙向通訊；二是多點組網(wǎng)功能，多個DS1620可以并聯(lián)在總線上，實現(xiàn)多點測溫；三是結(jié)構(gòu)簡單，在使用中不需要任何外圍元件；四是測溫范圍- 55～+125℃，固有測溫分辨率0.5℃；五是測量結(jié)果以9位數(shù)字量方式串行傳送。
1.2 ZigBee技術(shù)簡介
目前短程無線連接技術(shù)有Wi - Fi、藍(lán)牙(Blue-tooth）、ZigBee、超寬帶（Ultra WideBand）、無線局域網(wǎng)( WLAN):無線USB等技術(shù)。ZigBee技術(shù)由于其低速和低功耗的特點，在自動化領(lǐng)域被認(rèn)為具有廣闊前景。ZigBee協(xié)議是建立在IEEE802. 15,4標(biāo)準(zhǔn)上的低功耗、近距離、低復(fù)雜度、低數(shù)據(jù)傳輸率、低成本的雙向通信無線技術(shù)。IEEE802. 15.4定義了兩個，有2.4GHz和868/915 MHz，這兩個物理層都DSSS（直接序列擴(kuò)頻），使用相同的物理數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻段、調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻碼片長度和傳輸速率。建立在IEEE802. 15.4標(biāo)準(zhǔn)上的ZigBee的協(xié)議棧只需要28kB，從而降低了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度。
2、火災(zāi)檢測方法的研究
2.1 等溫線溫度梯度分析方法
采用坐標(biāo)定位與溫度梯度預(yù)測的方法進(jìn)行大范圍的秸稈禁燒監(jiān)測預(yù)警，其原理如圖2所示。當(dāng)某一節(jié)點檢測到高溫時，給出節(jié)點預(yù)警，系統(tǒng)查詢鄰近區(qū)域節(jié)點溫度。隨著溫度階梯度的變化，可以確定高溫區(qū)域以及溫度場的變化，據(jù)此可以推測出秸稈焚燒的蔓延趨勢。
2.2秸稈焚燒蔓延算法研究
當(dāng)節(jié)點給出預(yù)警信號后，下一個關(guān)鍵任務(wù)就是對火勢蔓延進(jìn)行預(yù)測。對火勢蔓延的預(yù)測主要需掌握兩方面情況：一是當(dāng)前秸稈燃燒范圍，通過統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)內(nèi)高溫節(jié)點分布范圍確定；二是火區(qū)蔓延速度，需通過一定算法分析火區(qū)蔓延速度。
2. 2.1火勢初始速度”估計
根據(jù)農(nóng)田正常大氣濕度、溫度和作物情況估計初始速度"。通常秸稈燃燒蔓延速度大致分為3個等級：一級≤2 m/min，二級=2～12 m/min，三級≥12m/min。為了提高系統(tǒng)檢測的分辯率，根據(jù)秸稈燃燒時火勢蔓延速度進(jìn)一步細(xì)分為5級：1~2 m/min，2～3m/min，3—7m/min．7一12m/min，≥12m/min，系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境判斷初始速度屬于哪一級。
2. 2.2火源點估算
設(shè)節(jié)點均工作正常，農(nóng)田內(nèi)N(i，j)各點按時間順序分別發(fā)出預(yù)警信號，如圖3所示。
在農(nóng)田環(huán)境中可能出現(xiàn)節(jié)點工作失靈的情況，以矩形監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)為例，對各時刻的預(yù)警點N(/-I，j-l)附近區(qū)域進(jìn)行查詢，得到未正常工作節(jié)點N(i,j)等，這些節(jié)點使預(yù)警節(jié)點的位置、時間、順序都發(fā)生了變化（計算示意圖略）。在這一情況下，由于火焰燃燒速度是不斷變化的，采用上面的方法已無法估計出火源點。在此估計火源點為3個預(yù)警點組成的三角形的重心。t1，時刻由于距離火源點遠(yuǎn)，此時速度已經(jīng)不是初始速度v，所以只取t1，t2計算，此時以N為原點，有重心坐標(biāo)（x，y）滿足。
3、軟硬件系統(tǒng)設(shè)計與研究
3.1測點硬件設(shè)計
整個測試節(jié)點硬件系統(tǒng)由一塊單片機(jī)AT89C52、溫度傳感器DS1620和ZigBee模塊等組成電源組件由AAA型鋰電池組與太陽能電池組構(gòu)成，可滿足長年供電的需求。
DS1620采用8腳DIP封裝或8腳SOIC封裝，引腳功能如下：
1) DQ三線制的數(shù)據(jù)輸入／輸出；
2) CLK/CONV為三線制的時鐘輸入和標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換輸入；
3) RST三線制的復(fù)位輸入；
4) GND地；
5) TCOM溫度高／低限觸發(fā)輸出；
6) TLOW溫度低限觸發(fā)輸出；
7) THIGH溫度高限觸發(fā)輸出；
8) VDD 3 ~5V電源。
為了降低成本，ZigBee節(jié)點采用兩種類型，一種是全功能器件( FFD)，它承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者的功能，可以同網(wǎng)絡(luò)中韻任何設(shè)備通信，可存在于任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中；另一種是簡化功能器件( RFD)，只能與主器件通信，實現(xiàn)簡單，多用于星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。
3.2監(jiān)控中心硬件設(shè)計
監(jiān)控中心采用嵌入式系統(tǒng)EBOX2，通過串口接收單片機(jī)接收到的無線發(fā)送信息，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，并將資料通過CPRS和以太網(wǎng)上傳。監(jiān)控中心硬件構(gòu)成如圖4所示。
3.3系統(tǒng)軟件設(shè)計
主程序由幾個子程序模塊組成，包括參數(shù)初始化、按鍵處理、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)打印和通信模塊。若要增加或刪減系統(tǒng)的某些功能，只需更改相應(yīng)的程序模塊即可。
如要提高精確度，可以增加PID調(diào)節(jié)子程序模塊。由于溫控對象普遍具有時變性、慣性大、純滯后等特點，對于一般的溫度測量，用中值數(shù)字濾波的方法提高測量的精確度。對于恒溫控制，使用PID控制。采取變速積分措施，防止或消除系統(tǒng)出現(xiàn)的積分飽和現(xiàn)象。系統(tǒng)中溫度采集模塊是以DS1620芯片為核心的，這部分的軟件設(shè)計，也是圍繞著DS1620芯片開發(fā)的，用C51開發(fā)的源程序代碼在此從略。
4、結(jié)束語
本文分析研究了基于ZigBee技術(shù)、嵌入式控制器的一套在分辨率、穩(wěn)定性、冗余性等方面性能較好的感溫型秸稈禁燒監(jiān)測技術(shù)。基于這一技術(shù)的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)具有電路簡單、成本低廉、制作簡便、維護(hù)方便等優(yōu)點，可以實現(xiàn)秸稈焚燒的及時發(fā)現(xiàn)、及時報警，以迅速采取措施，盡量減少損失。同時，其具有很好的冗余性和可擴(kuò)展性，可很方便地擴(kuò)展成農(nóng)田信息無線監(jiān)測系統(tǒng)。采用這種技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不但可以用于秸稈禁燒的預(yù)警，通過選用不同的傳感器還可用于農(nóng)田及農(nóng)村的其他信息的無線監(jiān)測。
富通新能源生產(chǎn)銷售的
秸稈顆粒機(jī)、
秸稈壓塊機(jī)專業(yè)處理農(nóng)作物秸稈焚燒問題。
