低功耗全天候邊海防監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

摘" 要：邊海防是國家安全的戰(zhàn)略防線，是維護(hù)國家根本利益的安全屏障。近年來，我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和國內(nèi)外的安全環(huán)境都發(fā)生著巨大變化，邊境與沿海地區(qū)日益成為內(nèi)外矛盾和利益的交匯地帶，但是邊防區(qū)域地理位置復(fù)雜、邊境線漫長，無人值守邊防站、出入境口岸等邊境監(jiān)控重點(diǎn)區(qū)域分布廣、與監(jiān)控中心距離遠(yuǎn)，且微波、雷達(dá)等周界防護(hù)手段受限于自然天氣，對(duì)邊海防地區(qū)的安全管理造成極大影響。因此，該文旨在設(shè)計(jì)一款超低功耗、低成本、分布式且全天候遠(yuǎn)距離邊海防監(jiān)控系統(tǒng)，適用于對(duì)無人區(qū)、邊境區(qū)等點(diǎn)多線長面廣的區(qū)域進(jìn)行長期監(jiān)控，可全面提升邊海防管控能力。

關(guān)鍵詞：邊海防；低功耗；全天候；硬件電路；管控能力

中圖分類號(hào)：TN925" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）16-0134-04

Abstract： Border and coastal defense is a strategic line of defense of national security and a security barrier for safeguarding the fundamental interests of the country. In recent years， great changes have taken place in China's economic and social development and the security environment at home and abroad. The border and coastal areas have increasingly become the intersection of internal and external contradictions and interests， but the geographical location of the border defense area is complex and the border line is long. The key areas of border monitoring such as unattended border stations and entry and exit ports are widely distributed and far away from the monitoring center， and the perimeter protection means such as microwave and radar are limited by natural weather. It has a great impact on the security management of border and coastal defense areas. Therefore， the purpose of this paper is to design an ultra-low-power， low-cost， distributed， all-weather long-distance border and coastal defense monitoring system， which is suitable for long-term monitoring in areas such as no man's land and border areas， and can comprehensively improve the ability of border and coastal defense management and control.

Keywords： border and coastal defense; low power consumption; all-weather; hardware circuit; management and control ability

為深入貫徹習(xí)近平強(qiáng)軍思想，始終堅(jiān)持敢于創(chuàng)新、勇于開拓的思想路線，把握以研促學(xué)開展過程的主線，力求達(dá)到學(xué)以致用的目的，實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)基層、緊貼實(shí)戰(zhàn)的良好質(zhì)效，堅(jiān)持我軍積極防御戰(zhàn)略思想，結(jié)合我國邊海防監(jiān)控力量薄弱的實(shí)際，創(chuàng)新研發(fā)此低功耗邊海防監(jiān)控系統(tǒng)，有利于占據(jù)道義制高點(diǎn)、掌握政治和外交主動(dòng)，有利于以武止戈，保障國家和平發(fā)展，為加強(qiáng)國防建設(shè)和建成世界一流軍隊(duì)提供強(qiáng)大動(dòng)力。

由于邊境地區(qū)地理環(huán)境復(fù)雜，很多地區(qū)無法布設(shè)通信光纜，利用無線傳輸設(shè)備具備的無須布線、技術(shù)可行、安裝施工方便、靈活性強(qiáng)及受地理環(huán)境限制小等優(yōu)點(diǎn)[1]，有助于監(jiān)控邊海防地區(qū)，進(jìn)一步提高安全管理能力。

本文致力于智慧邊海防建設(shè)，自主設(shè)計(jì)和研發(fā)出一款低功耗全天候邊海防監(jiān)控系統(tǒng)，具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、分布式、全天候和遠(yuǎn)距離等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)被動(dòng)報(bào)警與主動(dòng)偵察2種功能，從而對(duì)邊境地區(qū)進(jìn)行全面監(jiān)控，彌補(bǔ)現(xiàn)階段邊海防技術(shù)的不足，成為邊海防管控的有效科技力量。

1" 整體設(shè)計(jì)

1.1" 預(yù)期功能

本文研究的低功耗全天候邊海防監(jiān)控系統(tǒng)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)被動(dòng)報(bào)警和主動(dòng)偵察2大功能，來為邊海防管理提供全天時(shí)、全天候、不間斷的實(shí)際狀況與動(dòng)態(tài)變化信息。邊海防官兵可以通過系統(tǒng)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲取前端設(shè)備傳回的警報(bào)信息，也可以通過上位機(jī)軟件發(fā)布命令，選擇全部或部分前端設(shè)備回傳當(dāng)前監(jiān)控信息，隨時(shí)掌握監(jiān)控區(qū)域的安全穩(wěn)定情況，及時(shí)作出判斷和行動(dòng)。

1.2" 系統(tǒng)框圖

低功耗全天候邊海防監(jiān)控系統(tǒng)包括子節(jié)點(diǎn)、主節(jié)點(diǎn)、中心站和上位機(jī)軟件4部分，其中子節(jié)點(diǎn)是搭載紅外報(bào)警設(shè)備的超低功耗傳感器，可大量安插、投擲到固定所需位置，形成一個(gè)巨大的子點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，一旦某個(gè)節(jié)點(diǎn)檢測到有效異變，即將報(bào)警信號(hào)、時(shí)間、坐標(biāo)位置等信息傳遞給主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)將接收信息傳回中心站，中心站將數(shù)據(jù)暫存并傳回上位機(jī)顯示，邊防官兵根據(jù)顯示信息可以及時(shí)掌握監(jiān)控區(qū)域的情況并有針對(duì)性地巡查。另外，邊防官兵也可以操作上位機(jī)軟件，呼叫子點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)回傳當(dāng)前周邊情況，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)報(bào)警和主動(dòng)偵察的全面監(jiān)控方案。低功耗全天候邊海防監(jiān)控系統(tǒng)的整體通信流程如圖1所示。

其中上位機(jī)軟件安裝在監(jiān)控站的計(jì)算機(jī)上，通過RJ-45接口與中心站相連，實(shí)現(xiàn)發(fā)布指令、顯示存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、報(bào)警等功能。中心站主要由A39C LoRa傳輸模塊、STC8H1K17-36I-TSSOP20單片機(jī)、ETH-01傳輸模塊構(gòu)成，負(fù)責(zé)與中心站及主節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸，完成數(shù)據(jù)傳回、命令廣播等任務(wù)。主節(jié)點(diǎn)主要由A39C LoRa傳輸模塊、STC8H1K17-36I-TSSOP20單片機(jī)、LED顯示模塊構(gòu)成，作為中心站和子節(jié)點(diǎn)之間的樞紐，完成雙向通信。子節(jié)點(diǎn)主要由A39C Lora模塊、STC8H1K17-36I-TSSOP20單片機(jī)、LED顯示模塊及人體紅外傳感器構(gòu)成，能夠完成數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)通過無線模塊傳給主節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而傳回到上位機(jī)軟件。

2" 硬件部分的設(shè)計(jì)

2.1" 處理器模塊

處理器模塊采用STC8H1K17-36I-TSSOP20單片機(jī)。STC8H系列單片機(jī)是STC生產(chǎn)的單時(shí)鐘單片機(jī)，不需要外部晶振和外部復(fù)位機(jī)，具有超強(qiáng)抗干擾、低功耗、超低價(jià)及高速等特點(diǎn)。微控制單元（MCU）內(nèi)部集成高精度R/C時(shí)鐘，并提供了豐富的數(shù)字外設(shè)接口和模擬外設(shè)，并提供了2種低功耗：IDLE模式和STOP模式，能夠進(jìn)一步減少能量損耗，滿足低功耗全天候邊海防監(jiān)控系統(tǒng)的需要。STC8H1K17-36I-TSSOP20單片機(jī)工作電壓為1.9～5.5 V，工作溫度為-40～85 ℃，芯片有所有的I/O口中斷功能，有4級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)，可掉電喚醒。STC8H1K17-36I-TSSOP20單片機(jī)管腳圖如圖2所示。

2.2" 紅外人體傳感器模塊

紅外傳感器使用SR602紅外人體傳感器，其是基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制模塊，響應(yīng)速度快、靈敏度高、靜態(tài)功耗小和抗干擾能力大，而且其體積較小，因此容易安裝、簡單實(shí)用，專用于感應(yīng)周圍人體的存在。最大感應(yīng)距離為5 m，熱釋電紅外的紅外線傳感器件對(duì)特定波長的紅外線有極強(qiáng)的感應(yīng)能力，當(dāng)檢測到人體輻射的紅外光譜時(shí)，紅外傳感器OUT端輸出高電平[2]，信號(hào)持續(xù)時(shí)間可以通過電阻進(jìn)行調(diào)整。此外，該傳感器具有可重復(fù)觸發(fā)模式，即如果在高電平狀態(tài)下周圍有人通過，傳感器會(huì)繼續(xù)輸出高電平，直到人離開。SR-602紅外傳感器引腳圖如圖3所示。

2.3" 數(shù)據(jù)傳輸模塊

2.3.1" 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊

主節(jié)點(diǎn)與中心站及子節(jié)點(diǎn)間的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊采用A39C LoRa為核心。LoRa是semtech公司開發(fā)的一種低功耗局域網(wǎng)無線標(biāo)準(zhǔn)，其名稱“LoRa”是遠(yuǎn)距離無線電（Long Range Radio），其在同樣的功耗下比傳統(tǒng)的無線射頻通信距離擴(kuò)大3～5倍。LoRa具有低功耗、低成本、遠(yuǎn)距離傳輸、系統(tǒng)容量大且抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)勢，成為低功耗廣域網(wǎng)中一個(gè)技術(shù)代表[3]。因此，在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一。

A39C-T400A22D1a是一款410-525 MHz、158 mW，具有高穩(wěn)定性，工業(yè)級(jí)的無線串口模塊，采用無線的方式實(shí)現(xiàn)串口通信大大減小了線路連接的復(fù)雜程度，從而避免了電線老化、線路間干擾等問題[4]。LoRa擴(kuò)頻調(diào)制，實(shí)測傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)5 000 m。該模塊支持?jǐn)?shù)據(jù)廣播、數(shù)據(jù)監(jiān)聽、定點(diǎn)傳輸、主從模式、自動(dòng)中繼及定點(diǎn)喚醒等傳輸方式。支持超低功耗，多樣化的功能和極高的穩(wěn)定性，可廣泛應(yīng)用于各種環(huán)境下，輕松實(shí)現(xiàn)低頻無線數(shù)據(jù)傳輸，連接圖如圖4所示。

2.3.2" 有線數(shù)據(jù)傳輸模塊

中心站和上位機(jī)間的有線數(shù)據(jù)傳輸模塊采用ETH-01，官兵可以通過上位機(jī)發(fā)送指令給中心站，進(jìn)而廣播給所有的主節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而監(jiān)控當(dāng)前狀態(tài)。以太網(wǎng)具有通信速率高、帶寬大等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國防、通信、航天和工業(yè)控制等高可靠性和高實(shí)時(shí)性領(lǐng)域[5]。ETH是一種光纖以太網(wǎng)接口卡，按照以太網(wǎng)通信協(xié)議進(jìn)行信號(hào)傳輸，通過光纜與光纖以太網(wǎng)交換機(jī)連接。中心站與上位機(jī)均位于監(jiān)控室中，利用光纜與光纖連接不會(huì)受到外界環(huán)境的影響。中心站和上位機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸模塊電路圖如圖5所示。

2.4" 電源模塊

電源模塊采用18650電池，其中18表示直徑為18" mm，65表示長度為65 mm，0表示圓柱形電池，有鈷酸鋰電池與磷酸鐵鋰電池2種類型，容量范圍是1 200 ～3 350 mAh，常見容量為2 200～2 600 mAh，可以使用多個(gè)18650電池組合成大容量的電池組。

XC6206P332MR是一款固定輸出正壓低壓差 （LDO）穩(wěn)壓器，采用3引腳SOT-23封裝。其是一款高精密，高電壓正電壓穩(wěn)壓器，使用CMOS與激光微調(diào)技術(shù)所制造，提供大電流與極低的壓差。XC6206P332MR包含限流電路、驅(qū)動(dòng)晶體管、精密參考電壓與糾錯(cuò)電路。電源模塊電路圖如圖6所示。

2.5" 顯示電路

系統(tǒng)中的顯示模塊采用LED-0805，燈的尺寸為2.0 mm×1.25 mm。LED具有許多優(yōu)勢，如節(jié)能環(huán)保、啟動(dòng)電壓低、尺寸設(shè)計(jì)靈活、不含汞、電能轉(zhuǎn)化為光的效率高、壽命長及能夠與多種設(shè)備一起使用等[6]。LED貼片燈由FPC電路板、LED燈、優(yōu)質(zhì)硅膠套管制成，低熱量、高亮度、堅(jiān)固耐用，使用低壓直流供電安全方便，發(fā)光顏色多樣，色彩鮮艷，戶外使用具有抗UV老化、變黃、抗高溫等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于城市各工程中、大屏幕顯示系統(tǒng)、影音設(shè)備、電子詞典、液晶顯示屏背光源和汽車儀表地戶外看板等產(chǎn)品上。接口電路如圖7所示。

3" 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)、開發(fā)的低功耗全天候邊海防監(jiān)控系統(tǒng)，其前端設(shè)備體積小、重量輕、功耗低、成本低、對(duì)氣候和地理環(huán)境的要求極低、系統(tǒng)工作穩(wěn)定及安裝和后期維護(hù)非常方便，可大批量地安插、投擲到固定所需位置，形成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，對(duì)周邊實(shí)現(xiàn)24 h不間斷、無障礙的監(jiān)控，滿足當(dāng)前邊海防監(jiān)控所需。

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