【引言】全球各國各地區(qū)對預防森林火災高度重視，并建立有相應的管理體系和預防機制。如何在早期探測到森林火災的可能性，是預防森林火災的關鍵。來自歐洲的Dryad公司研發(fā)了一套高效的森林火災預防探測解決方案。
該系統(tǒng)的核心是被稱作Silvanet的節(jié)點和網(wǎng)關，這是一個采用太陽能面板供電、由STM32WL驅(qū)動并控制的氣體探測系統(tǒng)，可以在野外環(huán)境中實現(xiàn)LoRa連接和組網(wǎng)；憑借LoRa長距離、低功耗的無線傳輸特性，在沒有任何運營商基礎設施的情況下，可以在偏僻的野外地區(qū)組網(wǎng)，并在戶外持續(xù)工作10到15年。該系統(tǒng)可在幾分鐘內(nèi)檢測到陰燃，是快速、靈敏、高效的森林火災檢測預防系統(tǒng)。

為什么預防森林火災，早期檢測是關鍵？其復雜性在哪里？

野外火災造成的經(jīng)濟損失不斷攀升

據(jù)美國國家航空航天局（NASA）的地球觀測站發(fā)布的熱浪和火災的衛(wèi)星圖像，2022年夏季，歐洲、非洲和亞洲的森林火災及山火記錄極為嚴重。此外，根據(jù)世界資源研究所（World Resources Institute）的分析推算，近年發(fā)生的森林大火，過火面積幾乎是2001年的兩倍；2021年的野外火災造成了全球930萬公頃的損失（土地面積大約相當于匈牙利）。最糟糕的是，氣候變化引發(fā)的干旱和創(chuàng)紀錄的熱浪將在未來幾年繼續(xù)加劇事態(tài)。

野外火災造成的巨大影響是一個難以量化的問題。根據(jù)2017年國家標準與技術研究所研究表明，僅美國，野外火災帶來的每年經(jīng)濟損失就可能超過3000億美元。如果考慮間接損失，由農(nóng)業(yè)用地損失造成的糧食短缺或未來十年吸入煙霧對健康的長期影響都應計算在內(nèi)，遠遠超出3000億美元。據(jù)路透社報道，據(jù)知名信貸機構穆迪估計，如果形勢惡化，野外火災可能會破壞整個國家（希臘）的經(jīng)濟，形勢極為嚴峻。

目前早期檢測系統(tǒng)的缺點

早期探測是預防野外火災的最關鍵措施之一。然而，當前的解決方案不夠精確、時效性差。目前用于探測火災的方法有：瞭望塔、衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)、甚至野外相機拍攝等。瞭望塔已經(jīng)存在了一個多世紀，但它們必須有人值守，只有在煙霧彌漫的情況下才能被發(fā)現(xiàn)，但這時火災通常已經(jīng)在一定程度上蔓延開來；衛(wèi)星系統(tǒng)自動監(jiān)測也只能檢測到已經(jīng)蔓延的火災；還有人嘗試使用野外相機的方法進行早期檢測，但在自然環(huán)境中實現(xiàn)長時間供電是一個巨大的難題，而野外相機的影像也只能在火災發(fā)生后一到三個小時，才能探測到火災。

Silvanet提供了一種全新的解決方案，解決了功耗和早期檢測難題

功耗挑戰(zhàn)

Dryad的聯(lián)合創(chuàng)始人之一Carsten Brinkschulte解釋說，在野外環(huán)境中，供電是要解決的最關鍵的技術挑戰(zhàn)。事實上，在實際應用中，使用太陽能電池板具有挑戰(zhàn)性，因為樹木的樹冠覆蓋和枝葉遮蔭會阻擋大部分陽光。因此，來自密芝根大學的研發(fā)人員試圖從擺動的樹枝中獲取動能為探測傳感器提供電能，以實現(xiàn)自供電火災報警系統(tǒng)。Dryad獨辟蹊徑，采取了不同的方法：設計一個可以在這些惡劣條件下運行的自供電系統(tǒng)。正如Carsten所述，Silvanet的最終設計，只能使用STM32WL才能達成。

通過集成MCU和無線射頻發(fā)射器，STM32WL極大降低了PCB上的組件數(shù)量，并優(yōu)化了整體效率。設計開發(fā)中，MCU和接收器的高速時鐘可以同一個晶體振蕩器。STM32WL的LDO和SMPS允許某些操作在喚醒時運行得更快，從而更快地執(zhí)行任務、節(jié)省更多能源。STM32WL還具備適合資源有限場景的低功耗模式。STM32WL的產(chǎn)品性能優(yōu)勢，為Silvanet系統(tǒng)在森林中使用太陽能提供了可能，而這款集成自供電森林火災探測系統(tǒng)的高效、準確、可靠運行，將為降低森林火災風險提供新的解決方案。

計算挑戰(zhàn)

野外火災探測機制面臨的另一個挑戰(zhàn)是可擴展性。并不是所有的火災看起來都一樣，尤其是在陰燃階段，也并不是每一場火災都會呈現(xiàn)同樣的路徑，譬如松樹釋放的煙霧與桉樹不同，Silvanet依靠氣體傳感器可以辨別其中的不同。Dryad公司在開發(fā)過程中，就提出要建立一個可以適應不同森林的機器學習應用程序，并通過一個性能強勁的微控制器來控制它。這也是Silvanet傳感器使用STM32WL的另一個原因。STM32WL最多可容納256 KB的閃存，主頻最高可達48 MHz。由于這些硬件性能優(yōu)勢，該設備可以處理來自傳感器的數(shù)據(jù)并在本地運行機器學習算法。

通信挑戰(zhàn)

如何實現(xiàn)森林火災的探測是預防機制中的一方面，另一方面還要考慮如何將預警信息發(fā)送到進行監(jiān)控的云系統(tǒng)中。而森林覆蓋率高的地區(qū)難以獲得基礎通信設施的支持。因此，Silvanet不能依賴NB-IoT等蜂窩網(wǎng)絡或需要Sigfox等運營商的技術。Dryad選擇了LoRaWAN，因為它可以在偏僻的野外地區(qū)組網(wǎng)并工作。事實上，Silvanet使用在STM32U5上運行的自定義網(wǎng)關。一個是LoRa網(wǎng)格網(wǎng)關，它將LoRaWAN網(wǎng)絡擴展到森林深處。另一個是邊界網(wǎng)關，它使用具有2G/GPRS回退功能的4G/LTE調(diào)制解調(diào)器提供回程。此外，Silvanet甚至可以通過使用SpaceX公司的 Swarm技術建立衛(wèi)星連接。

▲Silvanet LoRa 組網(wǎng)

一個野外火災傳感器節(jié)點通常覆蓋一公頃森林，可以根據(jù)需要使用網(wǎng)格網(wǎng)關擴展網(wǎng)絡，同時使用具有連接功能的邊界網(wǎng)關向云監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送消息。傳感器的防護等級為IP67，可抵御風暴，支持-40oC至+85oC的溫度范圍。Silvanet傳感器和網(wǎng)關采用堅固的塑料外殼，沒有端口或連接器，確保能夠達到這一防護等級。作為一項關鍵需求，Dryad可通過遠程無線更新固件，并采用ST的庫來實現(xiàn)。因而，產(chǎn)品可以接收修補程序來修復錯誤或更新機器學習應用程序以改進火災檢測。

未來的挑戰(zhàn)

建立這樣一套高集成度、自供電、高效敏捷的森林火災探測系統(tǒng)，需要政府、行業(yè)及其他方面的認可。氣體傳感器、網(wǎng)格網(wǎng)關、邊境網(wǎng)關等都需要投入費用，當系統(tǒng)要覆蓋數(shù)十萬公頃土地時，投資不菲。但與森林火災造成的直接和間接損失相比，這筆投入就顯得微不足道。STM32WL帶來的技術優(yōu)化，讓LoRa設備的網(wǎng)格可以在森林中運行15年。Dryad公司Silvanet系統(tǒng)已逐步在德國、西班牙、希臘、葡萄牙、土耳其、美國和韓國等地建立實施，2023年產(chǎn)能有望達到23萬臺。

來源：STM32

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審核編輯 黃宇