【引言】全球各國(guó)各地區(qū)對(duì)預(yù)防森林火災(zāi)高度重視，并建立有相應(yīng)的管理體系和預(yù)防機(jī)制。如何在早期探測(cè)到森林火災(zāi)的可能性，是預(yù)防森林火災(zāi)的關(guān)鍵。來(lái)自歐洲的Dryad公司研發(fā)了一套高效的森林火災(zāi)預(yù)防探測(cè)解決方案。
該系統(tǒng)的核心是被稱作Silvanet的節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)，這是一個(gè)采用太陽(yáng)能面板供電、由STM32WL驅(qū)動(dòng)并控制的氣體探測(cè)系統(tǒng)，可以在野外環(huán)境中實(shí)現(xiàn)LoRa連接和組網(wǎng)；憑借LoRa長(zhǎng)距離、低功耗的無(wú)線傳輸特性，在沒(méi)有任何運(yùn)營(yíng)商基礎(chǔ)設(shè)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(cè)到陰燃，是快速、靈敏、高效的森林火災(zāi)檢測(cè)預(yù)防系統(tǒng)。

為什么預(yù)防森林火災(zāi)，早期檢測(cè)是關(guān)鍵？其復(fù)雜性在哪里？

野外火災(zāi)造成的經(jīng)濟(jì)損失不斷攀升

據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的地球觀測(cè)站發(fā)布的熱浪和火災(zāi)的衛(wèi)星圖像，2022年夏季，歐洲、非洲和亞洲的森林火災(zāi)及山火記錄極為嚴(yán)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(guò)火面積幾乎是2001年的兩倍；2021年的野外火災(zāi)造成了全球930萬(wàn)公頃的損失（土地面積大約相當(dāng)于匈牙利）。最糟糕的是，氣候變化引發(fā)的干旱和創(chuàng)紀(jì)錄的熱浪將在未來(lái)幾年繼續(xù)加劇事態(tài)。

野外火災(zāi)造成的巨大影響是一個(gè)難以量化的問(wèn)題。根據(jù)2017年國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所研究表明，僅美國(guó)，野外火災(zāi)帶來(lái)的每年經(jīng)濟(jì)損失就可能超過(guò)3000億美元。如果考慮間接損失，由農(nóng)業(yè)用地?fù)p失造成的糧食短缺或未來(lái)十年吸入煙霧對(duì)健康的長(zhǎng)期影響都應(yīng)計(jì)算在內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出3000億美元。據(jù)路透社報(bào)道，據(jù)知名信貸機(jī)構(gòu)穆迪估計(jì)，如果形勢(shì)惡化，野外火災(zāi)可能會(huì)破壞整個(gè)國(guó)家（希臘）的經(jīng)濟(jì)，形勢(shì)極為嚴(yán)峻。

目前早期檢測(cè)系統(tǒng)的缺點(diǎn)

早期探測(cè)是預(yù)防野外火災(zāi)的最關(guān)鍵措施之一。然而，當(dāng)前的解決方案不夠精確、時(shí)效性差。目前用于探測(cè)火災(zāi)的方法有：瞭望塔、衛(wèi)星監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、甚至野外相機(jī)拍攝等。瞭望塔已經(jīng)存在了一個(gè)多世紀(jì)，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(shí)火災(zāi)通常已經(jīng)在一定程度上蔓延開(kāi)來(lái)；衛(wèi)星系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)也只能檢測(cè)到已經(jīng)蔓延的火災(zāi)；還有人嘗試使用野外相機(jī)的方法進(jìn)行早期檢測(cè)，但在自然環(huán)境中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間供電是一個(gè)巨大的難題，而野外相機(jī)的影像也只能在火災(zāi)發(fā)生后一到三個(gè)小時(shí)，才能探測(cè)到火災(zāi)。

Silvanet提供了一種全新的解決方案，解決了功耗和早期檢測(cè)難題

功耗挑戰(zhàn)

Dryad的聯(lián)合創(chuàng)始人之一Carsten Brinkschulte解釋說(shuō)，在野外環(huán)境中，供電是要解決的最關(guān)鍵的技術(shù)挑戰(zhàn)。事實(shí)上，在實(shí)際應(yīng)用中，使用太陽(yáng)能電池板具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)闃?shù)木的樹(shù)冠覆蓋和枝葉遮蔭會(huì)阻擋大部分陽(yáng)光。因此，來(lái)自密芝根大學(xué)的研發(fā)人員試圖從擺動(dòng)的樹(shù)枝中獲取動(dòng)能為探測(cè)傳感器提供電能，以實(shí)現(xiàn)自供電火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。Dryad獨(dú)辟蹊徑，采取了不同的方法：設(shè)計(jì)一個(gè)可以在這些惡劣條件下運(yùn)行的自供電系統(tǒng)。正如Carsten所述，Silvanet的最終設(shè)計(jì)，只能使用STM32WL才能達(dá)成。

通過(guò)集成MCU和無(wú)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(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，MCU和接收器的高速時(shí)鐘可以同一個(gè)晶體振蕩器。STM32WL的LDO和SMPS允許某些操作在喚醒時(shí)運(yùn)行得更快，從而更快地執(zhí)行任務(wù)、節(jié)省更多能源。STM32WL還具備適合資源有限場(chǎng)景的低功耗模式。STM32WL的產(chǎn)品性能優(yōu)勢(shì)，為Silvanet系統(tǒng)在森林中使用太陽(yáng)能提供了可能，而這款集成自供電森林火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)的高效、準(zhǔn)確、可靠運(yùn)行，將為降低森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)提供新的解決方案。

計(jì)算挑戰(zhàn)

野外火災(zāi)探測(cè)機(jī)制面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是可擴(kuò)展性。并不是所有的火災(zāi)看起來(lái)都一樣，尤其是在陰燃階段，也并不是每一場(chǎng)火災(zāi)都會(huì)呈現(xiàn)同樣的路徑，譬如松樹(shù)釋放的煙霧與桉樹(shù)不同，Silvanet依靠氣體傳感器可以辨別其中的不同。Dryad公司在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，就提出要建立一個(gè)可以適應(yīng)不同森林的機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用程序，并通過(guò)一個(gè)性能強(qiáng)勁的微控制器來(lái)控制它。這也是Silvanet傳感器使用STM32WL的另一個(gè)原因。STM32WL最多可容納256 KB的閃存，主頻最高可達(dá)48 MHz。由于這些硬件性能優(yōu)勢(shì)，該設(shè)備可以處理來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)并在本地運(yùn)行機(jī)器學(xué)習(xí)算法。

通信挑戰(zhàn)

如何實(shí)現(xiàn)森林火災(zāi)的探測(cè)是預(yù)防機(jī)制中的一方面，另一方面還要考慮如何將預(yù)警信息發(fā)送到進(jìn)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(chǔ)通信設(shè)施的支持。因此，Silvanet不能依賴NB-IoT等蜂窩網(wǎng)絡(luò)或需要Sigfox等運(yùn)營(yíng)商的技術(shù)。Dryad選擇了LoRaWAN，因?yàn)樗梢栽谄У囊巴獾貐^(qū)組網(wǎng)并工作。事實(shí)上，Silvanet使用在STM32U5上運(yùn)行的自定義網(wǎng)關(guān)。一個(gè)是LoRa網(wǎng)格網(wǎng)關(guān)，它將LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到森林深處。另一個(gè)是邊界網(wǎng)關(guān)，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(guò)使用SpaceX公司的 Swarm技術(shù)建立衛(wèi)星連接。

▲Silvanet LoRa 組網(wǎng)

一個(gè)野外火災(zāi)傳感器節(jié)點(diǎn)通常覆蓋一公頃森林，可以根據(jù)需要使用網(wǎng)格網(wǎng)關(guān)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)使用具有連接功能的邊界網(wǎng)關(guān)向云監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送消息。傳感器的防護(hù)等級(jí)為IP67，可抵御風(fēng)暴，支持-40oC至+85oC的溫度范圍。Silvanet傳感器和網(wǎng)關(guān)采用堅(jiān)固的塑料外殼，沒(méi)有端口或連接器，確保能夠達(dá)到這一防護(hù)等級(jí)。作為一項(xiàng)關(guān)鍵需求，Dryad可通過(guò)遠(yuǎn)程無(wú)線更新固件，并采用ST的庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因而，產(chǎn)品可以接收修補(bǔ)程序來(lái)修復(fù)錯(cuò)誤或更新機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用程序以改進(jìn)火災(zāi)檢測(cè)。

未來(lái)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(zāi)探測(cè)系統(tǒng)，需要政府、行業(yè)及其他方面的認(rèn)可。氣體傳感器、網(wǎng)格網(wǎng)關(guān)、邊境網(wǎng)關(guān)等都需要投入費(fèi)用，當(dāng)系統(tǒng)要覆蓋數(shù)十萬(wàn)公頃土地時(shí)，投資不菲。但與森林火災(zāi)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(lái)的技術(shù)優(yōu)化，讓LoRa設(shè)備的網(wǎng)格可以在森林中運(yùn)行15年。Dryad公司Silvanet系統(tǒng)已逐步在德國(guó)、西班牙、希臘、葡萄牙、土耳其、美國(guó)和韓國(guó)等地建立實(shí)施，2023年產(chǎn)能有望達(dá)到23萬(wàn)臺(tái)。

來(lái)源：STM32

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審核編輯 黃宇