1.项目介绍

在森林防火及雷电预警物联网系统中，AS3935 雷电传感器、太阳能面板、MPPT 管理器和 ESP32C6 模块协同工作。太阳能面板在白云发电，存储到蓄电池中，MPPT 管理器确保高效的光伏能量发电和转换。ESP32C6 模块利用 zigbee 协议将采集到的数据传输至 zigbee 网关，实现节点数据上云。多个 zigbee 节点分布在不同方位，可交互组网，全方位实时监测雷电情况。一旦雷电传感器检测到雷电活动，系统立即发出预警。同时，火焰传感器也在时刻监测，若检测到火焰，信息会迅速通过 zigbee 网络远程传输。结合 GPS 模块的定位功能，能精准确定火灾位置，便于相关部门进行更加精准的灭火处理，为森林防火提供有力保障。

2.方案框图

3.器件介绍

1.1节点主控

Beetle ESP32-C6集成锂电池充电管理功能，可以安全的对锂电池进行充电，该开发板还支持电池电压监测，以便在电量不足时采取措施，确保设备持续运行。Beetle ESP32-C6还支持BLE、Zigbee通讯协议，与其他MCU组合，可作为Thread 边界路由器、Matter 网关和 Zigbee 网桥。节点端的设备涉及到低功耗和小尺寸，因此在选择这款主控要具备尺寸小和低功耗的特性。

特性

• 超小体积，尺寸仅25*20.5mm
• 搭载ESP32-C6芯片，支持Wi-Fi、BLE、Zigbee、Thread通讯协议
• 支持Wi-Fi 6协议，更低延迟，更低功耗
• 超低功耗，deep-sleep 14uA
• 集成锂电池充电功能
• 支持电池电压检测，了解设备电量信息

1.2闪电传感器

闪电传感器采用AS3935数字闪电传感芯片与Coilcraft的MA5532-AE专用天线，可在室内或室外，安全地检测方圆40km范围内发生闪电的距离，闪电相对强度与统计闪电发生次数。因此在如果检测有雷电的发生，则通过zigbee网络传输到网关端，通过不同地点的部署传感器，可提前预防森林防火和警情。

特性

• 方圆40km闪电距离测量
• 雷电相对强度检测
• 室内外均可使用
• 内嵌专用算法抗电气干扰，防误检测

1.3光伏MPPT电源模块

本次使用DFROBOT的太阳能电源管理模块 5V@1A，采用的是CN3065芯片，能够将太阳能面板最大程度的进行发电，和存储电能。本次使用本模块用于节点端的供电需求。

1.4火焰传感器

火焰传感器可以用来探测火源或其它波长在760纳米～1100纳米范围内的光源，探测角度可达60度2个M3安装孔方便传感器的固定。可通过多方位安装多个火焰传感器，这样检测范围更加广阔。火焰传感器可实时检测火源，若有火源发生，立即上报警情。

特性

• 外形尺寸:30x22mm
• 类型：模拟信号
• 电源要求: 3.3V到5V DC
• 探测距离:20cm（4.8V）~ 100cm（1V）
• 能够探测的光谱带：760nm到1100nm
• 反馈时间：15us
• 接口模式：模拟

1.5GPS定位

GPS模块基于一款六合一多模卫星导航定位芯片AT6558研发而成，支持中国的BDS（北斗卫星 导航系统），美国的GPS，俄罗斯的GLONASS，欧盟的GALILEO，日本的QZSS 以及卫星增强系统SBAS（WAAS，EGNOS，GAGAN，MSAS），并且实现联合定位、导航与授时。
改模块定位精度误差实测为3m左右，和各类智能手机定位基本一致；功耗低至0.1W，搭配一个小电源就能长时间持续稳定工作。可通过GPS数据获取发生火情的地点，快速定位实现精准的灭火措施，及时挽救森林失火的情况。

特性

• 工作电压：3.3-5V
• 具备 SMA 天线接口和 IPEX 天线接口
• 板载 E2PROM 可设置保存波特率等信息  
• 板载 XH414 充电电子，加速热启动搜星 
• 支持 A-GNSS
• 冷启动捕获灵敏度：-148dBm
• 跟踪灵敏度：-162dBm 
• 定位精度：2.5 米（CEP50，开阔地）
• 首次定位时间：32 秒（也有可能是几分钟，要看具体环境而定）
• 低功耗：连续运行<25mA
• 内置天线检测及天线短路保护功能
• 尺寸：13.1mm x 15.7mm 

网关端

1.1网关

主控与节点主控一直，这里的主控起到zigbee网关的作用，将采集到的信息通过网关传输到云平台进行远程传输。网关可通过Wi-Fi或者网口连接互联网，从而实现数据的传输。

1.2OLED显示模块

0.96寸OLED显示模块采用SSD1306驱动芯片，有128x64个自发光的白色像素点，采用I2C/SPI两种通信方式，默认设置为I2C。具有功耗低、对比度高等优点，这里通过OLED模块显示与节点端连接的状态和采集的信息，当没有警情状态时，界面默认显示当前的日期或者时间。

1.3云平台可通过MQTT协议，将网关的数据进行解析，平台是一个数据汇总的地方，可通过云平台进行点对点，一对多的地区实时监控。这样具备统一平台，统一管理，高效快捷的检测。

3.硬件设计

本次森林雷电防火预警系统硬件使用Kicad8设计，原理图的设计主要兼容了网关版和节点板，在设计之初IIC设计反了，为了不影响使用，这是采用软件IIC实现AS3935,OLED屏幕的驱动

原理图设计

PCB设计

3D预览

Kicad使用起来很丝滑，打开速度很快，更重要的是免费，开源。

最后使用免费打样平台进行PCB打样。免费打样，很香！！！

PCB到货与焊接

4.软件设计

本期使用Arduino IDE开发ESP32C6，软件开发环境都在ESP32里面，编译的时候选择ESP32C6的开发版型号即可，支持包链接：https://espressif.github.io/arduino-esp32/package_esp32_index.json

1.节点端软件设计

软件分为节点端和网关端，在节点端软件的设计上，通过软串口采集GPS数据包，并解析出格式，从中获取定位的信息。当发生雷电时，雷电传感器采集雷电数据，显示闪电的距离和强度等级，当检测到火源，火焰传感器输出信号到节点端。以上的数据通过zigbee协议发送到网关端实时接收并传输到云端。

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  while (!Serial) {
    // 等待串口连接
    delay(10);
  }
   // 初始化GPS软串口
  gpsSerial.begin(GPSBaud);
  Serial.println("AS3935雷电传感器初始化!");
  // 初始化I2C总线
  Wire.begin(AS3935_SDA, AS3935_SCL);
  while (lightning0.begin() != 0) {
    Serial.print(".");
  }
  lightning0.defInit();
  // 配置火焰传感器引脚为输入
  pinMode(FLAME_PIN, INPUT);
  // 配置电池电压采集引脚为ADC输入
  analogReadResolution(12); // 12位精度
  // 使能中断
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(IRQ_PIN), AS3935_ISR, RISING);
  // 配置传感器
  lightning0.manualCal(AS3935_CAPACITANCE, AS3935_MODE, AS3935_DIST);
  Serial.println("初始化完成，开始数据采集！");
}
void loop() {
    // 检查GPS串口是否有数据
    if (gpsSerial.available() > 0) {
      if (gps.encode(gpsSerial.read())) {
      }
    }
  // 采集数据 1S采集一次
  if (millis() - GPS_TIME >= gpsInterval) {
    GPS_TIME = millis(); // 更新上一次时间
    displayInfo(); // 读取到数据时显示信息
  }
  if (millis() - Sensor_TIME >= SensorInterval) {
    Sensor_TIME = millis(); // 更新上一次时间
    Get_Sensor();
  }
  // 检查是否有雷电事件
  while (AS3935IsrTrig == 0) { delay(1); }
  delay(5); // 确保中断处理完成
  // 重置中断标志
  AS3935IsrTrig = 0;
  // 获取中断源
  uint8_t intSrc = lightning0.getInterruptSrc();
  if (intSrc == 1) {
    // 获取雷电距离
    uint8_t lightningDistKm = lightning0.getLightningDistKm();
    Serial.println("检测到雷电事件!");
    Serial.print("距离: ");
    Serial.print(lightningDistKm);
    Serial.println(" km");
    // 获取雷电能量强度
    uint32_t lightningEnergyVal = lightning0.getStrikeEnergyRaw();
    Serial.print("强度: ");
    Serial.println(lightningEnergyVal);
  } else if (intSrc == 2) {
    Serial.println("发现干扰信号!");
  } else if (intSrc == 3) {
    Serial.println("噪声水平过高!");
  } 
}

2.网关端软件设计

网关端的ESP32C6主控为zigbee协调器模式，用于接收节点端的信息并解析，通过软件口的方式将数据按照json格式的数据包发送给Wi-Fi模块，Wi-Fi模块内部解析json格式数据包，通过MQTT协议传输到云平台实现远程的数据监控。

网关部分当通过esp_app_zb_attribute_handler接收到数据并解析，通过OLED屏幕显示出当前获取到的数据

static void esp_app_zb_attribute_handler(uint16_t cluster_id, const esp_zb_zcl_attribute_t *attribute) {
  if (cluster_id == ESP_ZB_ZCL_CLUSTER_ID_TEMP_MEASUREMENT && attribute->id == ESP_ZB_ZCL_ATTR_TEMP_MEASUREMENT_VALUE_ID) {
    int16_t value = attribute->data.value ? *(int16_t *)attribute->data.value : 0;
    float temperature = zb_s16_to_temperature(value);


    // 输出温度数据
    log_i("Sensor %d - Measured Value: %.2f", cluster_id, temperature);


    // 清空显示屏并设置温度显示
    display.clear();
    display.setFont(ArialMT_Plain_16);
    display.setTextAlignment(TEXT_ALIGN_LEFT);
    display.drawString(0, 0, "Sensor Data");
    display.setFont(ArialMT_Plain_10);
    display.drawString(0, 20, "Temperature: ");
    display.drawString(80, 20, String(temperature) + " °C");
    display.drawString(0, 30, "flame");
    display.drawString(80, 30,"ture");
    // display.drawString(80, 30, String(zb_s16_to_temperature(anzeige_luftfeuchte)) + " %");
    display.drawString(0, 40, "GPS");
    display.drawString(80, 40, "OK");
    // display.drawString(80, 40, String(anzeige_hoehe) + "m");






    display.display();
    }

3.云端软件设计

为了方便快速接入云端和可视化界面设计，本次我们采用点灯科技APP，搭建出数据监控平台，改平台接入速度快，开发方式简单，并且免费的特点很受欢迎。

云端主要显示当前节点的经纬度，必要的时候可通过地图API接口实现地图显示，另外还有雷电的数据，如雷电距离，雷电强度等级。还有火焰情况。

由于第一次接触Zigbee并且首次玩ESP32C6,在Zigbee协议的发送和数据解析还在研究，本人能力有限，目前整体架构和代码出要在发送和解析zigbee数据，因此本项目还会继续制作和更新。

5.活动心得

感谢德捷与电子森林举办FastBond第3季活动的挑战部分，从题目需求分析，硬件选型，EDA设计，程序编写与调试极大锻炼了我的开发能力，同时感谢电子森林举办的活动，也非常感谢平台的各种资料，在期间学到很多有用的知识。期待下一次的FastBond活动，冲！