森林火災(zāi)無線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬宏鋒 李祥林 胡 玫

(蘭州工業(yè)高等專科學(xué)校電子信息工程系1，甘肅 蘭州 730050;蘭州交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院2，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

森林是人類賴以生存和社會(huì)發(fā)展最重要的資源之一，更是地球生態(tài)平衡的保護(hù)者［1］。由于人為及自然原因，森林火災(zāi)時(shí)有發(fā)生。森林火災(zāi)具有發(fā)生面積廣、破壞性大和救助困難等特點(diǎn)，位居破壞森林的三大自然災(zāi)害之首［2］。目前，森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)主要采用地面巡防、瞪望塔監(jiān)測(cè)和航空巡護(hù)等措施［3］，但是難以反映溫度、濕度和大氣壓力等環(huán)境及氣象因素動(dòng)態(tài)變化的情況，導(dǎo)致系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較差，監(jiān)測(cè)效果不理想，應(yīng)用受到限制［4］。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)能夠工作在868 MHz、915 MHz和2.4 GHz三個(gè)頻段，傳輸速率最高達(dá) 20 kbit/s、40 kbit/s、250 kbit/s，具有自組織、自適應(yīng)，以數(shù)據(jù)為中心，體積小、成本低和監(jiān)測(cè)區(qū)域廣的特點(diǎn)，在無人值守的環(huán)境監(jiān)測(cè)和災(zāi)害撲救等特殊領(lǐng)域有巨大的發(fā)展前景［5-7］。由于具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)糾錯(cuò)能力、合理的組網(wǎng)方式和可靠的傳輸機(jī)制，且數(shù)據(jù)傳輸率較高(可達(dá)128 kbit/s)，GPRS網(wǎng)絡(luò)迅速成為國(guó)內(nèi)外遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)測(cè)控系統(tǒng)中解決監(jiān)控點(diǎn)涉及地域廣、設(shè)備布局分散等問題的主流技術(shù)［8］。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中，ZigBee模塊與傳感器模塊構(gòu)成無線傳感網(wǎng)的終端節(jié)點(diǎn)，對(duì)森林中的濕度、溫度、煙塵等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。被采集的數(shù)據(jù)經(jīng)中心節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，再由GPRS模塊傳送到手機(jī)客戶端或Internet，送入Internet中的數(shù)據(jù)最終被送達(dá)防火預(yù)警數(shù)據(jù)庫(kù)。監(jiān)控中心對(duì)被測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，作出相應(yīng)的預(yù)警處理。系統(tǒng)主要由分布在森林中的進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集的傳感單元、無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸單元、用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)腉PRS、用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸/收集/存儲(chǔ)與處理的Internet絡(luò)以及用于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示的用戶客戶端等五部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the wireless early warning system

無線傳感網(wǎng)包括中心節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)通過多跳方式與路由節(jié)點(diǎn)通信，路由節(jié)點(diǎn)將信息轉(zhuǎn)發(fā)至中心節(jié)點(diǎn)，然后通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸單元和GPRS網(wǎng)絡(luò)，以短信方式發(fā)送到手機(jī)終端，或者由GPRS網(wǎng)絡(luò)通過無線基站和Internet將數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控主機(jī)，再由監(jiān)控主機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析。監(jiān)控中心將無線傳感網(wǎng)絡(luò)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)，形成森林環(huán)境狀況的長(zhǎng)期記錄，實(shí)現(xiàn)對(duì)森林環(huán)境存在的火災(zāi)隱患進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)值達(dá)到或超出某個(gè)設(shè)定的閾值時(shí)，可以及時(shí)發(fā)送信息到手機(jī)和監(jiān)控主機(jī)，實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能。系統(tǒng)中每個(gè)前端采集點(diǎn)都有獨(dú)立的地址編碼，且與地理信息系統(tǒng)中的坐標(biāo)位置一一對(duì)應(yīng)，一旦發(fā)現(xiàn)火情，就可準(zhǔn)確上傳火點(diǎn)位置。

2 主要功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

ZigBee節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集模塊、信息處理模塊、無線通信模塊和電源模塊四部分組成，是構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)平臺(tái)［9］。無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the nodes in wireless sensor network

ZigBee節(jié)點(diǎn)的四部分組成模塊具體介紹如下。

①數(shù)據(jù)采集模塊由空氣溫度傳感器、大氣相對(duì)濕度傳感器和煙霧傳感器組成，主要功能是實(shí)時(shí)采集各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳遞到數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)。溫度傳感器選用DS1820，它具有獨(dú)特的單線接口方式，與微處理器連接時(shí)僅需要一條信號(hào)線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS1820之間的雙向通信。HS1101濕度傳感器具有響應(yīng)時(shí)間快、可靠性高和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，不需要校準(zhǔn)的完全互換性。NIS-09C是離子式煙霧傳感器，屬于低功耗廣普型傳感器，可用9 V電池帶動(dòng)。

②信息處理模塊的核心芯片是CC2431。它最大的特點(diǎn)在于可以自組網(wǎng)，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器;在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2431的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的時(shí)間超短的特性，特別適合那些對(duì)電池壽命要求高的應(yīng)用。

③能量有限問題是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)推廣應(yīng)用面臨的瓶頸之一。因此，電源模塊是無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位之一［10］。大規(guī)模應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常要求節(jié)點(diǎn)能量供應(yīng)模塊能從外部能源獲取能量。但由于森林環(huán)境的限制，以及考慮到太陽能供電技術(shù)的成熟度和造價(jià)成本，系統(tǒng)采用高能大容量的堿性電池來提供電能［11］。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中從軟硬件兩方面盡量保證低功耗，以延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命。

④無線通信模塊中的射頻天線采用TAXPQ2400-3dB橡皮天線。天線小巧(只有5 cm，重量不到20 g)、易安裝，發(fā)射頻率典型值為2.4 GHz。

2.2 GPRS 通信模塊

GPRS模塊通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)服務(wù)器監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。它通過AT命令進(jìn)行撥號(hào)轉(zhuǎn)入在線模式，此時(shí)通過PPP協(xié)議取得一個(gè)IP地址，可以連接到Internet。無線傳感網(wǎng)絡(luò)采集系統(tǒng)收集到數(shù)據(jù)后，協(xié)調(diào)器通過串口將匯聚的數(shù)據(jù)經(jīng)過GPRS通信模塊，按TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)到Internet，然后由上位機(jī)服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)中，需要時(shí)可供分析處理。GPRS模塊也可對(duì)智能手機(jī)終端定期發(fā)送數(shù)據(jù)信息。

GPRS模塊主要包括數(shù)據(jù)處理模塊、通信模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和顯示模塊四部分。數(shù)據(jù)處理模塊包含CPU芯片，CPU用于數(shù)據(jù)處理以及通信模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和顯示模塊間的數(shù)據(jù)傳輸。為保證數(shù)據(jù)不因?yàn)閿嚯姸鴣G失，采用Flash器件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。GPRS模塊選用DTP-S05Ci，其內(nèi)核主體是西門子雙頻工業(yè)手機(jī)模塊，支持EGSM900/GSM1800頻段，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，能提供語音、SMS、Fax、GPRS 等多種通信方式。

3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)方案是將節(jié)點(diǎn)隨機(jī)地放置在需要進(jìn)行監(jiān)控的地點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)自己的覆蓋區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)［12］。這種自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)存在以下兩個(gè)缺點(diǎn):①各個(gè)節(jié)點(diǎn)均采集本地信息進(jìn)行發(fā)送，造成網(wǎng)絡(luò)中需要傳輸?shù)男畔⒘窟^大，在匯聚結(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的數(shù)據(jù)沖突，導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量下降;②節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后，會(huì)向匯聚結(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，離匯聚節(jié)點(diǎn)近的節(jié)點(diǎn)因數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)發(fā)的任務(wù)最重，能量消耗也最大。如果匯聚節(jié)點(diǎn)附近節(jié)點(diǎn)數(shù)因隨機(jī)放置而過少，且網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，則節(jié)點(diǎn)會(huì)因能量過早耗盡而導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信中斷［13］。

結(jié)合森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，改進(jìn)自組網(wǎng)的分布無線傳感網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。它是在分布式基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的分簇置放，是一個(gè)基于分簇結(jié)構(gòu)的兩層無線傳感網(wǎng)絡(luò)組成的分布式系統(tǒng)［14］。

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.3 Network topology

基于分簇結(jié)構(gòu)的兩層無線傳感網(wǎng)絡(luò)由大量的無線傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，具有分布式處理能力。它根據(jù)無線傳感器節(jié)點(diǎn)間距離的遠(yuǎn)近，將網(wǎng)絡(luò)劃分成簇，簇由相互靠近的無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成。簇首就是分布式處理中心即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，它負(fù)責(zé)收集和協(xié)調(diào)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，沒有能量的限制。通信網(wǎng)絡(luò)底層子系統(tǒng)由低數(shù)據(jù)率、低傳輸范圍和能量受限的傳感器節(jié)點(diǎn)組成;中上層子系統(tǒng)由高數(shù)據(jù)率、大傳輸范圍和沒有能量限制的一、二級(jí)簇首節(jié)點(diǎn)組成。二級(jí)簇首將底層傳感器節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的融合后傳送給上層的一級(jí)簇首，或?qū)⑸蠈哟厥装l(fā)來的控制中心命令發(fā)送給節(jié)點(diǎn)。一級(jí)簇首對(duì)接收到的本地二級(jí)簇首傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理并上傳主控節(jié)點(diǎn)，或?qū)⑸蠈又骺毓?jié)點(diǎn)收到的監(jiān)控中心命令向下發(fā)送。主控節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)之間通過ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線的信息交換，帶有射頻收發(fā)器的無線傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和處理，然后傳送給簇首節(jié)點(diǎn);控制中心通過GPRS網(wǎng)絡(luò)獲取采集到的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的有效控制和管理。

4 軟件設(shè)計(jì)

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上的軟件主要由嵌入式操作系統(tǒng)、ZigBee協(xié)議棧和應(yīng)用程序組成。嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核提供簡(jiǎn)單高效的任務(wù)調(diào)動(dòng)、中斷處理和時(shí)間隊(duì)列管理等功能，同時(shí)還包括所有硬件的底層驅(qū)動(dòng)。應(yīng)用程序包括串口通信、射頻通信和信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)等模塊。采用模塊化設(shè)計(jì)的協(xié)議棧，使得整個(gè)系統(tǒng)層次清楚、擴(kuò)展性好，有利于ZigBee技術(shù)的二次開發(fā)。

4.1 服務(wù)器監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

服務(wù)器端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)由My SQL數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器平臺(tái)和基于Web的數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用系統(tǒng)組成，其中應(yīng)用系統(tǒng)負(fù)責(zé)偵聽服務(wù)器的指定端口，判斷并識(shí)別數(shù)據(jù)采集終端發(fā)出的TCP Socket連接請(qǐng)求。基于Web的數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用系統(tǒng)采用JSP動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)，用戶只要通過客戶端瀏覽器即可訪問此Web應(yīng)用程序。授權(quán)用戶登錄訪問時(shí)自動(dòng)讀取My SQL數(shù)據(jù)庫(kù)的相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、歷史查詢、數(shù)據(jù)下載和數(shù)據(jù)分析等綜合功能。手機(jī)客戶端采用JavaME技術(shù)開發(fā)嵌入式移動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)，將預(yù)警信息及時(shí)反饋至智能手機(jī)。

4.2 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器上電初始化后，首先主動(dòng)建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)等待節(jié)點(diǎn)加入，在節(jié)點(diǎn)加入后對(duì)節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址，以及收集和發(fā)送節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)。作為中心節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)的雙向數(shù)據(jù)傳輸，它實(shí)際上是一個(gè)基于ZigBee協(xié)議與GPRS協(xié)議的轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸采用了碰撞避免機(jī)制和完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，且網(wǎng)絡(luò)層和MAC層都有安全策略和安全分級(jí)，各個(gè)應(yīng)用可以靈活地確定其安全屬性，所以整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性都比較高。

在連接GPRS網(wǎng)絡(luò)前，還需對(duì)GPRS模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，如工作模式、通信波特率、接入網(wǎng)關(guān)、使用的協(xié)議類型和作為數(shù)據(jù)庫(kù)的Web服務(wù)器的IP地址設(shè)置等。然后通過AT命令進(jìn)行GPRS網(wǎng)絡(luò)連接，連接時(shí)經(jīng)過PPP協(xié)議協(xié)商獲得GPRS本地IP，接著加載數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議(TCP、UDP)，實(shí)現(xiàn)GPRS與監(jiān)控中心服務(wù)器的Socket連接。此后，GPRS模塊便作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)到GPRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)發(fā)送模塊而工作。CC2431將ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)經(jīng)過加密、封裝處理后，以數(shù)據(jù)流形式通過RS-232送到GPRS模塊。協(xié)調(diào)器的幾個(gè)關(guān)鍵函數(shù)舉例如下。

①協(xié)調(diào)器初始化網(wǎng)絡(luò)的函數(shù)

4.3 路由器軟件設(shè)計(jì)

路由器上電初始化后，需要先申請(qǐng)加入?yún)f(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)它成功加入網(wǎng)絡(luò)后，就工作于監(jiān)控狀態(tài)。其主要功能為:①監(jiān)控是否有其他路由節(jié)點(diǎn)或終端節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，如果有則同樣需給該節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址;②判斷是否有從協(xié)調(diào)器發(fā)來的命令，如果有且是設(shè)置命令，則需根據(jù)命令參數(shù)設(shè)置該節(jié)點(diǎn)，如果有且是讀狀態(tài)命令，則需發(fā)送相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)給協(xié)調(diào)器;③采集相關(guān)數(shù)據(jù)。

路由器選擇與處理函數(shù)如下。

4.4 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)軟件類似于路由器節(jié)點(diǎn)軟件，區(qū)別是終端節(jié)點(diǎn)不支持其他節(jié)點(diǎn)的加入，其主要任務(wù)是采集數(shù)據(jù)。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，它就自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠模式，使節(jié)點(diǎn)功耗降到最低。終端節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求發(fā)送與周期發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)設(shè)計(jì)如下。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型一旦確定，就表示節(jié)點(diǎn)成功加入網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)調(diào)用osal_start_timerEx函數(shù)定期(WSN APP_SEND_MSG_TIMEOUT)觸發(fā)發(fā)送事件。

5 結(jié)束語

本文將無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入森林火災(zāi)的監(jiān)測(cè)中，構(gòu)建了基于GPRS和ZigBee的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、各主要模塊的硬件設(shè)計(jì)和不同類型的ZigBee節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)森林日常的監(jiān)測(cè)以及火災(zāi)預(yù)警的功能。試驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)是一種高效、實(shí)時(shí)的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警方案，它為推進(jìn)我國(guó)森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)的信息化、自動(dòng)化與智能化提供了一種新思路。

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