ZigBee無線傳感與衛星定位技術在森林火災預警中的應用

邢劭謙，宋哲存

(東北林業大學機電工程學院，哈爾濱 150040)

在大力發展人工造林、退耕還林的形勢下，我國的林森林覆蓋面積逐年增加，但自然林面積仍以每年40萬hm2的速度在消失。隨著人口的不斷增加，對于木材的需求量也在不斷加大。此外森林對于防止水土流失，減輕沙漠化程度，穩定全球氣候也起著至關重要的作用，因此預防森林火災，保護現有林業資源，就成為了各級各地政府急需解決的問題。本文針對目前現有各種森林防火方法的不足，設計了一組結合Zigbee無線傳感與北斗衛星定位技術的森林防火系統。該系統能夠完成實時的、高精度、低功耗、低成本的火情預報工作。

1 Zigbee技術簡介

Zigbee是一種短距離雙向無線通訊技術，其主要優點在于低復雜度，低成本以及低功耗。其工作頻段為2.4GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)、915MHz(美國流行)，其主要可應用于各種距離短且要求傳輸速率不高的電子設備之間，用以數據傳輸。為了使不同應用制造商之間能夠共同使用同一套標準，Zigbee標準是在IEEE 802.15.4的基礎上開發出來的。無線個人局域網標準IEEE 802.15.4，定義了物理層和介質訪問控制層。具體到本系統將采用2.GHz的工作頻段，其傳輸速率將達到250kbit/s，這一頻段在暴風、暴雨、強降雪等惡劣天氣下得干擾小，能夠實時準確的傳送傳感器所測得的數據。

2 北斗技術簡介

北斗衛星導航系統﹝Compass Navigation Satellite System﹞是中國自主研發、獨立運行的全球衛星定位導航通訊系統。它主要由空間段、地面段和用戶段組成，空間段由5顆靜止軌道衛星以及30顆非靜止軌道衛星組成，地面段包括主控站、監測站和注入站等若干個地面站，用戶段則包括北斗用戶終端以及能夠與其他衛星導航系統兼容的終端。北斗系統作為全球衛星導航四大核心系統之一，在提供高精度導航、定位與授時服務的同時，還擁有獨特的短報文通信功能，它能夠將導航定位與信息傳遞結合起來，使應用者不但能準確的知道自己的地理位置，還能知道其他北斗終端的方位。目前，北斗系統已在水利、測繪、應急救援、行車導航監控、氣象監測和海洋漁業等諸多領域得到大量應用。

3 系統總體設計

Zigbee聯盟把IEEE 802.15.4中定義的pan協調器、協調器和一般設備分別稱作“Zigbee協調器”、“Zigbee路由器”、“Zigbee終端設備”。一個ZigBee網絡由一個協調器節點、多個路由器和多個終端設備節點組成。Zigbee協調器的主要角色是建立和配置網絡，在此系統中擔負著構建整個網絡以及將從各個終端設備采集的環境參數通過連接北斗終端傳輸至森林防火控制中心的任務，與此同時協調器本身也可以連接傳感器采集周圍環境數據。系統中Zigbee路由器的任務是允許其他終端設備加入網絡以及支持將數據中轉至其上層設備，其自身也可連接傳感器完成周圍環境的物理量采集工作。Zigbee終端設備在系統中只負責數據的采集與上傳工作。

根據不同的應用需求，Zigbee可以構建星狀、網狀和簇狀三種網絡拓撲結構。介于森林所需覆蓋面積大、環境復雜和需要布置的采集結點多等特點，本系統采用簇狀這種相對穩定性高的網絡構架。

北斗衛星定位技術應用于本系統的最大優勢在于其與Zigbee協調器相連后不僅可以測得協調器及各終端節點的精確地理位置，并且可以將測得結果連同起火點附近終端設備測得的環境數據一并經70字以內的中文短報文發送至森林火災預警中心。北斗技術的應用擺脫了以往通過GPS測得起火點地理信息后經GPRS或CDMA網絡傳輸監測結果的局限，可使整個系統在無GPRS或CDMA網絡信號覆蓋的區域通過衛星方式及時準確的傳送火情監測信息。如圖1所示。

圖1 Zigbee無線傳感網絡體系結構Fig.1 Wireless sensor network architecture of Zigbee

4 系統硬件設計

介于本系統的實際應用環境與條件，ZigBee路由器設備與Zigbee終端設備硬件均由3組模塊組成:處理器模塊、傳感器模塊和電池模塊，而Zigbee協調器不僅負責采集信號，還需要將所采集信號經過北斗衛星發送至控制站，故還需要連接網關與北斗衛星通訊模塊。如圖2和圖3所示。

圖2 Zigbee路由器與Zigbee節點硬件結構圖Fig.2 Zigbee router and Zigbee node hardware structure

圖3 Zigbee協調器硬件結構圖Fig.3 Hardware structure of Zigbee coordinator

4.1 Zigbee模塊

系統選用CC2530Zigbee模塊作為處理器模塊。CC2530支持新RemoTI的ZigBeeRF4CE，其作為首款符合ZigBeeRF4CE兼容的協議棧，支持芯片無線下載，支持系統編程，允許芯片無線下載。另外，CC2530結合8051微處理器與 RF收發器，8kb的RAM，256kb閃存，以及12位ADC、2個USART、21個通用GPIO等強大的支持功能和外設。對于Zigbee模塊的選擇，還考慮到設計中傳輸距離的影響因素。

對于發送端，從CC2530 Zigbee模塊的輸出端到發射天線經過了微波收發網絡、開關、PA、濾波器、收發開關、發射天線，因此在計算輻射距離時須考慮這些電路的傳輸損耗。所涉及到的損耗包括:收發網絡失配損耗SO1、開關損耗SO2、功放(PA)增益AO1、濾波器損耗SO3、收發開關損耗SO4。

因此最大距離計算公式:

對于接收端，從天線到CC2530 Zigbee模塊的輸入端信號則經過發射天線、開關、LAN、收發開關和微波收發網絡，在計算輻射距離時Prs時，所須考慮的傳輸損耗則包括:收發網絡失配損耗Si1、開關損耗Si2、低噪放增益Ai1、濾波器損耗Si3、收發開關損耗Si4。

設Prs2530為CC2530Zigbee模塊靈敏度，經過傳輸距離d后，到達CC2530Zigbee模塊接收端功率值為r2530當r2530rs2530時 傳輸距離最大

Prs=Prs2530+Si1+Si2+Si3+Si4－Ai1為表現在接收天線處的靈敏度。

最大傳輸距離為:

對2.4GHz(λ=0.125m)CC2530 Zigbee模塊的基本參數為Pt2530=0dBm;接受機靈敏度Prs2530=－92dBm，介于實際電路與傳輸線路狀況，損耗將出現在如下幾方面:微波開關損耗0.1～0.5dB(2.4GHz);微波濾波損耗 0.2～2.0dB(2.4GHz);微波收發網絡失配損耗1～2dB(2.4GHz);微波接口損耗 0.2～1.0dB(2.4GHz);微波PA增益AO1;微波LNB增益Ai1。

在上述網絡結構中:如果PA的功率AO1=18dB，LNA功率增益Ai1=16dB，CC2530Zigbee模塊最大發射功率Pr2530=0dB，發射信號經過兩個開關，1個發射濾波器，1個天線接口，1個PA放大器，最后送到發送端功率Pt=12dBm。

接收端則經過天線，兩個開關，濾波網絡，一個LNA放大器，最后到達CC2530Zigbee模塊的接收端。接收端的損耗為Sr=Si1+Si2+Si3+Si4－Ai1=0dBm。

CC2530的接受靈敏度為－92dBm，所以Prs=Prs2530+Sr= －92dBm。

對f=2.4GHz，設單位增益 (Gt=Gr=0dB)為收發天線的增益，傳輸環境為室外相對的開闊環境，這時 n=1.58，k=0，s=－3.96，Aant=－3dB，PL0=－48.96dB，上述通信模塊之間可以通信的最大距離為:

圖4 基于CC2530的Zigbee的典型傳輸模型Fig.4 Typical transmission model of Zigbee based on CC2530

4.2 北斗模塊

北斗模塊選用我國自行研制的v－03型無源北斗模塊 工作頻率 本產品可通過外部輸入高程，自主定位并授時與通訊;也可直接輸入坐標值進行直接授時通訊。高程值可以通過氣壓高度計或者高度表等獲得，按照協議組幀后通過串口輸入。在實際應用中，為了消除個別北斗模塊由于暴風暴雨等不可抗拒力產生的位移誤差，需要將真實的狀態從各種隨機干擾中估計出來。在動態數據處理中，采用卡爾曼濾波方法來提取所需要的數據。如圖4所示。

在模塊坐標系下 (N，E，H)，分別對北向、東向、天向無緣北斗數據進行濾波，以北向濾波為例:取無緣北斗系統的北向狀態變量為:

式中:x為北向的位置，為北向速度，x 為北向加速度。建立的離散卡爾曼基本方程如下:

式中:φk，k－1，Γk－1分別是系統的狀態轉移矩陣，系統噪聲矩陣;Wk－1，V分別是方差陣為Qk－1，Rk的白噪聲系列;北向卡爾曼濾波時:φ，Γ，H確定為:

矩陣φ，Γ，H內部T為數據采樣間隔，北斗數據采樣頻率為8Hz。

整個濾波過程包括預警與測量，計算公式匯總如下。

狀態預測:

預測協方差:

狀態濾波:

濾波增益:

濾波協方差:

卡爾曼濾波公式 (2)和公式 (3)稱為預報方程，如果動態方程 (1)建模誤差較大，基于此模型預報會產生較大誤差 甚至使濾波器發散 結果失真。公式 (4)是濾波狀態方程，它基于外部觀測結果Y，對參數預報值進行修正，從而給出最優濾波值，并估計相應結果的協方差陣。

4.3 傳感器模塊

選用SHT75溫濕度傳感器做為本系統的溫濕度傳感器，其濕度測量范圍為0% ～100%RH，精度為±1.8%RH。溫度測量范圍為－40～123.8℃，測量精度為0.3℃。

選用MQ－2做為系統煙霧傳感器，探測范圍為:300～10 000ppm;響應時間≤10s。

4.4 無線網關

采用CC2530芯片作為無線網關的通信模塊，無線網關負責連接北斗通訊網絡與ZigBee無線傳感器網絡。通過兩種不同的通信協議間的轉換，該系統將由Zigbee終端節點采集到的環境與地理信息通過北斗通訊系統的短報文功能傳送到監控中心。如圖5所示。

圖5 Zigbee－北斗網關硬件圖Fig.5 Hardware chart of Zigbee-compass gateway

5 軟件設計

5.1 嵌入式操作系統

本系統采用Tiny OS實時操作系統。Tiny OS專為嵌入式無線傳感網絡所設計。該操作系統基于構件的架構，在減小了受傳感網絡存儲器限制的代碼長度的同時，更使得快速的更新成為可能。Tiny OS的構件包括網絡協議、傳感器驅動、分布式服務器及數據識別工具。

5.2 節點程序設計

本系統在C語言平臺開發設計Zigbee網絡節點程序。其優點在于:代碼編寫效率高、代碼的復用率高便于代碼的跨平臺移植、直觀的軟件調試以便于系統的升級與維護。作為網絡的組織維護核心節點的網絡協調器，在完成網絡生成、網絡加入管理后，首先將來自各個節點的溫度、濕度等數據接受上來，接著將完成數據融和、打包工作，最后通過串口經無線網關與北斗衛星網絡相連，將數據上傳到終端服務器，最后進入睡眠狀態。當服務器將數據處理完成后 將控制數據下傳 喚醒協調器 協調器通過網絡將數據傳送到指定節點。如圖6所示。

圖6 系統軟件流程圖Fig.6 Flow chart of system software

6 結束語

本系統將Zigbee與北斗衛星導航系統相結合應用于森林火災監測領域，既能降低人工預警方式的成本，提高預警效率，又能解決現有無線火災監測方式中無線互聯網絡覆蓋不足的問題。本系統不但為我國林火監測開辟了新的思路，同時也為無線網絡傳感技術的應用拓展了新的空間。

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