基于ZigBee的森林火災監測設計

任曉莉

（寶雞文理學院 計算機科學系，陜西 寶雞 721016）

森林是林木、伴生植物、動物及其與環境的綜合體。它是地球上的凈化庫、基因庫、碳貯庫、蓄水庫和能源庫，對維系整個地球的生態平衡起著至關重要的作用，是人類賴以生存和發展的資源和環境，具有經濟、生態和社會三大效益。但是由于異常自然或非法人為因素，森林會發生一些火災，森林火災是一種突發性強，破壞性大，處置救助較為困難的自然災害，如果森林發生火災，將會對林木、生命財產、生態系統、社會造成嚴重的危害。森林火災監測是森林防火的重要基礎。目前，我國森林防火主要采用人工巡邏的方式，由于森林面積大，及時、準確地發現火源存在一定的難度。

針對森林火災監測的重要性和不足之處，本文提出基于ZigBee無線傳感網技術設計森林火災監測系統。該系統可以實時采集林區的相關環境參數，為相關部門預警和滅火提供重要的決策依據。

1 森林火災監測系統總體設計

在森林火災監測中，林中空氣的溫度和濕度會影響可燃物物理性質，它們是森林火險變化的重要指標，是火災監測的重要參數。當有林火發生時，林中的煙霧濃度和風向是火災蔓延的重要因素。因此，溫度、濕度、風向與風速、煙霧濃度是森林火災監測的關鍵參數，森林火災監測系統需要實時采集森林中各個位置的這些環境參數，并將這些參數值傳輸到監控中心進行處理，就可以發現火災易發或已發區域，從而及時地消滅火災。森林是一個高密度樹木區域，樹木的分布具有距離短、面積廣、隨機的特性，本文提出采用基于ZigBee技術的無線傳感器網絡對森林火災進行監控。ZigBee是一種低成本，低功耗、近距離、低復雜度、自組織的無線組網通訊技術[1]。ZigBee無線傳感器網絡，與現有的有線系統相比，ZigBee無線解決方案的優勢在于靈活的安裝布置、低廉的安裝費用、耗能低、可靠性高，因此基于ZigBee無線傳感器網絡適用于森林火災實時監測。

1.1 森林火災監測系統結構

在森林火災監測系統中，需要進行信息采集、處理、傳輸，控制結果輸出執行等操作。傳感器節點是構成無線傳感器網的基本要素，具有信息采集、信息處理和無線通信功能，它們既是數據包傳輸的發起者，也是數據包的轉發者[2]。傳感器節點被隨機、密集地布設在森林中，各林區的傳感器節點自組織成簇，傳感器節點為簇成員，負責林區環境信息的采集[3]。傳感器節點將采集的數據傳送到簇首節點，簇首節點負責對采集簇內信息采集節點的數據融合，然后傳送給匯聚點，匯聚節點以多跳的方式與各簇首節點通信，收集各林區環境信息，將數據送到控制中心，控制中心進行綜合處理，監測各林區火險情況。森林火災監測系統結構如圖1所示。

圖1 森林火災監測系統結構Fig.1 Forest fire monitoring architecture

1.2 森林火災監測系統功能模塊

根據森林火災監測系統的需求，無線傳感器節點實時采集林區的環境參數，監控中心根據采集到的林區環境信息進行實時的數據分析處理，當發現有火災情況時，馬上報警通知消防部門，消防部門接到報警信息后，根據路由表記錄信息確定火災發生的區域，再根據該區域的溫度、風向、煙霧濃度等參數確定火災程度，并迅速制定合理的應急方案，進行消防調度處理實施消防救援工作。整個森林火災監測系統分為 3個功能模塊：信息采集模塊、火災監控模塊[4]和無線收發模塊，森林火災監測系統功能模塊如圖2所示。

圖2 森林火災監測系統功能模塊Fig.2 Forest fire monitoring system function module

1）信息采集模塊 負責對網絡中的傳感器節點進行定位；并對傳感器節點采集的環境參數進行信號調理、AD轉換等處理。

2）火災監控模塊 負責對信息采集模塊采集的環境參數進行數據處理和分析，根據處理結果對火險進行預報。如果監測到火點，就向林業管理部門和消防部門發出警報，并實時監測火情，對資源進行合理的調度，制定合理有效的應急方案，實施應急響應和救援。

3）無線收發模塊 負責無線傳感器節點與協調器進行無線通信。

2 森林火災監測系統設計

2.1 系統硬件總體設計

通過森林火災監測系統的結構分析和功能模塊劃分，系統由信息采集處理模塊、微控制器模塊、無線收發模塊、供電模塊等組成。系統的硬件總體設計如圖3所示[5]。

2.2 信息采集處理模塊

圖3 森林火災監測系統硬件總體設計Fig.3 Forest fire monitoring system hardware design

信息采集模塊由煙霧傳感器、溫濕度傳感器、風力傳感器、傳感器信號調理電路、AD7998單元電路組成。煙霧傳感器是將空氣中的煙霧濃度變量轉換成有一定對應關系的輸出信號的裝置，本文選用SS-668離子型煙霧傳感器探測林區的煙霧濃度，SS-668適用于安裝在少煙、禁煙場所，用來探測煙霧有無，當一定量煙霧進入SS-668煙霧傳感器的反應腔，傳感器發出聲光警報，并向采集器輸出告警信號，通過SS-668能夠準確地檢測到煙霧，為火災預防和早期發現提供幫助。溫濕度傳感器采用溫濕度一體化的 SHT10傳感器，SHT10具有數字式輸出、免調試、免標定、精度高、體積小、能耗低、自動休眠及可完全浸沒水中的特點，其將溫度感測、濕度感測、信號變換、A/D轉換和加熱器等功能集成到一個芯片上；提供二線數字串行接口SCK和DATA，接口簡單，只需要2個普通的JN5139芯片的I/O口就可以對其進行采集。風力傳感器采用EC9-1型高動態性能測風傳感器，EC9-1由風向傳感器、風速傳感器和傳感器支架組成，風速傳感器的軸上吊有磁性圓盤，用霍爾開關器件將軸的轉速轉換成電信號，其輸出信號頻率與風速的大小成正比，風向傳感器的軸帶動一個七位格雷碼盤，應用紅外發光二極管和光電三極管組成變換電路將風向變換成7位格雷碼，EC9-1具有動態性能好，線性精度高，靈敏度高，測量范圍寬，抗風強度大等特點。傳感器信號調理電路將傳感器采集的模擬信號進行放大、濾波、緩沖或定標等處理，使其適合于模/數轉換器（ADC）的輸入。AD7998是8通道，12 bit，低功耗的模數轉換器，具有兼容I2C的接口，它將傳感器采集的模擬信號進行數字化，然后通過I2C總線傳送給微控制器JN5139。

2.3 無線微控制器JN5139

系統采用Jennic公司生產的符合ZigBee技術的芯片JN5139，JN5139是低成本低功耗無線微控制器，它是能使使用者在最短的時間內、以最低的成本實現IEEE802.15.4或ZigBee等應用的無線通信模塊。JN5139集成了16 MHz 32 bit的RISC處理器，配置有2.4 GHz頻段的IEEE802.15.4標準的無線收發器，192 kB的ROM，96 kB的RAM，模塊提供了開發無線傳感器網絡所需要的豐富的外圍器件和接口（GPIO、SPI、UART、I2C 等），為外接各種傳感器和控制電路提供了便利。內置的ROM存儲集成了多種豐富的軟件協議棧，可 以 根 據 應 用 需 求 ， 靈 活 選 擇 802.15.4、ZigBee、JenNet、AT2Jenie、6LoWPAN等多種網絡協議棧，方便快速地組建星形、樹狀、網狀網絡等。芯片集成了MAC和AES硬件編碼加速器，節省功耗的休眠模式，安全鍵的機制和程序加密。所有以上的強大特征都集成于單一芯片，可以降低功耗，提高穩定性，減小體積。JN5139芯片沒有集成程序存儲器，故本系統采用芯片自帶 SPI接口外擴程序存儲器，程序存儲器采用2 Mbit串行閃存 M25P20，該芯片集成標準的4線SPI總線和最大50 MHz數據傳輸時鐘，通過SPI接口將 M25P20連接至JN5139上來讀寫片上數據。UART單元主要由Max232及其輔助電路構成，用于微控制器的編程與程序升級。聲光報警電路主要負責林區環境參數超標火險因子較高或發現著火點時發出報警信息。

2.4 供電模塊

JN5139的工作電壓是2.7～3.6 V，溫濕度傳感器SHT10的工作電壓是2.4～5.5 V，風力傳感器EC9-1的供電電壓為5～12 V，煙霧傳感器SS-668的供電電壓為12 V，A/D轉換芯片 AD7998正常工作電平為3.3 V，為移動方便和減少換電池的次數系統采用12 V的蓄電池供電，通過開關穩壓器件ASM1117-5.0將12 V轉變成5 V給風力傳感器供電，5 V電壓經過ASM1117-3.3轉換成3.3 V電壓，給主芯片JN5139和溫濕度傳感器供電。

由于森林面積大，環境惡劣，所以電池不方便經常更換，而普通電池不能長時間為系統供電，因此，系統采用太陽能供電單元[6]，該單元由太陽能電池板、充電控制器和蓄電池組組成。充電控制器的基本作用是為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓，快速、平穩、高效的為蓄電池充電，并在充電過程中減少損耗、盡量延長蓄電池的使用壽命；同時保護蓄電池，避免過充電和過放電現象的發生。

3 結 論

提出了一種基于ZigBee的森林火災監測系統設計，采用煙霧傳感器、溫濕度傳感器、風力傳感器采集各林區的環境參數，基于JN5139無線微控制器實現無線通信，并對采集數據進行處理與分析[7]，當火險因子超標時，監控中心進行火災預報；當發現著火點時，監控中心進行火災報警和火情監測，并制定應急預案。基于ZigBee的森林火災監測系統可以根據實時采集到林區環境參數信息監測森林火災情況，從而及時地預防森林火災的發生或高效地實施火災救援工作，保護生態環境，保障人民的財產和生命安全。

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