基于ZigBee的森林火災(zāi)監(jiān)測設(shè)計

任曉莉

（寶雞文理學(xué)院 計算機科學(xué)系，陜西 寶雞 721016）

森林是林木、伴生植物、動物及其與環(huán)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(tài)平衡起著至關(guān)重要的作用，是人類賴以生存和發(fā)展的資源和環(huán)境，具有經(jīng)濟、生態(tài)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(fā)生一些火災(zāi)，森林火災(zāi)是一種突發(fā)性強，破壞性大，處置救助較為困難的自然災(zāi)害，如果森林發(fā)生火災(zāi)，將會對林木、生命財產(chǎn)、生態(tài)系統(tǒng)、社會造成嚴重的危害。森林火災(zāi)監(jiān)測是森林防火的重要基礎(chǔ)。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(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)火源存在一定的難度。

針對森林火災(zāi)監(jiān)測的重要性和不足之處，本文提出基于ZigBee無線傳感網(wǎng)技術(shù)設(shè)計森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實時采集林區(qū)的相關(guān)環(huán)境參數(shù)，為相關(guān)部門預(yù)警和滅火提供重要的決策依據(jù)。

1 森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

在森林火災(zāi)監(jiān)測中，林中空氣的溫度和濕度會影響可燃物物理性質(zhì)，它們是森林火險變化的重要指標(biāo)，是火災(zāi)監(jiān)測的重要參數(shù)。當(dāng)有林火發(fā)生時，林中的煙霧濃度和風(fēng)向是火災(zāi)蔓延的重要因素。因此，溫度、濕度、風(fēng)向與風(fēng)速、煙霧濃度是森林火災(zāi)監(jiān)測的關(guān)鍵參數(shù)，森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)需要實時采集森林中各個位置的這些環(huán)境參數(shù)，并將這些參數(shù)值傳輸?shù)奖O(jiān)控中心進行處理，就可以發(fā)現(xiàn)火災(zāi)易發(fā)或已發(fā)區(qū)域，從而及時地消滅火災(zāi)。森林是一個高密度樹木區(qū)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(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對森林火災(zāi)進行監(jiān)控。ZigBee是一種低成本，低功耗、近距離、低復(fù)雜度、自組織的無線組網(wǎng)通訊技術(shù)[1]。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，與現(xiàn)有的有線系統(tǒng)相比，ZigBee無線解決方案的優(yōu)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(wǎng)絡(luò)適用于森林火災(zāi)實時監(jiān)測。

1.1 森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)中，需要進行信息采集、處理、傳輸，控制結(jié)果輸出執(zhí)行等操作。傳感器節(jié)點是構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)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(shù)據(jù)包傳輸?shù)陌l(fā)起者，也是數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)者[2]。傳感器節(jié)點被隨機、密集地布設(shè)在森林中，各林區(qū)的傳感器節(jié)點自組織成簇，傳感器節(jié)點為簇成員，負責(zé)林區(qū)環(huán)境信息的采集[3]。傳感器節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)傳送到簇首節(jié)點，簇首節(jié)點負責(zé)對采集簇內(nèi)信息采集節(jié)點的數(shù)據(jù)融合，然后傳送給匯聚點，匯聚節(jié)點以多跳的方式與各簇首節(jié)點通信，收集各林區(qū)環(huán)境信息，將數(shù)據(jù)送到控制中心，控制中心進行綜合處理，監(jiān)測各林區(qū)火險情況。森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Forest fire monitoring architecture

1.2 森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)功能模塊

根據(jù)森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的需求，無線傳感器節(jié)點實時采集林區(qū)的環(huán)境參數(shù)，監(jiān)控中心根據(jù)采集到的林區(qū)環(huán)境信息進行實時的數(shù)據(jù)分析處理，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有火災(zāi)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(jù)路由表記錄信息確定火災(zāi)發(fā)生的區(qū)域，再根據(jù)該區(qū)域的溫度、風(fēng)向、煙霧濃度等參數(shù)確定火災(zāi)程度，并迅速制定合理的應(yīng)急方案，進行消防調(diào)度處理實施消防救援工作。整個森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)分為 3個功能模塊：信息采集模塊、火災(zāi)監(jiān)控模塊[4]和無線收發(fā)模塊，森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。

圖2 森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)功能模塊Fig.2 Forest fire monitoring system function module

1）信息采集模塊 負責(zé)對網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點進行定位；并對傳感器節(jié)點采集的環(huán)境參數(shù)進行信號調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換等處理。

2）火災(zāi)監(jiān)控模塊 負責(zé)對信息采集模塊采集的環(huán)境參數(shù)進行數(shù)據(jù)處理和分析，根據(jù)處理結(jié)果對火險進行預(yù)報。如果監(jiān)測到火點，就向林業(yè)管理部門和消防部門發(fā)出警報，并實時監(jiān)測火情，對資源進行合理的調(diào)度，制定合理有效的應(yīng)急方案，實施應(yīng)急響應(yīng)和救援。

3）無線收發(fā)模塊 負責(zé)無線傳感器節(jié)點與協(xié)調(diào)器進行無線通信。

2 森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計

通過森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析和功能模塊劃分，系統(tǒng)由信息采集處理模塊、微控制器模塊、無線收發(fā)模塊、供電模塊等組成。系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計如圖3所示[5]。

2.2 信息采集處理模塊

圖3 森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)硬件總體設(shè)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(fēng)力傳感器、傳感器信號調(diào)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(zhuǎn)換成有一定對應(yīng)關(guān)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(qū)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(dāng)一定量煙霧進入SS-668煙霧傳感器的反應(yīng)腔，傳感器發(fā)出聲光警報，并向采集器輸出告警信號，通過SS-668能夠準(zhǔn)確地檢測到煙霧，為火災(zāi)預(yù)防和早期發(fā)現(xiàn)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(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)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(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個芯片上；提供二線數(shù)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(fēng)力傳感器采用EC9-1型高動態(tài)性能測風(fēng)傳感器，EC9-1由風(fēng)向傳感器、風(fēng)速傳感器和傳感器支架組成，風(fēng)速傳感器的軸上吊有磁性圓盤，用霍爾開關(guān)器件將軸的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電信號，其輸出信號頻率與風(fēng)速的大小成正比，風(fēng)向傳感器的軸帶動一個七位格雷碼盤，應(yīng)用紅外發(fā)光二極管和光電三極管組成變換電路將風(fēng)向變換成7位格雷碼，EC9-1具有動態(tài)性能好，線性精度高，靈敏度高，測量范圍寬，抗風(fēng)強度大等特點。傳感器信號調(diào)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(biāo)等處理，使其適合于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的輸入。AD7998是8通道，12 bit，低功耗的模數(shù)轉(zhuǎn)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(shù)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(tǒng)采用Jennic公司生產(chǎn)的符合ZigBee技術(shù)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(nèi)、以最低的成本實現(xiàn)IEEE802.15.4或ZigBee等應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)器，192 kB的ROM，96 kB的RAM，模塊提供了開發(fā)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(nèi)置的ROM存儲集成了多種豐富的軟件協(xié)議棧，可 以 根 據(jù) 應(yīng) 用 需 求 ， 靈 活 選 擇 802.15.4、ZigBee、JenNet、AT2Jenie、6LoWPAN等多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，方便快速地組建星形、樹狀、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)等。芯片集成了MAC和AES硬件編碼加速器，節(jié)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(wěn)定性，減小體積。JN5139芯片沒有集成程序存儲器，故本系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)的4線SPI總線和最大50 MHz數(shù)據(jù)傳輸時鐘，通過SPI接口將 M25P20連接至JN5139上來讀寫片上數(shù)據(jù)。UART單元主要由Max232及其輔助電路構(gòu)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(zé)林區(qū)環(huán)境參數(shù)超標(biāo)火險因子較高或發(fā)現(xiàn)著火點時發(fā)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(fēng)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(zhuǎn)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(shù)系統(tǒng)采用12 V的蓄電池供電，通過開關(guān)穩(wěn)壓器件ASM1117-5.0將12 V轉(zhuǎn)變成5 V給風(fēng)力傳感器供電，5 V電壓經(jīng)過ASM1117-3.3轉(zhuǎn)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(huán)境惡劣，所以電池不方便經(jīng)常更換，而普通電池不能長時間為系統(tǒng)供電，因此，系統(tǒng)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(wěn)、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(xiàn)象的發(fā)生。

3 結(jié) 論

提出了一種基于ZigBee的森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，采用煙霧傳感器、溫濕度傳感器、風(fēng)力傳感器采集各林區(qū)的環(huán)境參數(shù)，基于JN5139無線微控制器實現(xiàn)無線通信，并對采集數(shù)據(jù)進行處理與分析[7]，當(dāng)火險因子超標(biāo)時，監(jiān)控中心進行火災(zāi)預(yù)報；當(dāng)發(fā)現(xiàn)著火點時，監(jiān)控中心進行火災(zāi)報警和火情監(jiān)測，并制定應(yīng)急預(yù)案。基于ZigBee的森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)可以根據(jù)實時采集到林區(qū)環(huán)境參數(shù)信息監(jiān)測森林火災(zāi)情況，從而及時地預(yù)防森林火災(zāi)的發(fā)生或高效地實施火災(zāi)救援工作，保護生態(tài)環(huán)境，保障人民的財產(chǎn)和生命安全。

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