基于GIS和ZigBee技術的森林防火監測系統

周光發

(江蘇警官學院公安科技系，江蘇南京210012)

0 引言

森林防火是林業管理部門的一項重點工作［1］。傳統的有線森林防火監控設施需要應用復雜的布線操作，系統復雜而昂貴;另一方面，市面上的火災報警器大多不能無線傳輸報警信號，不能快速、準確定位，遠距離控制。

無線傳感器網絡是一種集傳感器與致動器于一體由無線媒介連接節點進行分布式傳輸的網絡系統，收集數據的傳感器通過無線網絡與計算機系統進行通信［2］。傳統的有線數據傳輸系統顯然不能滿足人們對信息技術便捷性的要求，相反，無線數據傳輸系統沒有線纜的束縛，主要用于中短距離無線系統連接，能夠滿足對各種傳感器的數據輸出和輸入控制命令和信息的需求，使現有系統網絡化、無線化，特別適用于信息采集與監控領域的應用［3］。

隨著地理信息系統(Geographic Information System，GIS)技術的快速發展，GIS在森林防火中的應用已經被許多部門認可［4］。GIS基礎軟件平臺采用面向服務的設計思想、多層體系結構，實現了面向空間實體及其關系的數據組織、高效海量空間數據的存儲與索引、三維實體建模和分析，符合對森林資源數據和森林消防力量數據的存儲、管理、查詢、分析的要求，并且能夠實現森林防火系統的空間信息分發與共享、網絡化空間信息服務等。建立森林防火監測系統，更好地保護森林資源，不僅能夠滿足森林防火數據信息的收集、儲存、分析和維護，而且可以使管理手段更加趨于規范化和科學化［4-5］。

本文使用基于ZigBee技術的無線傳感器網絡采集并傳輸林區的環境參量;使用GIS技術并結合C#平臺實現林區地理信息的采集與處理;無線傳感器網絡與森林防火管理系統結合實現對林區信息的監控，及時預警并準確定位。

1 監控系統總體設計

森林防火監測系統主要由前端參數采集控制系統與終端預警及定位控制系統兩大部分組成。

前端參數采集控制系統由傳感器節點(終端節點)、網絡協調器主節點、RS-232C串行總線三部分組成。無線傳感器網絡節點的總體結構如圖1所示。終端的各節點通過ZigBee無線網絡通道實現與網絡中的協調器的聯系，協調器通過RS-232C總線與上位機進行數據通信。考慮到林區內各個節點溫濕度不易測準，為了提高測量精度，減少外界干擾，選擇了智能型溫濕度傳感器SHT11作為溫濕度測量芯片［6］。

圖1 ZigBee無線傳感器網絡節點總體結構

終端預警及定位控制系統主要由監控上位計算機組成。預警功能主要由上位機通過RS-232C總線與網絡協調器進行數據通信，利用C#平臺監控整個林區中溫濕度的狀況，其中包括系統實時監測和設定控制參數，實現對溫濕度數據的分析與顯示等功能。定位功能主要通過利用SuperMap Is．Net、SuperMap despro等GIS軟件平臺建立簡潔高效的數據庫，將著火點的精確位置顯示在三維電子地圖上，同時還顯示著火點的地形地貌，建立林區三維信息平臺［7-8］，確定節點的位置坐標，并做最佳撲火路徑分析;基于基礎地理信息的利用，對分布式大數量監測目標的集中監測與系統集成，結合GIS的空間分析功能，提供空間分析及統計功能。

2 系統硬件設計

2．1 ZigBee傳感器網絡節點

考慮到林區的環境變量比較復雜，因此要求監測網絡具有一定的路由和信息融合能力，本系統選用星形網絡拓撲結構。該網絡由協調器作為主節點，由此展開，可采集多個傳感器終端的數據。傳感器節點由傳感器信息采集模塊、信號調理模塊、無線收發模塊和電源模塊組成。節點采集到的數據由處理器模塊進行存儲和處理后，通過無線收發模塊傳遞到主節點，再由主節點傳送給PC機。該節點的能量供應采用攜帶2節1．5 V干電池的電池盒供電［9］。

2．2 數據采集模塊

傳感器節點采用電池供電，要求處理器模塊和數據采集模塊體積小、低功耗、外圍電路簡單。因此數據采集模塊用的是與傳統的溫濕度傳感器不同的SHT11，SHT11是基于CMOSens技術的新型智能溫濕度傳感器，具有數字式輸出、免調試、免標定、免外圍電路及全互換的特點。它具有二線串行接口的單片全校準數字式新型相對濕度和溫度傳感器，可用來測量相對濕度、溫度和露點等參數。它將溫濕度傳感器、信號放大調理、AD轉換、二線串行接口全部集成于一個芯片內，融合了CMOS芯片技術與傳感器技術，具有超快響應、抗干擾能力強、極高的性價比等優點［10-11］。SHT11通過兩線接口與微控制器連接。

2．3 數據通信模塊

數據通信模塊負責與監測中心進行無線通信，發送溫濕度數據。該模塊功耗相對比較大，因此采用Chipcon公司的ZigBee芯片CC2530構成的無線通信模塊。ZigBee技術是一種工作在2．4 GHz和868/915 MHz的無線網絡技術，具有距離近、復雜度低、功耗低、數據速率低和成本低的優點。采用雙向傳輸的無線通信標準，將IEEE 802．15．4收發器技術與嵌入ZigBee技術協議棧相組合，在數千個微傳感器之間相互協調實現通信［12］。CC2530具有極低的功耗，電壓工作范圍為2．0～3．6 V，在接收或發射模式下，工作電流損耗分別低于27 mA或25 mA，在待機模式下電流少于0．6 A。在低功耗待機模式下，2節1．5 V干電池可以支持1個節點工作6～24月［13］。本監測系統采取的是星狀網絡拓撲結構，監測中心節點為主節點，而傳感器節點為子節點，主節點與監控中心通過RS-232C總線相連，通過PC端的上位機進行林區內溫濕度等數據的監測。

3 系統主要功能設計

系統的整體架構如下，各個子節點采集森林的溫濕度信息，然后通過協調器主節點傳遞給運行在PC機上的森林防火監測系統，該系統配合數據庫實現森林的防火監測功能(見圖2)。

圖2 森林防火監測系統功能圖

3．1 林區火警定位

當節點溫度高于報警溫度時，節點會高亮顯示，通過量算距離菜單可以測量節點到任意位置的距離，也可以通過點選菜單獲得該節點的坐標信息，同時可以獲得該節點附近一些信息。部分代碼如下:

3．2 火災預警

如圖3所示，系統將CC2530采集的溫度信息與人為預設的報警溫度進行比較，當采集的溫度大于報警溫度時，系統便會發出警報聲告知工作人員，否則系統將繼續監測森林的溫度信息。

圖3 火災預警流程圖

3．3 最佳路徑分析

森林火災發生后，防火資源的調配工作非常重要，最佳行進路線的確定是撲火的關鍵［14］，本系統中管理人員可以通過最佳路徑菜單得到圖上任意兩地間的最佳路徑，該功能采用了Dijkstra算法［11］，該算法部分代碼如下:

4 結語

本系統搭建了無線傳感器網絡和森林防火監控系統，并實現了系統的應用性。無線傳感器網絡采用CC2530模塊，使用ZigBee技術實現傳感器數據的無線傳輸。基于GIS技術的監控管理界面使得系統更加精確，實現火災定位、預警與撲火路徑分析等功能［15］。但該系統推廣到復雜環境條件下的林區監控還可加強以下三方面的研究:①無線傳感器節點之間和節點與管理系統之間的傳輸距離應該進一步增大，并提高數據的傳輸速率;②優化無線傳輸速率和林區預警管理控制速率的整體結構，以優化整個監測系統;③進一步優化管理界面的可視性，結合GPS等技術，實現界面的可視化，提高逼真性。

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