基于ZigBee的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孟 青,韓雨龍，蘇 鑫，李 巖

(1.中北大學(xué)朔州校區(qū)，山西 朔州 036000；2.北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100081)

基于ZigBee的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孟 青1,2,韓雨龍1，蘇 鑫1，李 巖1

(1.中北大學(xué)朔州校區(qū)，山西 朔州 036000；2.北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100081)

森林資源是世界最寶貴的自然資源之一，森林火災(zāi)預(yù)防和監(jiān)測(cè)比撲滅更具現(xiàn)實(shí)意義。為了預(yù)防和減少森林火災(zāi)對(duì)自然資源造成的巨大危害，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了基于ZigBee的森林火災(zāi)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以完成煙霧濃度、降雨量、空氣溫濕度和土壤濕度這四種環(huán)境參數(shù)的采集和處理，且其傳感器模塊具有易擴(kuò)展性。系統(tǒng)采用基于六邊形的控制部署方式和多協(xié)調(diào)器來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)一對(duì)多的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)具有覆蓋面積廣、低功耗和高可靠性等優(yōu)勢(shì)。森林防火系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可集成度高和可擴(kuò)展性強(qiáng)。系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，數(shù)據(jù)通信采用組播的方式，傳送過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)加入辨別標(biāo)志以保證其安全可靠。同時(shí)，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)監(jiān)控界面具有簡(jiǎn)潔、適用和可操作性強(qiáng)的特點(diǎn)。該系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，并進(jìn)行了實(shí)地試驗(yàn)，性能穩(wěn)定，可推廣使用。

ZigBee； 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò); 火災(zāi)監(jiān)測(cè); 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?覆蓋控制； CC2530； 森林資源

0 引言

森林資源是世界最寶貴的自然資源之一，森林火災(zāi)會(huì)給森林帶來(lái)毀滅性的后果。盡管科學(xué)技術(shù)正在日新月異地發(fā)展，但是人類(lèi)在“制服”森林火災(zāi)上，卻尚未取得長(zhǎng)足的進(jìn)展。因此，森林火災(zāi)的預(yù)防和監(jiān)測(cè)比撲滅更具現(xiàn)實(shí)意義。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network,WSN)具有自組織、部署便捷、抗毀能力強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，在諸多領(lǐng)域中得到應(yīng)用，如軍事、智能家居、環(huán)境監(jiān)測(cè)和自然災(zāi)害預(yù)報(bào)以及醫(yī)療健康等。目前，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種廉價(jià)、便捷的信息采集方法，尤其是在敵對(duì)和惡劣的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境下，傳統(tǒng)的方法費(fèi)用高昂，幾乎無(wú)法使用。森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)環(huán)境惡劣、監(jiān)測(cè)面積大，傳統(tǒng)的通信方式無(wú)法覆蓋森林區(qū)域。本文設(shè)計(jì)的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了森林火災(zāi)的監(jiān)測(cè)[1]。該系統(tǒng)通過(guò)控制部署方式向監(jiān)測(cè)區(qū)域散布監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，以獲取現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。相較于傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式，該方法具有高靈活性、易擴(kuò)展性以及低成本等優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

森林火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)主要用來(lái)監(jiān)測(cè)森林里的溫度、濕度以及煙霧等環(huán)境參數(shù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)傳遞至遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，系統(tǒng)將及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息。

1.1 系統(tǒng)總體框圖

基于ZigBee的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)三部分組成。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。終端節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)的基礎(chǔ)硬件單元。終端節(jié)點(diǎn)以自組織的方式組網(wǎng)，將采集到的環(huán)境信息(包括空氣溫濕度、土壤濕度、雨量、煙霧氣體濃度)傳送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)(即ZigBee控制面板)將匯聚的各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息通過(guò)衛(wèi)星或者互聯(lián)網(wǎng)傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。用戶(hù)可以通過(guò)手機(jī)或者計(jì)算機(jī)上安裝的上位機(jī)軟件來(lái)監(jiān)控各個(gè)節(jié)點(diǎn)的環(huán)境信息。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

1.2 節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

節(jié)點(diǎn)部署(即覆蓋問(wèn)題)是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的關(guān)鍵問(wèn)題之一。有效的節(jié)點(diǎn)部署可以實(shí)現(xiàn)用最少的節(jié)點(diǎn)采集盡可能最準(zhǔn)確、完整的信息，并能夠減少節(jié)點(diǎn)對(duì)冗余信息的處理量，節(jié)省節(jié)點(diǎn)的能源損耗[2]。

節(jié)點(diǎn)部署方式主要分為控制部署和隨機(jī)部署兩種。隨機(jī)部署主要通過(guò)飛機(jī)散播，如果節(jié)點(diǎn)耗材比較廉價(jià)且監(jiān)控區(qū)域環(huán)境比較惡劣，可以采用這種方式[3]。控制部署指數(shù)據(jù)收集區(qū)域預(yù)先確定，可以通過(guò)規(guī)則的網(wǎng)格來(lái)劃分?jǐn)?shù)據(jù)收集區(qū)域。控制部署多采用基于網(wǎng)格的部署，常見(jiàn)的有三角形、正方形和六邊形網(wǎng)格。隨機(jī)部署目前仍然是一種理論上的部署方式，應(yīng)用于實(shí)踐還有很多待解決的問(wèn)題；同時(shí)，六邊形網(wǎng)格控制部署相對(duì)于其他兩種控制部署方式，具有有效利用面積大、所用節(jié)點(diǎn)最少等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文研究的森林防火系統(tǒng)采用的是基于六邊形的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)控制部署技術(shù)。

無(wú)線(xiàn)傳感器的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示[4]。無(wú)線(xiàn)傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)兩種。傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)中密集的終端節(jié)點(diǎn)大多通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中唯一的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)信息傳送至用戶(hù)終端或控制中心，使無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在能耗均衡性、可靠性等諸多方面均面臨著很大的問(wèn)題。本系統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)采用多協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)貫穿于傳感器網(wǎng)絡(luò)中，不僅降低了終端節(jié)點(diǎn)多跳的能耗，同時(shí)也減輕了單個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的負(fù)擔(dān)，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[5]。

圖2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

森林防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件部分主要由ZigBee控制模塊和傳感器模塊組成。終端節(jié)點(diǎn)的傳感器模塊負(fù)責(zé)收集森林傳感器周?chē)沫h(huán)境信息，然后將采集的參數(shù)傳輸給終端節(jié)點(diǎn)的ZigBee控制模塊進(jìn)行處理。根據(jù)路由協(xié)議，作為簇首的終端節(jié)點(diǎn)將信息傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的ZigBee控制模塊[6]。

2.1 ZigBee控制模塊電路設(shè)計(jì)

ZigBee控制電路模塊采用CC2530作為主控芯片。CC2530以8051為內(nèi)核，具有低功耗、高性能等特點(diǎn)。CC2530包括5種運(yùn)行模式，擁有5通道DMA、8 通道分辨率配置 12 位 ADC、 定時(shí)器、MAC 定時(shí)器、看門(mén)狗定時(shí)器、睡眠定時(shí)器、電池監(jiān)視器、溫度傳感器、安全協(xié)處理器和 21 個(gè)通用 I/O引腳。CC2530性能穩(wěn)定、功能齊全，得到了廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)圖1可知，本系統(tǒng)中，無(wú)論是終端節(jié)點(diǎn)還是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)都有1個(gè)ZigBee控制模塊，其采用統(tǒng)一的硬件電路設(shè)計(jì)。ZigBee控制電路原理圖如圖3所示。ZigBee的工作電壓為3.3 V，有4個(gè)晶振電路。晶振電路不僅包括電路圖中的32 MHz和32.768 kHz這2個(gè)外部晶振電路，還包括16 MHz和32 kHz這2個(gè)內(nèi)部RC震蕩電路。系統(tǒng)時(shí)鐘可以選擇外部32 MHz或內(nèi)部16 MHz的晶振。當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘RF工作時(shí)，在上電情況下，16 MHz的RC震蕩電路先工作，因?yàn)镽C震蕩電路的起振時(shí)間短，待正常后，換32 MHz的震蕩電路作用于RF。天線(xiàn)選用外置天線(xiàn)，ANTSMA為天線(xiàn)接口。外置天線(xiàn)較PCB板載天線(xiàn)具有通信距離遠(yuǎn)、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 ZigBee控制電路原理圖

2.2 傳感器模塊電路設(shè)計(jì)

傳感器模塊是森林防火系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，包括空氣溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、雨量傳感器、煙霧氣體濃度傳感器。傳感器模塊的接口板電路框圖如圖4所示。

圖4 接口板電路框圖

傳感器模塊接口板作為系統(tǒng)的底板，一方面為傳感器提供接口，另一方面也是傳感器和ZigBee控制電路板連接的橋梁。接口板具有易擴(kuò)展性，如果想增加外部傳感器，只需要在CC2530富余的引腳中引出輸入引腳即可。

2.2.1 空氣溫濕度傳感器

空氣溫濕度傳感器采用的是DHT11數(shù)字溫度傳感器，可以用于檢測(cè)周?chē)h(huán)境的溫濕度。溫濕度傳感器電路圖如圖5所示。

圖5 溫濕度傳感器電路圖

DHT11是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度傳感器，內(nèi)部包含1個(gè)電阻式感濕元件和1個(gè)NTC測(cè)溫元件。該傳感器應(yīng)用了溫濕度傳感技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)，具有極高的可靠性和卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。DHT11工作電壓為3.3～5 V，有VCC、GND和DATA這3個(gè)數(shù)據(jù)輸出引腳。其中，DATA與圖3所示的P0_7引腳相連。

2.2.2 雨量傳感器

雨量傳感器主要測(cè)量森林的降雨量，為預(yù)測(cè)火災(zāi)發(fā)生提供重要的依據(jù)。同時(shí)，雨量傳感器還可以在火災(zāi)發(fā)生后檢測(cè)滅火的用水量。本系統(tǒng)采用的雨量傳感器可用于監(jiān)測(cè)各種天氣降雨?duì)顩r，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；通過(guò)輸出引腳進(jìn)行輸出至CC2530。感應(yīng)板大小可調(diào)，且具有固定螺栓孔，方便安裝、使用。

2.2.3 土壤濕度傳感器

本系統(tǒng)采用四線(xiàn)制土壤溫濕度傳感器，由土壤探頭和控制接口板兩部分組成。通過(guò)調(diào)節(jié)接口板上電位器，可以調(diào)節(jié)土壤濕度測(cè)量閾值。當(dāng)濕度低于設(shè)定值時(shí)，輸出為高電平；高于設(shè)定值時(shí)，輸出為低電平。探頭模塊采用LM393比較器，工作穩(wěn)定。

2.2.4 煙霧氣體濃度傳感器

煙霧氣體濃度傳感器選擇的是MQ-2氣體傳感器。MQ-2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫。當(dāng)傳感器所處環(huán)境存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨著空氣中可燃燒氣體濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。MQ-2可檢測(cè)多種可燃性氣體，是一款適用于多種場(chǎng)合的低成本傳感器。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

森林防火系統(tǒng)中，大部分的傳感器節(jié)點(diǎn)作為終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)環(huán)境參數(shù)的搜集。真正的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)需要實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)與ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合。系統(tǒng)的軟件主要實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)建立ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)先前制定的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)備自動(dòng)加入該網(wǎng)絡(luò)，然后終端節(jié)點(diǎn)周期性地將采集到的環(huán)境參數(shù)發(fā)至對(duì)應(yīng)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)再通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳送至用戶(hù)監(jiān)控中心。終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

圖6 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程圖

圖7 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程圖

終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)先前制定的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)備自動(dòng)加入該網(wǎng)絡(luò)，然后采集溫濕度、煙霧氣體濃度、雨量和土壤濕度數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)以數(shù)組的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，并傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)；數(shù)組預(yù)留一個(gè)字節(jié)用于標(biāo)志節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包，然后根據(jù)設(shè)計(jì)的幀格式將數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控計(jì)算機(jī)[7]。

3.2 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

森林火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控界面是基于VB開(kāi)發(fā)的，具有簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展性強(qiáng)和適用的特點(diǎn)。該界面主要包括火情警示模塊、節(jié)點(diǎn)參數(shù)顯示模塊和觀測(cè)節(jié)點(diǎn)選擇按鈕三個(gè)部分。火情警示模塊可以實(shí)時(shí)顯示有火災(zāi)危險(xiǎn)的節(jié)點(diǎn)，通過(guò)觀測(cè)節(jié)點(diǎn)選擇菜單可以自由選擇監(jiān)測(cè)的節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)參數(shù)顯示模塊可以顯示節(jié)點(diǎn)的具體參數(shù)，為進(jìn)一步判斷是否有火災(zāi)發(fā)生提供依據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee的森林防火系統(tǒng)可以采集4種環(huán)境參數(shù)，且傳感器模塊具有可擴(kuò)展性。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用基于六邊形的控制部署和多協(xié)調(diào)器來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的一對(duì)多的方式，保證了系統(tǒng)具有覆蓋面積廣、低功耗和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)[8]。本設(shè)計(jì)中的森林防火系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可集成度高，可擴(kuò)展性強(qiáng)；系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，數(shù)據(jù)通信采用組播的方式，數(shù)據(jù)傳送的過(guò)程中數(shù)據(jù)加入辨別標(biāo)志，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃愿摺１鞠到y(tǒng)中監(jiān)控界面具有簡(jiǎn)潔、適用和可操作性強(qiáng)的特點(diǎn)。系統(tǒng)已進(jìn)行了實(shí)地試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，其性能穩(wěn)定，可推廣使用。

[1] 賈杰.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制與節(jié)點(diǎn)部署技術(shù)[M].沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版社，2013.

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Design and Implementation of the Forest Fire Monitoring System Based on ZigBee

MENG Qing1,2，HAN Yulong1，SU Xin1，LI Yan1

(1.Campus of Shuozhou,North University of China,Shuozhou 036000,China;2.School of Mechatronical Engineering,Bejing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

Forest resource is one of the most valuable natural resources in the world.Prevention and monitoring of the forest fire is more realistic than extinguishing the fire.In order to prevent forest fires and to reduce the enormous harm caused to natural resources,the intelligent forest fire monitoring system based on ZigBee has been designed and developed.Four kinds of environmental parameters can be collected and processed by this system,including smoke concentration,rainfall,air temperature and humidity,soil moisture,and its sensor modules are scalable.The hexagonal control deployment and multi-coordinator are adopted to replace the traditional one- to-many topologic structure,thus the system possesses advantages of wide coverage area,low power consumption and high reliability.In this system,the design of hardware circuitry is simple,highly integrated and scalable.The software design of the system node is reasonable,and the data communication is carried out by the way of multicast,and in the process of data transmission,the identification mark is added for data,to ensure its safety and reliability.In addition,the monitoring interface in this system has the characteristics of simplicity,applicability and operability.The system has been fabricated in batch and tested on site with stable performance.It can be promoted to use.

ZigBee; Wireless sensor network(WSN); Fire monitoring; Network topology; Coverage control; CC2530; Forest resources

山西省基礎(chǔ)研究項(xiàng)目青年科技研究基金(2015021095)

孟青(1987—)，女，碩士，講師，主要從事智能探測(cè)與傳感方向的研究。E-mail:460986807@qq.com。 蘇鑫(通信作者)，男，在讀本科生，主要從事智能控制方向的研究。E-mail:1140285455@qq.com。

TH-39;TP391

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201708002

修改稿收到日期:2017-03-27