基于Zigbee的森林火災監控系統設計

曹波 許月妮

ZigBee技術屬于一種短距離、低復雜度、低功耗、低數據傳輸速率、低成本的無線通信技術，它的應用范圍廣泛，主要應用于遙控和自動控制領域，并具有地理定位功能。相對于已有的多種無線通信技術而言，ZigBee技術更適合于攜帶少量的數據流。

（一）MAC層

MAC層是實現特殊業務匯聚與物理層間通信的關鍵技術。MAC層在概念上還包括一個MLME，它為MAC層提供了一個管理服務界面；另外，MLME還建立了MAC PAN系統的數據庫。

IEEE802.15.4標準中的MAC子層，其功能包括：①支持PAN連接和解連接；②協調程序生成網絡信標；③一種處理與維持保障槽（GTS）機制；④基于CSMA-CA的通道接入機制；⑤提供兩點對點的MAC實體之間的可靠連結。

（二）網絡層

網絡層必須能夠保障MAC層的正常運行，并且能夠為應用層提供適當的業務接口。在與應用層連接的過程中，NLDE的主要業務有：①基于應用支持子層PDU，添加適當的協議頭產生NPDU；②按照拓撲路由，向通信鏈路的目的地地址裝置或者向通信鏈路上下一個跳躍裝置發送一個NPDU。NLME提供針對應用和協議棧的管理服務。

（三）應用層

ZigBee的應用程序層包括應用程序、應用程序框架、應用程序對象等。APS子層實現了對數據的管理。Binding是一種將兩臺設備按照業務和需要相匹配的功能。其中，ZDO的任務是確定網絡中裝置的作用（ZigBee協調器、路由器或終端裝置），初始化并響應此綁定請求，并且在網絡設備之間建立安全關系。另外，ZDO還負責發現網絡設備并理解其提供的服務。

（一）節點的拓撲結構

在WSN中，節點部署（也就是覆蓋）是一個非常重要的問題。高效的節點配置，可以在最小的節點數量下，獲得最準確和完整的信息，降低冗余信息的處理，減少節點的能耗。節點的部署模式有兩種，即有控制的部署模式和隨機的部署模式。隨機布點的方法以飛機布點為主，在節點消耗較少、監測區條件較差的情況下，可采用該方法。在此基礎上，提出了一種新的數據采集方法。大多數的控制部署都是以柵格為基礎，目前隨機配置只是一種理論上的配置方法，在實際應用中還有許多問題有待解決；六邊形柵格的控制布置更能充分利用空間，占用更少的節點。在傳統的傳感網絡中，大量的終端節點被集中在一個單一的協調者身上，這給傳感網絡帶來了巨大的能量消耗和可靠性等問題。在此基礎上，本文提出了一種將多個協作節點貫穿到整個傳感網絡中的方法，該方法既可減少多個協作節點之間的相互干擾，又可減輕單個協作節點的工作負擔，確保系統的穩定運行。無線傳感器的網絡拓撲結構如圖1所示。

（二）硬件電路設計

本研究項目利用ZigBee技術設計了火災監控系統，并對其硬件進行了詳細分析。其中，傳感器模塊主要負責對森林中各傳感器附近的環境參數進行采集，并將這些參數傳送到ZigBee控制器中，對其進行相應處理。在此基礎上，以網絡為中心，向協作節點的ZigBee控制模塊發送消息。

1.ZigBee控制模塊電路設計

使用CC2530作為ZigBee控制電路模塊的主要控制芯片。其核心8051的特點是功耗低，性能好。同時具有5種工作方式，5通道DMA，8通道分辨率，12位定時器，電池監控器，溫度傳感器，安全協處理器和21個常用的I/O管腳。CC2530系列產品性能穩定，功能全面，使用范圍很廣。

2.傳感器模塊電路設計

NIS-05A主要用來檢測火災時產生的濃煙和房屋內的塵埃。該傳感器是一種最大供電電壓24V，電流消耗15±2pA（9V電壓提供時）的低輻射標準傳感器。但其阻抗值較高（100左右），極易受到外部電子噪聲的影響。因此，在印制電路板時，必須重視對該傳感電路的防護。通常在接頭處用聚四氟乙烯做支撐，或在空氣中用聚四氟乙烯做焊絲，而不接觸印刷電路板。調諧電路包括一個VCC1，一個電壓輸出端2，以及一個接地端3。NIS-05A的阻抗較高，其2腳的輸出電流較低，而目前常用的運算放大器輸入阻抗較低，無法實現電流的放大。所以，為了保證電流的放大而又不會造成電壓的畸變，就需要選用具有極高輸入阻抗的運算放大器。煙霧檢測報警流程如圖2所示。

3.系統節點軟件設計

在森林火災監測系統中，大多數的傳感節點都起著終端的作用，主要是收集環境信息。真實的WSN需要將ZigBee中的傳感數據和WSN相結合。該系統的軟件部分，主要完成了WSN的構造。協作節點負責構建ZigBee無線網絡，在此基礎上，各協作節點按照事先設定好的協作節點設備，定期向相應的協作節點發送信息，并將所收集到的信息以串行方式傳輸給用戶監測中心。根據事先設定好的協調者節點裝置，終端節點會自動加入到這個網絡中，將數據以陣列的方式存儲，并將其傳輸到協調節點；該數組為標記節點預留了一個字節。在此基礎上，由協調者結點接收并由終端結點發送的報文，會按照預先設定好的“幀”格式發送給上位機。

4.監控軟件設計

本研究項目利用VB編寫了林火監測系統的監測界面，使監測界面簡單，可擴展性好，實用性強。系統的主要功能模塊有火災預警模塊、節點參數的顯示模塊、觀察節點的選擇按鈕。在火警預警模塊中，實現了對受火警威脅節點的實時顯示，并根據觀察點選取菜單，對監控點進行任意選取；通過對節點參數的顯示，可以對節點參數進行詳細的描述，從而對節點參數進行判斷。

本文采用ZigBee技術開發了一套能夠采集4種不同環境條件下的火災監測系統，并實現了可擴充的傳感器模塊。在無線網絡中，我們以六邊形的控制布局與多個協作節點取代一對多的傳統模式，從而實現大范圍、低能耗、高可靠等優勢。監控系統具有較高的集成性和較好的擴展性；該系統的各節點軟件具有較好的結構，通過多播方式進行數據通訊，在數據傳輸時添加了鑒別標志，具有較高的傳輸可靠性。

作者單位：南寧師范大學