具有GPS定位的森林火災(zāi)無(wú)線傳感報(bào)警節(jié)點(diǎn)裝置的設(shè)計(jì)

楊軼杰，張 軍，孫維陽(yáng)，孟 兵

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院，天津 300222）

森林是我國(guó)重要的資源之一，其防火形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，傳統(tǒng)的森林防火主要依靠人的定時(shí)或不定時(shí)巡檢，在技術(shù)方面，主要有以下幾種方法：①人員的巡檢法。這種方法在一定程度上可以起到防火作用，但是人力投入較大，只能實(shí)現(xiàn)巡檢，不能實(shí)現(xiàn)不間斷的監(jiān)視，同時(shí)人的巡檢還存在檢查盲區(qū)。②衛(wèi)星監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的掃描。由于該方法存在周期長(zhǎng)、分辨率低、圖像的像素點(diǎn)飽和、掃描期間云層的遮擋以及火災(zāi)參數(shù)很難實(shí)時(shí)量化等原因，因而限制了衛(wèi)星探測(cè)系統(tǒng)的使用范圍，降低了森林火災(zāi)的監(jiān)測(cè)效果，無(wú)法準(zhǔn)確顯示火場(chǎng)的地理位置，往往會(huì)延誤林火的發(fā)現(xiàn)與撲救。③森林遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。該方法的缺點(diǎn)是需要人在監(jiān)控室觀察屏幕，而且目前還無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別煙霧與霧氣以及白云、火光與夕陽(yáng)等圖像；當(dāng)前消防用煙霧傳感器部分采用220 V電源供電或者利用電池供電，不能滿(mǎn)足森林防火中野外條件下的使用要求。針對(duì)以上方法存在的不足，本研究開(kāi)發(fā)了具有GPS定位的森林火災(zāi)無(wú)線傳感報(bào)警節(jié)點(diǎn)裝置。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

具有GPS定位的森林火災(zāi)無(wú)線傳感器報(bào)警節(jié)點(diǎn)裝置是基于ZigBee技術(shù)的新型裝置，主要包括5個(gè)模塊：太陽(yáng)能供電模塊、GPS定位模塊、溫濕度傳感模塊、煙霧傳感模塊以及無(wú)線傳輸模塊。無(wú)線傳輸模塊是本節(jié)點(diǎn)的核心部分，利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，以CC2430芯片作為核心芯片，執(zhí)行數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)搜尋并加入及發(fā)送數(shù)據(jù)功能[1]，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

ZigBee技術(shù)是近年來(lái)興起的近距離無(wú)線通信技術(shù)，它作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的核心技術(shù)之一具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)[2]。與同類(lèi)無(wú)線局域網(wǎng)通信技術(shù)相比，其突出優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，功耗較低，網(wǎng)絡(luò)組建速度快且網(wǎng)絡(luò)能夠自組織、自愈合。

2.1 無(wú)線傳輸模塊

無(wú)線傳輸模塊采用CC2430作為核心芯片，內(nèi)有128 kbits閃存，當(dāng)節(jié)點(diǎn)正常工作時(shí)，32 MHz主振工作；進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)，低頻32.768 kHz晶振工作以降低節(jié)點(diǎn)功耗。內(nèi)部嵌有8051系列單片機(jī)內(nèi)核，在程序編寫(xiě)上與單片機(jī)兼容[3]。當(dāng)ZigBee節(jié)點(diǎn)開(kāi)始上電時(shí)，系統(tǒng)首先初始化底層硬件，包括定時(shí)器、串口、中斷等；其次初始化協(xié)議棧并對(duì)協(xié)議棧各層功能進(jìn)行配置[4]。該芯片的P1.2～P1.4口作為與各功能模塊的信息傳輸接口，該報(bào)警節(jié)點(diǎn)完成的功能包括：發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、加入網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送、接收協(xié)調(diào)器的控制[5]，在應(yīng)用層次采集數(shù)據(jù)程序的作用下以4 s為一周期將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送回指揮中心。

2.2 GPS定位模塊

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中傳統(tǒng)的定位方法是在放置節(jié)點(diǎn)時(shí)，把節(jié)點(diǎn)的編號(hào)和節(jié)點(diǎn)放置的地理位置相對(duì)應(yīng)，并輸入控制中心的數(shù)據(jù)庫(kù)。這樣只要記錄下終端地址，再根據(jù)節(jié)點(diǎn)編號(hào)就可以確定傳感器的地理位置[6]。本文的定位方法采用GPS定位，GPS定位模塊的核心是SiRF芯片，工作電壓為3.3～5 VDC，滿(mǎn)足節(jié)點(diǎn)供電單元要求。芯片通過(guò)采用20萬(wàn)次/s的相關(guān)器提高了靈敏度，支持NMEA0183 v2.2標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)格式及SiRF二位元編碼，可以同時(shí)追蹤20個(gè)衛(wèi)星信道[7]。本節(jié)點(diǎn)中GPS模塊供電電壓為5 VDC，采用輸出的GPRMC格式數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)，經(jīng)度和緯度的精度為1×10-4s，實(shí)驗(yàn)時(shí)最多追蹤的衛(wèi)星為7個(gè)，經(jīng)P1.4口傳輸給無(wú)線傳輸模塊，提取出經(jīng)度以及緯度數(shù)據(jù)，并將經(jīng)緯度數(shù)據(jù)精度調(diào)整至0.01分精度后作為GPS數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)組中。

2.3 溫濕度傳感模塊

溫濕度傳感器選用高性能、低功耗的DHT21，DH21供電電壓為3.5～5.5 VDC，該傳感器的最小采樣周期為1.7 s，溫濕度分辨率分別為±0.1℃和±0.1%rh，采用單總線傳輸機(jī)制，在一條總線上即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，實(shí)際應(yīng)用中接5 kΩ的上拉電阻，與無(wú)線傳輸模塊的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)同步傳輸，每次傳輸數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為40 bit，通訊時(shí)間為5 ms，較短的通訊時(shí)間和占用較少存儲(chǔ)空間的數(shù)據(jù)降低了傳感器的功耗。本模塊中DHT21工作電壓為5 VDC，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)CC2430控制P1.2口輸出500 μs的低電平使DHT21從低功耗模式進(jìn)入高速模式，等待P1.2口的觸發(fā)結(jié)束后，發(fā)出一個(gè)80 μs的低電平作為響應(yīng)，隨后再拉高總線80 μs作為即將傳輸數(shù)據(jù)的標(biāo)志傳輸40 bit數(shù)據(jù)，同時(shí)觸發(fā)一次數(shù)據(jù)采集為下次數(shù)據(jù)傳輸做準(zhǔn)備。

2.4 煙霧傳感模塊

煙霧傳感模塊的核心是MQ-2煙霧傳感器，輸入電壓為5 VDC，具有TTL、模擬信號(hào)雙路輸出，當(dāng)檢測(cè)到煙霧濃度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，TTL輸出低電平，模擬信號(hào)在工作時(shí)輸出0～5 V電壓，濃度越高，電壓越大。由于本裝置對(duì)煙霧進(jìn)行定性檢測(cè)，因此采用TTL電平輸出作為煙霧模塊的最終輸出信號(hào)，提供給無(wú)線傳感模塊的P1.3口。

3 軟件算法分析

3.1 總體功能的軟件實(shí)現(xiàn)

CC2430模塊的執(zhí)行軟件是在TI公司IAR7.3B的環(huán)境下開(kāi)發(fā)的具體應(yīng)用程序ZigBee2006協(xié)議棧的基礎(chǔ)上對(duì)應(yīng)用層進(jìn)行開(kāi)發(fā)。ZigBee2007協(xié)議棧與2006互相兼容，具體不同之處是ZigBee2007協(xié)議棧規(guī)定了2套高級(jí)的指令集：分別是ZigBee功能指令集和ZigBee Pro功能命令集，比ZigBee2006更有應(yīng)用前景[8]?？紤]到協(xié)議棧的利用率以及程序運(yùn)行成本，ZigBee2006協(xié)議棧即可完成節(jié)點(diǎn)的全部軟件功能，本節(jié)點(diǎn)的協(xié)議棧使用Zig－Bee2006協(xié)議棧，在協(xié)議棧的作用下，終端節(jié)點(diǎn)以終端的身份啟動(dòng)并加入網(wǎng)絡(luò)后，即開(kāi)始與協(xié)調(diào)器建立綁定。一旦一個(gè)綁定被創(chuàng)建，終端節(jié)點(diǎn)就可以在不需要知道明確的目的地址的情況下發(fā)送數(shù)據(jù)[6]。在協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)中，主要在應(yīng)用層BeginApp_ProcessEvent（）函數(shù)中寫(xiě)入溫濕度檢測(cè)子程序、煙霧探測(cè)子程序以及GPS數(shù)據(jù)處理子程序，以4 s為一周期調(diào)用循環(huán)調(diào)用并由AF_DataRequest（）函數(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送回指揮中心，系統(tǒng)的程序流程圖如圖2所示。

節(jié)點(diǎn)上電后，系統(tǒng)首先關(guān)閉所有中斷，檢查供電電壓，初始化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，運(yùn)行穩(wěn)定后搜尋網(wǎng)絡(luò)并發(fā)送入網(wǎng)申請(qǐng)，入網(wǎng)成功后開(kāi)始周期采集數(shù)據(jù)并發(fā)送到指揮中心，節(jié)點(diǎn)和指揮中心實(shí)行雙向檢測(cè)機(jī)制，節(jié)點(diǎn)定時(shí)檢查自身是否在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，在網(wǎng)內(nèi)時(shí)繼續(xù)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和發(fā)送功能，否則搜尋網(wǎng)絡(luò)并發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，接收到指揮中心搜查指令時(shí)立即予以回應(yīng)以顯示自身在有效的通信鏈接中。

圖2 系統(tǒng)軟件流程圖

3.2 功能模塊算法實(shí)現(xiàn)

3.2.1 GPS模塊算法實(shí)現(xiàn)

GPS模塊的數(shù)據(jù)采集通過(guò)串口中斷的方式實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)格式采用GPRMC格式，采集過(guò)程中根據(jù)數(shù)據(jù)有效位判斷本次采集是否有效，再通過(guò)分離精度數(shù)據(jù)以及緯度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)的精確度調(diào)整至0.01級(jí)后作為本幀數(shù)據(jù)保存，GPS數(shù)據(jù)采集流程圖如圖3所示。

圖3 GPS數(shù)據(jù)采集流程圖

3.2.2 溫濕度傳感模塊算法實(shí)現(xiàn)

溫濕度傳感器數(shù)據(jù)以二進(jìn)制的形式傳輸至無(wú)線傳感模塊，每次讀取40 bit的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括16 bit溫度數(shù)據(jù)，16 bit濕度數(shù)據(jù)以及8 bit校驗(yàn)碼，讀取溫濕度數(shù)據(jù)時(shí)，將溫度數(shù)據(jù)以及濕度數(shù)據(jù)的高8位與低8位分離并取和，具體格式如下：式（1）中：TH_8代表溫度數(shù)據(jù)高8位；TL_8代表溫度數(shù)據(jù)低8位；RH_8代表濕度數(shù)據(jù)高8位；RL_8代表濕度數(shù)據(jù)低8位。

如果式（1）成立，則本次數(shù)據(jù)讀取成功，否則不成功，溫濕度數(shù)據(jù)采集流程圖如圖4所示。

圖4 溫濕度數(shù)據(jù)采集流程圖

4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)論

4.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本實(shí)驗(yàn)在野外進(jìn)行，當(dāng)時(shí)溫度為6℃左右，濕度為30%rh左右，節(jié)點(diǎn)的功能為采集節(jié)點(diǎn)所處位置的溫濕度數(shù)據(jù)、煙霧數(shù)據(jù)以及GPS數(shù)據(jù)并發(fā)送至協(xié)調(diào)器。實(shí)驗(yàn)之前首先在森林中布置好路由裝置以便于節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)搜尋并加入網(wǎng)絡(luò)，然后使節(jié)點(diǎn)上電工作，紅色LED指示燈亮表示入網(wǎng)成功，閃爍表示正在搜尋網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)，綠色LED指示燈閃爍一次表示數(shù)據(jù)成功發(fā)送一次。節(jié)點(diǎn)采集到數(shù)據(jù)后發(fā)送至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過(guò)串口將數(shù)據(jù)顯示在上位機(jī)上，串口的波特率為57600 B/s，依次顯示每幀數(shù)據(jù)，上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的格式如表1所示。

表1 上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

幀頭為55AA，每次接收時(shí)作為每幀數(shù)據(jù)的標(biāo)志，節(jié)點(diǎn)號(hào)是裝置物理地址的最后一個(gè)字節(jié)，溫濕度分別用2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)顯示，例如0×0106的溫度數(shù)據(jù)表示26.2℃，0×0161的濕度數(shù)據(jù)表示35.3%rh；煙霧數(shù)據(jù)用1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)表示，0×00表示有煙霧出現(xiàn)，0×01表示沒(méi)有煙霧出現(xiàn)。GPS數(shù)據(jù)有經(jīng)度和緯度數(shù)據(jù)組成，經(jīng)度緯度各占2字節(jié)，GPS數(shù)據(jù)采用GPRMC格式，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的一一解析，本節(jié)點(diǎn)僅采用節(jié)點(diǎn)所在地的經(jīng)度與緯度，經(jīng)度與緯度均采用16進(jìn)制數(shù)表示。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，電源能夠穩(wěn)定供電，溫濕度傳感模塊、煙霧傳感模塊和GPS定位模塊能夠穩(wěn)定傳輸各項(xiàng)數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示

每幀數(shù)據(jù)有14 bit的長(zhǎng)度，以第一幀數(shù)據(jù)為例，前2個(gè)字節(jié)“55AA”表示幀頭，作為接收新數(shù)據(jù)的標(biāo)志，“27”是節(jié)點(diǎn)自身物理地址的最后一字節(jié)，在多個(gè)節(jié)點(diǎn)安裝過(guò)程中，由于節(jié)點(diǎn)本身的物理地址是唯一的，因此可以由物理地址來(lái)確定節(jié)點(diǎn)的具體身份。在節(jié)點(diǎn)地址寫(xiě)入的過(guò)程中要避免最后一字節(jié)相同的情況發(fā)生?！?000”表示當(dāng)前溫度，由于在測(cè)量時(shí)的數(shù)據(jù)由串口輸出，溫度數(shù)據(jù)的原始值為“0060”，表示當(dāng)前溫度為9.6℃；“4801”表示當(dāng)前濕度，在傳輸時(shí)由串口輸出，濕度的原始值為“0148”，表示當(dāng)前的濕度為32.8%rh；“01”表示當(dāng)前無(wú)煙霧出現(xiàn)，第9幀數(shù)據(jù)中“00”表示有煙霧出現(xiàn)；“3F0F”表示當(dāng)前的緯度值，在傳輸時(shí)由串口輸出，原始值為“0F3F”，表示節(jié)點(diǎn)所在位置的緯度值為39°03′；“4E”是“N”的16進(jìn)制ASCⅡ碼，表示北緯；“C52D”為經(jīng)度數(shù)據(jù)，在傳輸時(shí)由串口輸出，原始值為“2DC5”，表示節(jié)點(diǎn)所在位置的經(jīng)度值為117°17′；“45”是“E”的16進(jìn)制ASCⅡ碼，表示東經(jīng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了具有GPS定位的森林火災(zāi)無(wú)線傳感報(bào)警節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，并能將自身的具體位置信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)街笓]中心。這種方法目前還沒(méi)有具體應(yīng)用的先例。隨著技防措施的要求越來(lái)越高，該節(jié)點(diǎn)在森林防火中將發(fā)揮重要作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]李文仲，段朝玉.ZigBee2006無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線定位實(shí)戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[2]張猛，房俊龍.基于zigbee的溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2012，31（2）：32-42.

[3]張培仁，孫力.基于C語(yǔ)言C8051F系列微控制器原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[4]曾小虎，蔣永平，徐杜，等.基于多級(jí)路由的zigbee無(wú)線溫室檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（7）：4361-4364.

[5]呂宏，黃釘勁.基于ZigBee技術(shù)低功耗無(wú)線溫度數(shù)據(jù)采集及傳輸[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2012，31（2）：58-60.

[6]林健，陳壽元.基于ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)森林防火系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].Science&Technology Information，2012（19）：112-113.

[7]謝鋼.GPS原理與接收機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[8]王小強(qiáng)，歐陽(yáng)駿.ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[9]黃盼盼，孫榮霞，王靜.太陽(yáng)能電源在蘭鄭長(zhǎng)管道工程中的應(yīng)用[J].電子測(cè)量技術(shù)，2012，11（2）：250-251.