基于Zigbee與GPRS技術的森林火災遠程監(jiān)測

張成研+蘇建歡+覃偉年+吳建勇

【摘 要】森林火災監(jiān)測系統(tǒng)受到環(huán)境和地理位置的影響，存在通信數(shù)據(jù)線布線復雜和監(jiān)測設備成本較高的問題。設計一種基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡和GPRS技術的森林火災監(jiān)測系統(tǒng)，利用Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡進行區(qū)域環(huán)境數(shù)據(jù)采集，CC2530與GTM900C組成遠程數(shù)據(jù)傳輸模塊，傳輸森林環(huán)境數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)具有終端設備體積小、低成本、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點。

【關鍵詞】Zigbee；GPRS；森林火災監(jiān)測

0 引言

森林火災發(fā)生呈現(xiàn)突發(fā)性強、蔓延快等特點，直接威脅森林安全，給森林資源帶來巨大破壞，因此，森林火災的防治工作一直是各國關注的重點。

目前，主流的森林火災監(jiān)測系統(tǒng)主要分為三種類型：衛(wèi)星監(jiān)測、視頻監(jiān)測和人工巡防。衛(wèi)星監(jiān)測主要依賴氣象衛(wèi)星監(jiān)測技術，對林區(qū)的氣象信息進行監(jiān)測，通過氣象信息和衛(wèi)星云圖鎖定火災發(fā)生區(qū)域，這種技術主要是針對偏遠地區(qū)森林，工作人員難以深入林區(qū)；視頻監(jiān)測是通過搭建視頻監(jiān)測云臺對林區(qū)進行監(jiān)測，適用于平原地區(qū)森林，這種技術往往對網(wǎng)絡通信的要求較高，必須配置專用網(wǎng)線通信和紅外攝像儀，其通信成本和云臺搭建費用都很高；人工巡防則是在相對落后地區(qū)，利用眺望塔來對森林實時監(jiān)測，憑借人工經(jīng)驗來判斷火災。

這些常用的監(jiān)測技術存在成本較高、設備體積大等缺點，復雜的森林環(huán)境還會增加布線成本。新興的無線傳感器技術可以彌補這一缺點，Zigbee無線通信技術免除了布線費用，節(jié)約成本，另外Zigbee模塊具有功耗低、設備體積小等特點。本文設計并實現(xiàn)了Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡森林火災監(jiān)測系統(tǒng)，以GPRS作為遠程通信方式，實驗表明，能夠穩(wěn)定進行遠程通信，實時監(jiān)測森林環(huán)境信息。這種將PAN網(wǎng)絡和GSM公用網(wǎng)絡相融合的數(shù)據(jù)采集通信方式具有覆蓋范圍大、穩(wěn)定性強、精度高和應用環(huán)境廣泛的優(yōu)勢[1]。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)的總體設計框圖如圖1。從網(wǎng)絡上來看，系統(tǒng)由Zigbee網(wǎng)絡和GPRS網(wǎng)絡組成。從硬件上來看，系統(tǒng)由終端傳感器節(jié)點、路由節(jié)點、中心節(jié)點、上位機四個部分組成。

系統(tǒng)主要以Zigbee技術和GPRS技術為核心，利用無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量多、搭載傳感器多的特點，又融合GPRS技術覆蓋范圍大并且可以遠程通信，彌補了Zigbee只能短距離通信的弱點[2]。

2 各個智能節(jié)點設計

2.1 硬件設計

系統(tǒng)硬件主要分兩種類型：終端采集節(jié)點和路由節(jié)點都具有數(shù)據(jù)采集功能，在硬件設計上采用同樣的電路設計；協(xié)調(diào)器主要負責連接GPRS模塊進行遠程通信。由于協(xié)調(diào)器的主要進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，不需要配備傳感器來加重控制芯片負擔。

終端節(jié)點和路由節(jié)點的主控芯片采用由美國德州儀器公司生產(chǎn)的CC2530，單個CC2530芯片上集成有Zigbee射頻收發(fā)器核心和一顆高性能8051控制器。CC2530片上資源豐富，只需要很少外圍部件配合就能完成信號收發(fā)[3]。傳感器采用數(shù)字溫濕度傳感器DHT11和煙霧傳感器MQ-2，DHT11是常用的單總線傳感器，數(shù)據(jù)的傳輸和控制命令的寫入都是通過一根數(shù)據(jù)線完成，能夠同時完成對環(huán)境溫濕度的采集任務，DHT11數(shù)據(jù)線接入CC2530的P0.7引腳。MQ-2是煙霧傳感器，其傳輸?shù)氖悄M信號，接入CC2530的P0.6引腳，通過CC2530內(nèi)部的模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。圖2是終端節(jié)點和路由節(jié)點的硬件設計圖。

協(xié)調(diào)器的硬件設計也是基于終端節(jié)點設計，根據(jù)其自身功能，增加GPRS模塊，GPRS模塊采用華為公司最新生產(chǎn)的GTM900C芯片。協(xié)調(diào)器只負責Zigbee組網(wǎng)和數(shù)據(jù)GPRS傳輸，其硬件設計如圖3，GPRS模塊接入CC2530的UART0接口。許多設計都采用ARM作為網(wǎng)關控制芯片，而在本系統(tǒng)中顯示和處理功能由上位機完成，所以控制芯片可以直接利用CC2530，能夠進一步減小成本、控制硬件設備體積。

2.2 軟件設計

CC2530采用Z-stack協(xié)議棧作為Zigbee的通信協(xié)議，該協(xié)議棧已經(jīng)配備完善的物理層網(wǎng)絡層等等，只需要對其應用層進行開發(fā)，大大縮短系統(tǒng)開發(fā)周期。

軟件設計主要是終端設備上采集發(fā)送程序和協(xié)調(diào)器上的GPRS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)程序。路由節(jié)點在編譯過程中定義為路由，自動開啟路由功能。

Z-stack協(xié)議棧工作原理是輪詢制度，終端設備的采集發(fā)送程序需加載在周期發(fā)送事件，具體步驟如下：

（1）注冊發(fā)送事件#define TESTAPP_SEND_MSG_EVT 0x0002

（2）在初始化下定義DHT11接入口為輸入模式，對MQ-2數(shù)據(jù)接口配置AD轉(zhuǎn)換參數(shù)。

P0SEL &= 0x7f； //P0_7配置成通用IO

P0SEL &= ～0x40； //設置P0.6為普通IO口

P0DIR &= ～0x40； //P0.6定義為輸入口

ADCIF = 0；ADCCON3 = （0x40 | HAL_ADC_DEC_064 | HAL_ADC _CHANNEL_6）；

（3）定時發(fā)送事件。osal_start_timerEx（TestApp_TaskID， TESTAPP _SEND_MSG_EVT，TESTAPP_SEND_MSG_TIMEOUT ）；

（4）進入發(fā)生事件對應的處理程序。在處理程序中完成對傳感器數(shù)據(jù)讀取，數(shù)據(jù)存入和發(fā)送。AF_DataRequest（）函數(shù)進行發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器0x0000。ReadGasData（）和DHT11（）用戶定義傳感器數(shù)據(jù)讀取程序。

協(xié)調(diào)器與GPRS模塊采用串口通信，需要配置串口波特率等信息，GPRS模塊的連接3G網(wǎng)絡是通過AT指令進行，必須要對GPRS模塊初始化連接網(wǎng)絡。下面是具體程序流程：

（1）注冊#define GPRS_INTI_EVENT 0x0001為GPRS初始化事件；

（2）若設備為協(xié)調(diào)器則觸發(fā)GPRS初始化事件。if （ （TestApp_NwkState == DEV_ZB_COORD） osal_set_event（TestApp_TaskID，GPRS_INTI_EVENT）；

（3）GPRS初始化的AT指令流程圖4[4]。

（4）完成初始化后，對接收到的終端節(jié)點數(shù)據(jù)進行串口輸出到GPRS模塊，遠程傳輸?shù)奖O(jiān)測中心。

HalUARTWrite（0，"AT%IPSEND=＼""，11）；HalUARTWrite（0，pkt->cmd.Data，pkt->cmd.DataLength）；HalUARTWrite（0，"＼"＼x0D＼x0A"，3）；

3 遠程監(jiān)測中心測試

3.1 上位機軟件總設計

上位機作為整個系統(tǒng)頂層，必須完成通信、數(shù)據(jù)存儲、火情分析、報警響應功能，具體上位機軟件結(jié)構(gòu)如圖5。

上位機通過Socket通信技術來接收協(xié)調(diào)器通過GPRS傳來的數(shù)據(jù)，串口通信連接GPRS模塊用于火災報警短信自動發(fā)送。數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)方便查詢歷史記錄。報警程序分析環(huán)境數(shù)據(jù)判定是否報警。

3.2 Socket通信測試

上位機軟件測試如圖6所示，協(xié)調(diào)器能夠自動完成GPRS初始化連接到遠程上位機，能夠?qū)崟r顯示數(shù)據(jù)，并且自動繪制溫度曲線圖，顯示各個節(jié)點狀態(tài)。整個連接是通過TCP通信協(xié)議，遠程上位機作為服務端，協(xié)調(diào)器作為客戶端，顯示客戶端的IP地址和連接情況。

3.3 火災報警測試

在設置火災報警參數(shù)后，對每個節(jié)點傳來數(shù)據(jù)進行分析，判斷是否超過報警值，如果達到報警的要求，則會在報警記錄欄記錄火災節(jié)點和報警原因。圖7 是報警界面。

3.4 歷史數(shù)據(jù)查詢測試

通過Socket接收的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)幀下的內(nèi)容進行識別，保存到數(shù)據(jù)庫下環(huán)境監(jiān)測表。上位機ADO插件對數(shù)據(jù)查詢，可以查閱歷史數(shù)據(jù)。圖8是數(shù)據(jù)查詢測試圖。

4 結(jié)論

本森林火災報警系統(tǒng)采用Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡和GPRS數(shù)據(jù)傳輸技術，利用VS2010平臺，搭建上位機軟件平臺，快速地進行數(shù)據(jù)顯示，能夠查詢歷史數(shù)據(jù)，及時火災報警。終端采用CC2530為核心的終端設備，具有體積小、成本低的優(yōu)勢，安裝方便，節(jié)省綜合成本。進一步設計可以增加多個Zigbee區(qū)域網(wǎng)絡，可以實現(xiàn)大范圍監(jiān)測。初步測試結(jié)果表明，該方案各項基本功能基本實現(xiàn)，通信可靠。能夠應用樓宇、倉庫、社區(qū)等地區(qū)的火災報警系統(tǒng)，具有廣泛的市場前景。

【參考文獻】

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[2]張永梅，王凱峰，馬禮，楊沖.基于ZigBee和GPRS的嵌入式遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設計[J].計算機科學，2012，06：222-225+234.

[3]劉科峰，鄧秀勤，劉志煌.基于ZigBee的多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術，2014，14：81-83+87.

[4]張成研.基于ZigBee與GPRS的通信網(wǎng)關設計[J].企業(yè)技術開發(fā)，2015，10：24-25+33.

[5]鄧小蕾，李民贊，武佳，車艷雙，鄭立華.集成GPRS、GPS、ZigBee的土壤水分移動監(jiān)測系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2012，09：130-135.

[責任編輯：楊玉潔]