面向森林火災(zāi)監(jiān)測的ZigBee和數(shù)傳電臺的混合通信網(wǎng)絡(luò)

湖南省常寧市夏聯(lián)完全小學(xué) 李小麗

0 引言

該系統(tǒng)對偏遠(yuǎn)森林區(qū)域的火警探測具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值[1-2]。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號無法覆蓋偏遠(yuǎn)森林地區(qū)，且在森林環(huán)境復(fù)雜，無線信號遠(yuǎn)程傳輸易受干擾，因此，需要研究面向偏遠(yuǎn)森林區(qū)域火警監(jiān)測的無線信息傳輸系統(tǒng)。本文提出的是一種基于低成本ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)[3]和遠(yuǎn)程數(shù)傳電臺混合通信網(wǎng)絡(luò)的森林火情監(jiān)控系統(tǒng)[4-5]，利用ZigBee覆蓋范圍大、自主組網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)在森林區(qū)域形成無線覆蓋網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)利用遠(yuǎn)程數(shù)傳電臺將火情傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制中心，解決了偏遠(yuǎn)地區(qū)的遠(yuǎn)距離通信和大區(qū)域無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題，為偏遠(yuǎn)森林的火情監(jiān)測提供信息傳輸服務(wù)。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)總體框圖

圖1 所示為一個(gè)基于ZigBee面向偏遠(yuǎn)森林的火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由信息采集模塊、無線通信和遠(yuǎn)程數(shù)傳模塊、控制中心組成，各部分的功能如下：

（1）信息采集模塊與Zigbee的終端節(jié)點(diǎn)連接在一起，負(fù)責(zé)對溫度、濕度、煙霧濃度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行信號采集與編碼。

（2）Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)由終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，終端節(jié)點(diǎn)與信息采集模塊相連，負(fù)責(zé)將采集到的信息發(fā)送到Zigbee網(wǎng)絡(luò)，中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收各終端節(jié)點(diǎn)傳送過來的信息，路由節(jié)點(diǎn)是在終端節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)無法直接通信時(shí)，充當(dāng)傳輸中繼。Zigbee網(wǎng)絡(luò)還具有自定位功能，可大致確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。

（3）數(shù)傳電臺與Zigbee的中心節(jié)點(diǎn)連接，中心節(jié)點(diǎn)將收到的所有采集信號發(fā)射給數(shù)傳電臺，數(shù)傳電臺將這些信號轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)程數(shù)傳電臺。

（4）遠(yuǎn)程數(shù)傳電臺將接收到的信號傳送到控制中心，控制中心對信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分類，判斷是否存在火情。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)

節(jié)點(diǎn)部署是ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要內(nèi)容，有效的節(jié)點(diǎn)部署可以實(shí)現(xiàn)用最少的節(jié)點(diǎn)采集到最準(zhǔn)確完整的信息，減少節(jié)點(diǎn)對冗余信息的處理，節(jié)省節(jié)點(diǎn)的能源損耗。節(jié)點(diǎn)部署方式主要分為隨機(jī)部署和控制部署兩種，隨機(jī)部署主要針對終端節(jié)點(diǎn)，可以通過飛機(jī)散播，以實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的大面積覆蓋，散播的Zigbee節(jié)點(diǎn)可以自組網(wǎng)形成傳輸網(wǎng)絡(luò)?？刂撇渴鹬饕槍β酚晒?jié)點(diǎn)，由于終端節(jié)點(diǎn)散布不均勻，使得某些區(qū)域的終端節(jié)點(diǎn)形成了相對獨(dú)立的子網(wǎng)絡(luò)，但無法與中心節(jié)點(diǎn)建立連接，此時(shí)需要在特定地點(diǎn)布置路由節(jié)點(diǎn)，連接相對獨(dú)立的Zigbee子網(wǎng)絡(luò)，使其納入整個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

Zigbee的3種節(jié)點(diǎn)都采用CC2530作為主控芯片，芯片以8051為內(nèi)核，五種運(yùn)行模式，5通道DMA、8通道分辨率配置12位ADC、定時(shí)器和21個(gè)通用I/O引腳，功能豐富，外部接口擴(kuò)展性強(qiáng)，且功耗很低，配置一塊面積為10cmx10cm的太陽能電池板即可長時(shí)間工作，很適合作為野外長期監(jiān)測模塊使用。

2.2 遠(yuǎn)程數(shù)傳電臺

數(shù)傳電臺由本地發(fā)射和遠(yuǎn)程接收兩個(gè)數(shù)傳電臺構(gòu)成，本地?cái)?shù)傳電臺通過橋接模塊與Zigbee中心節(jié)點(diǎn)連接，遠(yuǎn)程數(shù)傳電臺與控制中心的計(jì)算機(jī)連接。橋接模塊由單片機(jī)充當(dāng)，該模塊與Zigbee中心節(jié)點(diǎn)通過串口協(xié)議進(jìn)行通信，并將Zigbee中心節(jié)點(diǎn)傳輸過來的數(shù)據(jù)存儲到堆棧中。橋接模塊與數(shù)傳電臺也是以串口連接，并將堆棧中暫存的數(shù)據(jù)按照先入先出的規(guī)則，逐個(gè)發(fā)送給數(shù)傳電臺，并發(fā)送給遠(yuǎn)程電臺。

圖2 遠(yuǎn)程數(shù)傳電臺

橋接模塊使用的單片機(jī)為STC12C5A60S2單片機(jī)，此單片機(jī)為雙串口雙向通信，對ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存和轉(zhuǎn)發(fā)，使數(shù)據(jù)更加可靠安全的進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。系統(tǒng)中使用的數(shù)傳電臺為高速型433M無線數(shù)傳電臺E32-DTU-1W型號，是采用數(shù)字信號處理、數(shù)字調(diào)制解調(diào)的無線數(shù)據(jù)傳輸電臺，具有前向糾錯(cuò)、均衡軟判決等功能。電臺采用LoRa擴(kuò)頻技術(shù)，提供透明RS232接口，傳輸速率19.2Kbps，收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間小于10ms。

2.3 控制中心

控制中心接收由終端節(jié)點(diǎn)采集得到的溫度、濕度、煙霧等定量化監(jiān)測信息，結(jié)合終端節(jié)點(diǎn)本身的位置坐標(biāo)，對被監(jiān)測區(qū)域的潛在火情進(jìn)行分析，并將分析的數(shù)據(jù)疊加到衛(wèi)星地圖上，使火警信息一目了然，以便于指揮人員實(shí)時(shí)掌控全局信息。

圖3 控制中心的人機(jī)交互軟件界面

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee和數(shù)傳電臺混合通信網(wǎng)絡(luò)的森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，包括通過無線通信連接的終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、中心節(jié)點(diǎn)和控制中心，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測森林里的溫度、濕度、煙霧濃度等環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對森林的火情的多參數(shù)監(jiān)測，具有很大的實(shí)用價(jià)值。另外，本系統(tǒng)具有良好的拓展性，可在偏遠(yuǎn)地區(qū)的水文、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域發(fā)揮作用。

[1]朱玉軍.森林火災(zāi)危險(xiǎn)性分析與防火建議[J].消防科學(xué)與技術(shù),2017(6):867-870.

[2]閆德民,李慶閣.我國森林火災(zāi)監(jiān)測體系現(xiàn)狀及展望[J].森林防火,2017(3):27-30,54.

[3]葛廣英,葛菁,趙云龍. ZigBee原理、實(shí)踐及應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社,2015.

[4]石柳,曲永志.基于SI4464的數(shù)傳電臺傳輸設(shè)備設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].通訊世界,2017(12):38-39.

[5]李紅斌,王濤.基于PLC和數(shù)傳電臺的集輸站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2013(4):10-11.