基于Zigbee的森林火災(zāi)預(yù)警防控系統(tǒng)研究

韓美林，周佩 ，劉磊

（1.商洛學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，陜西商洛 726000；2.商洛市氣象局，陜西商洛 726000）

由于森林的占地面積較大，人力檢測(cè)很難實(shí)現(xiàn)，加上森林火災(zāi)破壞性較大，傳統(tǒng)監(jiān)控更不能進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用為監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)提供了有效地解決方案。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在森林參數(shù)測(cè)量方面發(fā)揮著突出的優(yōu)勢(shì)，大大減少了許多附加因素的干擾，能夠極大地提高森林火災(zāi)等自然災(zāi)害的預(yù)警能力[1]。森林火災(zāi)通常受溫度、相對(duì)空氣濕度和煙霧濃度等因素影響[2]。因此本文主要研究通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)森林火災(zāi)因子的數(shù)據(jù)收集反饋來(lái)檢測(cè)是否發(fā)生火災(zāi)。該設(shè)計(jì)分為硬件與軟件兩部分設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)是在IAR軟件上進(jìn)行硬件程序下載與驅(qū)動(dòng)，將程序燒入裝有CC2530芯片的協(xié)調(diào)器中，實(shí)現(xiàn)DHT11的測(cè)量，MQ-2測(cè)試煙霧濃度的功能；軟件設(shè)計(jì)主要是通過(guò)無(wú)線傳感通過(guò)串口傳輸將協(xié)調(diào)器上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X端或者手機(jī)軟件上[3]。實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)能夠完成對(duì)相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)的檢測(cè)，并通無(wú)線通信成功傳輸數(shù)據(jù)，可以把這一系統(tǒng)應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)森林場(chǎng)景中去，提高森林火災(zāi)預(yù)警能力。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體框圖

基于Zigbee的森林火災(zāi)預(yù)警防控系統(tǒng)整體框圖如圖1所示，主要分為三個(gè)模塊：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)。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（包括溫濕度、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)將匯聚的各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息通過(guò)者互聯(lián)網(wǎng)傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[4]。通過(guò)Zigbee建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)收發(fā)，通過(guò)串口輸出，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在電腦端顯示。

1.2 節(jié)點(diǎn)部署

常見(jiàn)的節(jié)點(diǎn)部署方式主要有兩種：隨機(jī)部署和控制部署。隨機(jī)部署隨機(jī)選取節(jié)點(diǎn)，適合于節(jié)點(diǎn)耗材價(jià)位較低且難以對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控的惡劣環(huán)境下。

圖1 Zigbee的森林火災(zāi)預(yù)警防控系統(tǒng)整體框圖

控制部署的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)預(yù)先確定，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。六邊形網(wǎng)格控制部署，具有有效利用面積大、所用節(jié)點(diǎn)最少等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文采用六邊形的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制部署技術(shù)[5]，無(wú)線傳感器六邊形網(wǎng)格控制的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 六邊形網(wǎng)格控制的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括兩部分：終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。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)信息傳送至用戶終端或控制中心。為了降低終端節(jié)點(diǎn)多跳的能耗、減輕單個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的負(fù)擔(dān)、保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本系統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)采用多協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)建立Zigbee無(wú)線網(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)，實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)收發(fā)，通過(guò)串口輸出，將數(shù)據(jù)顯示在電腦端[6]。

2 Zigbee芯片及傳感器模塊設(shè)計(jì)

常用的無(wú)線傳輸技術(shù)比較如表1所示，森林火災(zāi)預(yù)警防控系統(tǒng)除了要滿足實(shí)時(shí)性和可靠性的要求，考慮到系統(tǒng)還要在森林內(nèi)布置大量節(jié)點(diǎn)和在林內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，因此設(shè)計(jì)中還必須考慮成本和節(jié)能問(wèn)題[7]。綜合比較幾種無(wú)線傳輸方式，本系統(tǒng)采用Zigbee傳輸方式。

表1 幾種無(wú)線傳輸方式的比較

本次芯片選取的是CC2530單片機(jī)，不僅是支持IEEE 802.15.4協(xié)議，而且還能與8051完全兼容。CC2530芯片底層電路如圖3所示。

圖3 CC2530芯片底層電路

從圖3中可以看出，CC2530擁有很多外部接口資源，可以承載很多傳感器設(shè)備，電路底層設(shè)計(jì)有2個(gè)晶振時(shí)鐘，還可以提供2種常用的時(shí)鐘信號(hào)[8]。

2.1 溫濕度模塊設(shè)計(jì)

引起森林火災(zāi)的因素有很多，溫度是必不可少的因素之一，尤其是在地形復(fù)雜，茂密的叢林中。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)森林中溫濕度數(shù)據(jù)的采集，本設(shè)計(jì)選擇DHT11型號(hào)的溫濕度傳感器。

2.2 煙霧濃度模塊設(shè)計(jì)

森林火災(zāi)發(fā)生往往伴隨著濃濃的煙霧，本文采用的煙霧濃度傳感器MQ-2可以檢測(cè)多種可燃性氣體，且探測(cè)的范圍廣泛。當(dāng)待測(cè)環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，隨著可燃?xì)怏w濃度的增加，傳感器的電導(dǎo)率增加，護(hù)林人員就可以直接通過(guò)指示燈變化進(jìn)行火災(zāi)預(yù)防相關(guān)工作安排[9]。

3 Zigbee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

Zigbee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)包含四層，其中每一層為上一層提供特定的服務(wù)[10]。協(xié)議體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 Zigbee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試以及結(jié)果分析

4.1 溫濕度采集

首先通過(guò)DHT11對(duì)溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后利用終端節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸輸送到協(xié)調(diào)器，最后通過(guò)串口顯示工具可以看到周圍環(huán)境的溫濕度變化[11]。

程序運(yùn)行結(jié)果串口工具顯示如圖5所示。

4.2 煙霧濃度采集

通過(guò)MQ-2煙霧濃度傳感器進(jìn)行采集，模擬火災(zāi)發(fā)生時(shí)的煙霧，從而得出實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的結(jié)果。空氣濃度正常時(shí)MQ-2指示燈為綠色，當(dāng)煙霧濃度超過(guò)設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)濃度時(shí)，指示燈將會(huì)變成紅色。

圖5 程序運(yùn)行結(jié)果串口工具顯示

5 終端界面設(shè)計(jì)

5.1 串口通信協(xié)議

本設(shè)計(jì)利用串口通信建立森林火災(zāi)終端與監(jiān)視端節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系，串口通信是將傳感器在林中檢測(cè)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，通過(guò)串口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。這個(gè)協(xié)議用于Zigbee模塊的管理工具編寫，Zigbee模塊的管理工具和Zigbee之間數(shù)據(jù)交互[12]。Zigbee管理系統(tǒng)通信模塊如圖6所示。

圖6 Zigbee管理系統(tǒng)通信圖

5.2 Zigbee管理模塊

Zigbee管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)界面如圖7所示，該界面顯示有四個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，本文采用了其中一個(gè)終端進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，護(hù)林人員可以實(shí)時(shí)觀察到監(jiān)測(cè)界面的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)判斷以及做出反應(yīng)。如圖7所示，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以從圖7中得到溫度，濕度，煙霧濃度等對(duì)森林火災(zāi)發(fā)生的重要因素。

利用Zigbee管理系統(tǒng)的同一終端，對(duì)同一環(huán)境持續(xù)采集24 h內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)，溫濕度曲線如圖8所示，由圖8可知，護(hù)林人員應(yīng)格外注意13:00～16:00時(shí)間段，此時(shí)間段內(nèi)林內(nèi)濕度低且溫度高，火災(zāi)極易發(fā)生。即一旦出現(xiàn)煙霧報(bào)警則需考慮火情的存在與防災(zāi)措施準(zhǔn)備工作。

6 結(jié)論

引起森林火災(zāi)的發(fā)生的關(guān)鍵因素是溫度、濕度和煙霧濃度，本文通過(guò)Zigbee建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)收發(fā)，通過(guò)串口輸出，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在電腦端顯示。實(shí)驗(yàn)表明，可以在Zigbee管理界面觀察到溫濕度等火災(zāi)發(fā)生時(shí)重要的參數(shù)數(shù)據(jù)，在一定程度上可以相對(duì)精確預(yù)防和有效地提高森林火災(zāi)預(yù)警能力。由于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和測(cè)試過(guò)程都是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行的，還需進(jìn)一步完善和發(fā)展這一系統(tǒng)，最終能夠把這一系統(tǒng)應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)森林場(chǎng)景中去。

圖7 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)界面實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8 時(shí)間對(duì)林內(nèi)溫濕度的影響