基于ZigBee的森林防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（湖南工商大學(xué)，湖南長沙市，410000）黃 和 吳望龍 葉紫妮 張 慧 何 靜

本森林防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中將ZigBee這一通信技術(shù)引入進(jìn)來，從而建立了一個(gè)基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的森林防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在森林中人工來散布節(jié)點(diǎn),這些節(jié)點(diǎn)又通過自組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò),以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中所需要的信息,將有關(guān)被測(cè)量的參數(shù)實(shí)時(shí)的發(fā)送給計(jì)算機(jī)，而這些計(jì)算機(jī)處于監(jiān)測(cè)中心中,可以集中對(duì)測(cè)量的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并和該地區(qū)正常的氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,由此就可以判斷森林火災(zāi)是否具有發(fā)生的條件和可能，并且為有關(guān)的部門采取相應(yīng)的決策,進(jìn)行防火和滅火提供了充分依據(jù)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)

從國內(nèi)來看，我國當(dāng)前大部分氣象部門所發(fā)布的森林火災(zāi)險(xiǎn)情預(yù)報(bào)，以及些許地方發(fā)布的森林火災(zāi)險(xiǎn)情預(yù)報(bào)都存在具體位置定位較抽象、時(shí)效性偏低等問題,對(duì)于實(shí)際的森林防火而言不是特別理想。從全球的角度看，當(dāng)今世界上所存在的諸如加拿大通過衛(wèi)星來巡回監(jiān)測(cè)的森林防火系統(tǒng)；美國常用的護(hù)林飛機(jī)；或是我國的365森林防火系統(tǒng)，都存在消耗費(fèi)用高這一個(gè)共同的不足之處，要將其推廣用于森林防火不太現(xiàn)實(shí)。從整體角度來看,將ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)成傳感網(wǎng)絡(luò)，就能較好的綜合解決這些問題。

2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括上位機(jī)軟件程序、ZigBee協(xié)調(diào)器傳輸、ZigBee網(wǎng)關(guān)傳輸、ZigBee終端節(jié)點(diǎn)檢測(cè)傳輸四大模塊。如圖1所示。

圖1 軟件分塊

2.1 上位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件程序的設(shè)計(jì)，首先要上電進(jìn)行初始化，接著要設(shè)置為相關(guān)的通信做好準(zhǔn)備，要選擇合適的信道，判斷是否有新的終端節(jié)點(diǎn)要加入進(jìn)來，或者負(fù)責(zé)傳輸?shù)男畔⑹欠駝h除了終端節(jié)點(diǎn)。在接受到信息后，要發(fā)送一個(gè)確認(rèn)的信號(hào)，即為終端節(jié)點(diǎn)已經(jīng)收到了信息。然后系統(tǒng)就可以進(jìn)入休眠狀態(tài)。如果所有節(jié)點(diǎn)的設(shè)置狀態(tài)需要改變的話，可以向終端發(fā)送對(duì)應(yīng)的指令，這樣就可以改變系統(tǒng)的工作狀態(tài)，而節(jié)點(diǎn)在收到信息后會(huì)進(jìn)行改變，其中包括節(jié)點(diǎn)會(huì)刪除設(shè)置信息，完成這一系列操作后系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)。

2.2 ZigBee協(xié)調(diào)器傳輸程序

本設(shè)計(jì)中協(xié)調(diào)器的功能是負(fù)責(zé)建立一個(gè)全新的網(wǎng)絡(luò)，讓終端的設(shè)備或者路由器并入到整體網(wǎng)絡(luò)中并接收傳輸過來的溫濕度數(shù)據(jù)，再將這些數(shù)據(jù)通過串口傳送給上位機(jī)。

2.3 ZigBee網(wǎng)關(guān)傳輸程序

網(wǎng)關(guān)的功能是當(dāng)終端的節(jié)點(diǎn)不能和協(xié)調(diào)器進(jìn)行雙向通信時(shí)，可將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，利用網(wǎng)關(guān)再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器進(jìn)行處理。

2.4 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)檢測(cè)傳輸程序

本設(shè)計(jì)中終端設(shè)備的功能是控制DHT11溫濕度傳感器測(cè)量當(dāng)前環(huán)境的溫濕度的數(shù)據(jù)，煙霧傳感器測(cè)量得到煙霧的濃度，所有的節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后將所測(cè)所有數(shù)據(jù)通過路由器傳輸給協(xié)調(diào)器。

3 硬件電路總體設(shè)計(jì)

基于ZigBee的森林防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本工作原理為：散布在森林中的各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的采集，主要采集溫濕度及煙霧濃度等數(shù)據(jù)。之后各終端設(shè)備通過路由器將所采集數(shù)據(jù)傳輸至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器與上位機(jī)直接通信，通過串口將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，上位機(jī)收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行軟件分析處理并作出決策。

該系統(tǒng)的基本工作原理圖如圖2所示，系統(tǒng)主要由四部分組成，分別為終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)。本系統(tǒng)使用ZigBee協(xié)議來組建通信網(wǎng)絡(luò)，通過CC2530單片機(jī)和CC2591射頻前端來組建終端節(jié)點(diǎn)，采集信號(hào)的處理及數(shù)據(jù)傳輸由CC2530完成，通過射頻前端來擴(kuò)大數(shù)據(jù)的傳輸范圍。協(xié)調(diào)器的功能為收集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并通過串口與相連的上位機(jī)進(jìn)行串行通信，將所采集到的監(jiān)控信息傳送給上位機(jī)。

圖2 系統(tǒng)基本工作原理圖

4 結(jié)語

要想把森林火災(zāi)控制住，不僅需要依靠人為手段，同時(shí)還要依靠科技手段，兩者結(jié)合能產(chǎn)生更好的效果。本設(shè)計(jì)將ZigBee這一無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入到森林防火監(jiān)測(cè)中來，建立森林防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要在森林中由人工散布節(jié)點(diǎn),這些節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò),以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中所需要的信息,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意地點(diǎn)信息在任意時(shí)間的采集、處理、傳輸與分析。