基于ZigBee的森林火災監(jiān)測設計

摘要：為了監(jiān)測森林火險因于和著火點，并及時預防和消滅火災，提出了基于ZigBee的森林火災監(jiān)測系統(tǒng)設計，系統(tǒng)由信息采集、無線收發(fā)、火災監(jiān)控功能模塊組成。系統(tǒng)采用煙霧傳感器、溫濕度傳感器、風力傳感器采集各林區(qū)的環(huán)境參數(shù)信息，基于JN5139無線微控制器實現(xiàn)無線通信功能，并對傳感器采集的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)進行處理和分析，監(jiān)控中心根據(jù)分析結果實現(xiàn)火險預報、火情監(jiān)測、應急預案功能。基于ZigBee的森林火災監(jiān)測系統(tǒng)可以實時監(jiān)測林區(qū)環(huán)境參數(shù)信息，從而及時地預防森林火災的發(fā)生或高效地實施火災救援工作。
關鍵詞：Zigbee；森林火災；傳感器；JN513

    森林是林木、伴生植物、動物及其與環(huán)境的綜合體。它是地球上的凈化庫、基因庫、碳貯庫、蓄水庫和能源庫，對維系整個地球的生態(tài)平衡起著至關重要的作用，是人類賴以生存和發(fā)展的資源和環(huán)境，具有經(jīng)濟、生態(tài)和社會三大效益。但是由于異常自然或非法人為因素，森林會發(fā)生一些火災，森林火災是一種突發(fā)性強，破壞性大，處置救助較為困難的自然災害，如果森林發(fā)生火災，將會對林木、生命財產、生態(tài)系統(tǒng)、社會造成嚴重的危害。森林火災監(jiān)測是森林防火的重要基礎。目前，我國森林防火主要采用人工巡邏的方式，由于森林面積大，及時、準確地發(fā)現(xiàn)火源存在一定的難度。
    針對森林火災監(jiān)測的重要性和不足之處，本文提出基于ZigBee無線傳感網(wǎng)技術設計森林火災監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實時采集林區(qū)的相關環(huán)境參數(shù)，為相關部門預警和滅火提供重要的決策依據(jù)。

1 森林火災監(jiān)測系統(tǒng)總體設計
    在森林火災監(jiān)測中，林中空氣的溫度和濕度會影響可燃物物理性質，它們是森林火險變化的重要指標，是火災監(jiān)測的重要參數(shù)。當有林火發(fā)生時，林中的煙霧濃度和風向是火災蔓延的重要因素。因此，溫度、濕度、風向與風速、煙霧濃度是森林火災監(jiān)測的關鍵參數(shù)，森林火災監(jiān)測系統(tǒng)需要實時采集森林中各個位置的這些環(huán)境參數(shù)，并將這些參數(shù)值傳輸?shù)奖O(jiān)控中心進行處理，就可以發(fā)現(xiàn)火災易發(fā)或已發(fā)區(qū)域，從而及時地消滅火災。森林是一個高密度樹木區(qū)域，樹木的分布具有距離短、面積廣、隨機的特性，本文提出采用基于ZigBee技術的無線傳感器網(wǎng)絡對森林火災進行監(jiān)控。ZigBee是一種低成本，低功耗、近距離、低復雜度、自組織的無線組網(wǎng)通訊技術。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡，與現(xiàn)有的有線系統(tǒng)相比，ZigBee無線解決方案的優(yōu)勢在于靈活的安裝布置、低廉的安裝費用、耗能低、可靠性高，因此基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡適用于森林火災實時監(jiān)測。
1．1 森林火災監(jiān)測系統(tǒng)結構
    在森林火災監(jiān)測系統(tǒng)中，需要進行信息采集、處理、傳輸，控制結果輸出執(zhí)行等操作。傳感器節(jié)點是構成無線傳感器網(wǎng)的基本要素，具有信息采集、信息處理和無線通信功能，它們既是數(shù)據(jù)包傳輸?shù)陌l(fā)起者，也是數(shù)據(jù)包的轉發(fā)者。傳感器節(jié)點被隨機、密集地布設在森林中，各林區(qū)的傳感器節(jié)點自組織成簇，傳感器節(jié)點為簇成員，負責林區(qū)環(huán)境信息的采集。傳感器節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)傳送到簇首節(jié)點，簇首節(jié)點負責對采集簇內信息采集節(jié)點的數(shù)據(jù)融合，然后傳送給匯聚點，匯聚節(jié)點以多跳的方式與各簇首節(jié)點通信，收集各林區(qū)環(huán)境信息，將數(shù)據(jù)送到控制中心，控制中心進行綜合處理，監(jiān)測各林區(qū)火險情況。森林火災監(jiān)測系統(tǒng)結構如圖1所示。

1．2 森林火災監(jiān)測系統(tǒng)功能模塊
    根據(jù)森林火災監(jiān)測系統(tǒng)的需求，無線傳感器節(jié)點實時采集林區(qū)的環(huán)境參數(shù)，監(jiān)控中心根據(jù)采集到的林區(qū)環(huán)境信息進行實時的數(shù)據(jù)分析處理，當發(fā)現(xiàn)有火災情況時，馬上報警通知消防部門，消防部門接到報警信息后，根據(jù)路由表記錄信息確定火災發(fā)生的區(qū)域，再根據(jù)該區(qū)域的溫度、風向、煙霧濃度等參數(shù)確定火災程度，并迅速制定合理的應急方案，進行消防調度處理實施消防救援工作。整個森林火災監(jiān)測系統(tǒng)分為3個功能模塊：信息采集模塊、火災監(jiān)控模塊和無線收發(fā)模塊，森林火災監(jiān)測系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。

    1)信息采集模塊負責對網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點進行定位；并對傳感器節(jié)點采集的環(huán)境參數(shù)進行信號調理、AD轉換等處理。
    2)火災監(jiān)控模塊負責對信息采集模塊采集的環(huán)境參數(shù)進行數(shù)據(jù)處理和分析，根據(jù)處理結果對火險進行預報。如果監(jiān)測到火點，就向林業(yè)管理部門和消防部門發(fā)出警報，并實時監(jiān)測火情，對資源進行合理的調度，制定合趣有效的應急方案，實施應急響應和救援。
    3)無線收發(fā)模塊負責無線傳感器節(jié)點與協(xié)調器進行無線通信。

2 森林火災監(jiān)測系統(tǒng)設計
2．1 系統(tǒng)硬件總體設計
    通過森林火災監(jiān)測系統(tǒng)的結構分析和功能模塊劃分，系統(tǒng)由信息采集處理模塊、微控制器模塊、無線收發(fā)模塊、供電模塊等組成。系統(tǒng)的硬件總體設計如圖3所示。

2．2 信息采集處理模塊
    信息采集模塊由煙霧傳感器、溫濕度傳感器、風力傳感器、傳感器信號調理電路、AD7998單元電路組成。煙霧傳感器是將空氣中的煙霧濃度變量轉換成有一定對應關系的輸出信號的裝置，本文選用SS-668離子型煙霧傳感器探測林區(qū)的煙霧濃度，SS-668適用于安裝在少煙、禁煙場所，用來探測煙霧有無，當一定量煙霧進入SS-668煙霧傳感器的反應腔，傳感器發(fā)出聲光警報，并向采集器輸出告警信號，通過SS-668能夠準確地檢測到煙霧，為火災預防和早期發(fā)現(xiàn)提供幫助。溫濕度傳感器采用溫濕度一體化的SHT10傳感器，SHT10具有數(shù)字式輸出、免調試、免標定、精度高、體積小、能耗低、自動休眠及可完全浸沒水中的特點，其將溫度感測、濕度感測、信號變換、A／D轉換和加熱器等功能集成到一個芯片上；提供二線數(shù)字串行接口SCK和DATA，接口簡單，只需要2個普通的JN5139芯片的I／O口就可以對其進行采集。風力傳感器采用EC9-1型高動態(tài)性能測風傳感器，EC9-1由風向傳感器、風速傳感器和傳感器支架組成，風速傳感器的軸上吊有磁性圓盤，用霍爾開關器件將軸的轉速轉換成電信號，其輸出信號頻率與風速的大小成正比，風向傳感器的軸帶動一個七位格雷碼盤，應用紅外發(fā)光二極管和光電三極管組成變換電路將風向變換成7位格雷碼，EC9-1具有動態(tài)性能好，線性精度高，靈敏度高，測量范圍寬，抗風強度大等特點。傳感器信號調理電路將傳感器采集的模擬信號進行放大、濾波、緩沖或定標等處理，使其適合于模／數(shù)轉換器(ADC)的輸入。AD7998是8通道，12bit，低功耗的模數(shù)轉換器，具有兼容I2C的接口，它將傳感器采集的模擬信號進行數(shù)字化，然后通過I2C總線傳送給微控制器JIN5139。
2．3 無線微控制器JFN5139
    系統(tǒng)采用Jennic公司生產的符合ZigBee技術的芯片JN5139，JN5139是低成本低功耗無線微控制器，它是能使使用者在最短的時間內、以最低的成本實現(xiàn)IEEE802．15．4或ZigBee等應用的無線通信模塊。JN5139集成了16 MHz 32 bit的RISC處理器，配置有2．4 GHz頻段的IEEE80 2．15．4標準的無線收發(fā)器，192 kB的ROM，96 kB的RAM，模塊提供了開發(fā)無線傳感器網(wǎng)絡所需要的豐富的外圍器件和接口(GPIO、SPI、UAR T、I2C等)，為外接各種傳感器和控制電路提供了便利。內置的ROM存儲集成了多種豐富的軟件協(xié)議棧，可以根據(jù)應用需求，靈活選擇802．1 5.4、ZigBee、jenNet、ATZJenie、6LoWPAN等多種網(wǎng)絡協(xié)議棧，方便快速地組建星形、樹狀、網(wǎng)狀網(wǎng)絡等。芯片集成了MAC和AES硬件編碼加速器，節(jié)省功耗的休眠模式，安全鍵的機制和程序加密。所有以上的強大特征都集成于單一芯片，可以降低功耗，提高穩(wěn)定性，減小體積。  JN5139芯片沒有集成程序存儲器，故本系統(tǒng)采用芯片自帶SPI接口外擴程序存儲器，程序存儲器采用2 Mbit串行閃存M25P20，該芯片集成標準的4線SPI總線和最大50 MHz數(shù)據(jù)傳輸時鐘，通過SPI接口將M25P20連接至JN5139上來讀寫片上數(shù)據(jù)。UART單元主要由Max232及其輔助電路構成，用于微控制器的編程與程序升級。聲光報警電路主要負責林區(qū)環(huán)境參數(shù)超標火險因子較高或發(fā)現(xiàn)著火點時發(fā)出報警信息。
2．4 供電模塊
    JN5139的工作電壓是2．7～3．6 V，溫濕度傳感器SHT10的工作電壓是2．4～5．5 V，風力傳感器EC9-1的供電電壓為5～12 V，煙霧傳感器SS-668的供電電壓為12 V，A／D轉換芯片AD7998正常工作電平為3．3 V，為移動方便和減少換電池的次數(shù)系統(tǒng)采用12 V的蓄電池供電，通過開關穩(wěn)壓器件ASM1117-5．0將12 V轉變成5 V給風力傳感器供電，5 V電壓經(jīng)過ASM1117-3．3轉換成3．3 V電壓，給主芯片JN5139和溫濕度傳感器供電。
    由于森林面積大，環(huán)境惡劣，所以電池不方便經(jīng)常更換，而普通電池不能長時間為系統(tǒng)供電，因此，系統(tǒng)采用太陽能供電單元，該單元由太陽能電池板、充電控制器和蓄電池組組成。充電控制器的基本作用是為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓，快速、平穩(wěn)、高效的為蓄電池充電，并在充電過程中減少損耗、盡量延長蓄電池的使用壽命；同時保護蓄電池，避免過充電和過放電現(xiàn)象的發(fā)生。

3 結論
    提出了一種基于ZigBee的森林火災監(jiān)測系統(tǒng)設計，采用煙霧傳感器、溫濕度傳感器、風力傳感器采集各林區(qū)的環(huán)境參數(shù)，基于JN5139無線微控制器實現(xiàn)無線通信，并對采集數(shù)據(jù)進行處理與分析，當火險因子超標時，監(jiān)控中心進行火災預報；當發(fā)現(xiàn)著火點時，監(jiān)控中心進行火災報警和火情監(jiān)測，并制定應急預案?；赯igBee的森林火災監(jiān)測系統(tǒng)可以根據(jù)實時采集到林區(qū)環(huán)境參數(shù)信息監(jiān)澍森林火災情況，從而及時地預防森林火災的發(fā)生或高效地實施火災救援工作，保護生態(tài)環(huán)境，保障人民的財產和生命安全。