基于ZigBee的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

摘要：為了監(jiān)測(cè)森林火險(xiǎn)因于和著火點(diǎn)，并及時(shí)預(yù)防和消滅火災(zāi)，提出了基于ZigBee的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)由信息采集、無線收發(fā)、火災(zāi)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(fēng)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(shí)現(xiàn)無線通信功能，并對(duì)傳感器采集的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，監(jiān)控中心根據(jù)分析結(jié)果實(shí)現(xiàn)火險(xiǎn)預(yù)報(bào)、火情監(jiān)測(cè)、應(yīng)急預(yù)案功能。基于ZigBee的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)林區(qū)環(huán)境參數(shù)信息，從而及時(shí)地預(yù)防森林火災(zāi)的發(fā)生或高效地實(shí)施火災(zāi)救援工作。
關(guān)鍵詞：Zigbee；森林火災(zāi)；傳感器；JN513

    森林是林木、伴生植物、動(dòng)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(duì)維系整個(gè)地球的生態(tài)平衡起著至關(guān)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(jì)、生態(tài)和社會(huì)三大效益。但是由于異常自然或非法人為因素，森林會(huì)發(fā)生一些火災(zāi)，森林火災(zāi)是一種突發(fā)性強(qiáng)，破壞性大，處置救助較為困難的自然災(zāi)害，如果森林發(fā)生火災(zāi)，將會(huì)對(duì)林木、生命財(cái)產(chǎn)、生態(tài)系統(tǒng)、社會(huì)造成嚴(yán)重的危害。森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)是森林防火的重要基礎(chǔ)。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(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)火源存在一定的難度。
    針對(duì)森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)的重要性和不足之處，本文提出基于ZigBee無線傳感網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集林區(qū)的相關(guān)環(huán)境參數(shù)，為相關(guān)部門預(yù)警和滅火提供重要的決策依據(jù)。

1 森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    在森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)中，林中空氣的溫度和濕度會(huì)影響可燃物物理性質(zhì)，它們是森林火險(xiǎn)變化的重要指標(biāo)，是火災(zāi)監(jiān)測(cè)的重要參數(shù)。當(dāng)有林火發(fā)生時(shí)，林中的煙霧濃度和風(fēng)向是火災(zāi)蔓延的重要因素。因此，溫度、濕度、風(fēng)向與風(fēng)速、煙霧濃度是森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵參數(shù)，森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)采集森林中各個(gè)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(jìn)行處理，就可以發(fā)現(xiàn)火災(zāi)易發(fā)或已發(fā)區(qū)域，從而及時(shí)地消滅火災(zāi)。森林是一個(gè)高密度樹木區(qū)域，樹木的分布具有距離短、面積廣、隨機(jī)的特性，本文提出采用基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)森林火災(zāi)進(jìn)行監(jiān)控。ZigBee是一種低成本，低功耗、近距離、低復(fù)雜度、自組織的無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，與現(xiàn)有的有線系統(tǒng)相比，ZigBee無線解決方案的優(yōu)勢(shì)在于靈活的安裝布置、低廉的安裝費(fèi)用、耗能低、可靠性高，因此基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)適用于森林火災(zāi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
1．1 森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    在森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，需要進(jìn)行信息采集、處理、傳輸，控制結(jié)果輸出執(zhí)行等操作。傳感器節(jié)點(diǎn)是構(gòu)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(zhuǎn)發(fā)者。傳感器節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)、密集地布設(shè)在森林中，各林區(qū)的傳感器節(jié)點(diǎn)自組織成簇，傳感器節(jié)點(diǎn)為簇成員，負(fù)責(zé)林區(qū)環(huán)境信息的采集。傳感器節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)傳送到簇首節(jié)點(diǎn)，簇首節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)采集簇內(nèi)信息采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)融合，然后傳送給匯聚點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)以多跳的方式與各簇首節(jié)點(diǎn)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(jìn)行綜合處理，監(jiān)測(cè)各林區(qū)火險(xiǎn)情況。森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．2 森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能模塊
    根據(jù)森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求，無線傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)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(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分析處理，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有火災(zāi)情況時(shí)，馬上報(bào)警通知消防部門，消防部門接到報(bào)警信息后，根據(jù)路由表記錄信息確定火災(zāi)發(fā)生的區(qū)域，再根據(jù)該區(qū)域的溫度、風(fēng)向、煙霧濃度等參數(shù)確定火災(zāi)程度，并迅速制定合理的應(yīng)急方案，進(jìn)行消防調(diào)度處理實(shí)施消防救援工作。整個(gè)森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為3個(gè)功能模塊：信息采集模塊、火災(zāi)監(jiān)控模塊和無線收發(fā)模塊，森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。

    1)信息采集模塊負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位；并對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)采集的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換等處理。
    2)火災(zāi)監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)對(duì)信息采集模塊采集的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，根據(jù)處理結(jié)果對(duì)火險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)報(bào)。如果監(jiān)測(cè)到火點(diǎn)，就向林業(yè)管理部門和消防部門發(fā)出警報(bào)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)火情，對(duì)資源進(jìn)行合理的調(diào)度，制定合趣有效的應(yīng)急方案，實(shí)施應(yīng)急響應(yīng)和救援。
    3)無線收發(fā)模塊負(fù)責(zé)無線傳感器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器進(jìn)行無線通信。

2 森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)
    通過森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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(fēng)力傳感器、傳感器信號(hào)調(diào)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(zhuǎn)換成有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系的輸出信號(hào)的裝置，本文選用SS-668離子型煙霧傳感器探測(cè)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(cè)煙霧有無，當(dāng)一定量煙霧進(jìn)入SS-668煙霧傳感器的反應(yīng)腔，傳感器發(fā)出聲光警報(bào)，并向采集器輸出告警信號(hào)，通過SS-668能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)到煙霧，為火災(zāi)預(yù)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(diào)試、免標(biāo)定、精度高、體積小、能耗低、自動(dòng)休眠及可完全浸沒水中的特點(diǎn)，其將溫度感測(cè)、濕度感測(cè)、信號(hào)變換、A／D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個(gè)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(gè)普通的JN5139芯片的I／O口就可以對(duì)其進(jìn)行采集。風(fēng)力傳感器采用EC9-1型高動(dòng)態(tài)性能測(cè)風(fēng)傳感器，EC9-1由風(fēng)向傳感器、風(fēng)速傳感器和傳感器支架組成，風(fēng)速傳感器的軸上吊有磁性圓盤，用霍爾開關(guān)器件將軸的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，其輸出信號(hào)頻率與風(fēng)速的大小成正比，風(fēng)向傳感器的軸帶動(dòng)一個(gè)七位格雷碼盤，應(yīng)用紅外發(fā)光二極管和光電三極管組成變換電路將風(fēng)向變換成7位格雷碼，EC9-1具有動(dòng)態(tài)性能好，線性精度高，靈敏度高，測(cè)量范圍寬，抗風(fēng)強(qiáng)度大等特點(diǎn)。傳感器信號(hào)調(diào)理電路將傳感器采集的模擬信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、緩沖或定標(biāo)等處理，使其適合于模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入。AD7998是8通道，12bit，低功耗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有兼容I2C的接口，它將傳感器采集的模擬信號(hào)進(jìn)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(chǎn)的符合ZigBee技術(shù)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(shí)間內(nèi)、以最低的成本實(shí)現(xiàn)IEEE802．15．4或ZigBee等應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(luò)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(nèi)置的ROM存儲(chǔ)集成了多種豐富的軟件協(xié)議棧，可以根據(jù)應(yīng)用需求，靈活選擇802．1 5.4、ZigBee、jenNet、ATZJenie、6LoWPAN等多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，方便快速地組建星形、樹狀、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)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(jī)制和程序加密。所有以上的強(qiáng)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(chǔ)器，故本系統(tǒng)采用芯片自帶SPI接口外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器，程序存儲(chǔ)器采用2 Mbit串行閃存M25P20，該芯片集成標(biāo)準(zhǔn)的4線SPI總線和最大50 MHz數(shù)據(jù)傳輸時(shí)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(gòu)成，用于微控制器的編程與程序升級(jí)。聲光報(bào)警電路主要負(fù)責(zé)林區(qū)環(huán)境參數(shù)超標(biāo)火險(xiǎn)因子較高或發(fā)現(xiàn)著火點(diǎn)時(shí)發(fā)出報(bào)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(fēng)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(zhuǎn)換芯片AD7998正常工作電平為3．3 V，為移動(dòng)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(guān)穩(wěn)壓器件ASM1117-5．0將12 V轉(zhuǎn)變成5 V給風(fēng)力傳感器供電，5 V電壓經(jīng)過ASM1117-3．3轉(zhuǎn)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(shí)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(shí)保護(hù)蓄電池，避免過充電和過放電現(xiàn)象的發(fā)生。

3 結(jié)論
    提出了一種基于ZigBee的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用煙霧傳感器、溫濕度傳感器、風(fēng)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(shí)現(xiàn)無線通信，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，當(dāng)火險(xiǎn)因子超標(biāo)時(shí)，監(jiān)控中心進(jìn)行火災(zāi)預(yù)報(bào)；當(dāng)發(fā)現(xiàn)著火點(diǎn)時(shí)，監(jiān)控中心進(jìn)行火災(zāi)報(bào)警和火情監(jiān)測(cè)，并制定應(yīng)急預(yù)案。基于ZigBee的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)時(shí)采集到林區(qū)環(huán)境參數(shù)信息監(jiān)澍森林火災(zāi)情況，從而及時(shí)地預(yù)防森林火災(zāi)的發(fā)生或高效地實(shí)施火災(zāi)救援工作，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，保障人民的財(cái)產(chǎn)和生命安全。