基于ZigBee和ARM技術(shù)的森林火情監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：介紹了基一種基于ZigBee和ARM技術(shù)的無線森林火情監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)合上位機(jī)數(shù)據(jù)處理中心的框架，采取Zig Bee和短波無線通信方案，融合了傳感器網(wǎng)絡(luò)、ARM等工控技術(shù)，實現(xiàn)了森林環(huán)境參數(shù)采集和傳輸。在系統(tǒng)的總體框架下，重點(diǎn)分析了ZigBee組網(wǎng)的的設(shè)計方案，包括軟件設(shè)計和硬件設(shè)計。最后，對節(jié)點(diǎn)性能和整個監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了測試，證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和其數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br /> 關(guān)鍵詞：ARM；ZigBee；短波；無線通信

    森林在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，然而，森林火災(zāi)會給森林帶來嚴(yán)重危害。但是，人類在制服森林火災(zāi)上，卻依然尚未取得突破性的進(jìn)展，于是在火災(zāi)還在萌芽狀態(tài)立即撲滅它就顯得尤為重要。因此推廣森林火情監(jiān)測系統(tǒng)具有非常中的價值和意義。
    森林火情監(jiān)控系統(tǒng)利用預(yù)設(shè)在森里中的各種不同功能的傳感器節(jié)點(diǎn)采集各類森里環(huán)境參數(shù)，傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，利用信息管理軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、顯示、分析處理等操作，對異常情況進(jìn)行預(yù)測和報警。
    目前，我國還有部分的森林火情監(jiān)控還采用興建瞭望塔、建立視頻監(jiān)控等方式。因為森林火災(zāi)經(jīng)常發(fā)生在人煙罕至的原始森林中，因此上述方式存在著諸多不足。鑒于此，提出了一種基于ZigBee+短波無線通信的森林火情監(jiān)控系統(tǒng)。ZigBee是一種近距離通信技術(shù)，適合傳感器節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)要求；短波作為一種遠(yuǎn)距離無線通信技術(shù)，在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方面有著獨(dú)到的優(yōu)勢。以上二者的優(yōu)勢互補(bǔ)，在森里火情監(jiān)測系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 通信系統(tǒng)總體設(shè)計方案
    整個系統(tǒng)由3部分構(gòu)成，如圖1所示。

    1)ZigBee網(wǎng)絡(luò)該網(wǎng)絡(luò)中的ZigBee模塊按功能不同，可分為End-Node和Coor-Node。End，是一種帶有傳感器的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，采集并無線發(fā)送森林環(huán)境信息；Coor-Node的組成，用途。在單個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，所有的End-Node和Coor-Node節(jié)點(diǎn)按照ZigBee協(xié)議組成星型網(wǎng)絡(luò)。
    2)中繼節(jié)點(diǎn)一個帶有為控制器的網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點(diǎn)，具有短波和ZigBee兩種協(xié)議數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換能力，ZigBee模塊部分接受ZigBee網(wǎng)絡(luò)采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后，通過短波數(shù)傳電臺傳送送遠(yuǎn)程上位機(jī)監(jiān)控中心，同時通過短波數(shù)傳電臺也能夠從上位機(jī)獲得各種控制和設(shè)置指令，并把這些指令傳送到ZigBee網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)對對監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置。
    3)上位機(jī)監(jiān)控中心 上位機(jī)端，電臺將接收到的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并數(shù)據(jù)由串口輸入上位機(jī)的管理軟件中，從而實現(xiàn)整個監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)置和森林環(huán)境參數(shù)的顯示、查詢、存儲等功能。
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2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    系統(tǒng)硬件設(shè)計有ZigBee網(wǎng)絡(luò)的End-Node和Coot-Node節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)3部分組成。End節(jié)點(diǎn)采用XBee PRO 900XSC模塊作為無線收發(fā)模塊，Coot-Node節(jié)點(diǎn)采用ARM7+XBee PRO 900 XSC+Pt-205模塊構(gòu)成。中繼節(jié)點(diǎn)采用Pt-205模塊短波傳輸模塊。以下分析Coor-Node節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計方案。Coor-Node節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計框圖如圖2所示。

    Coor-Node處在系統(tǒng)的中間層，既要與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，又要與通過數(shù)傳電臺與上位機(jī)監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，這就要求其具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力?；诖丝紤]，本設(shè)計方案選用了ST公司的STM32F103C8作為微控制器。STM32F103C8是基于一個實時仿真和跟蹤的32位CortexTM-M3 core CPU的微控制器，并帶有64 kB嵌入的高速Flash存儲器。采用48腳封裝、極低的功耗，多個32位定時器，2路12位的ADC、1個CAN總線以及多達(dá)7個的外部中斷。
    數(shù)傳電臺模塊選用FY602型號的數(shù)傳電臺，載頻433MHz ISM頻段，無需申請頻段，接口速率和信道速率可達(dá)到38 400 bps。干擾性強(qiáng)，接收靈敏度高，應(yīng)用廣泛。
    ZigBee模塊DIGI公司推出的新型XBP24-BWIT-004．250 kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。1 600 M的通信距離，支持AT和API命令集，工作頻段為868／915 MHz。特別適合遠(yuǎn)距離的組網(wǎng)要求。
    考慮到具體的硬件電路圖設(shè)計比較繁雜，在此給出Coor-Node的節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計框圖，STM32F103C8是數(shù)傳電臺和ZigBee模塊的中間層，通過兩個串口分別連接數(shù)傳電臺和ZigBee，作為模擬電臺數(shù)據(jù)和ZigBee數(shù)據(jù)的交互層，通過對其軟件進(jìn)行編程，實現(xiàn)兩種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化。
    系統(tǒng)硬件設(shè)計主要以STM32F103C8為中心設(shè)計其外圍電路，包括電源電路設(shè)計、時鐘電路設(shè)計、復(fù)位電路設(shè)計，存儲電路設(shè)計和接口電路設(shè)計等方面。
    在Coor-Node電路板上因很多芯片的工作電壓和電流不同，因此電源部分的設(shè)計非常關(guān)鍵。整個系統(tǒng)有外部的12 V的太陽蓄電池供電，而TM32F103C8的工作電壓為1．8 V，I／O工作電壓為3．3 V，數(shù)傳電臺的工作電壓為4．5～5．5 V，ZigBee模塊的供電電壓為3．3 V，因此選擇LM2576-5．0，MIC29302及AMS1117系列的電壓轉(zhuǎn)換芯片，得到各芯片相應(yīng)的工作電壓。電源部分的設(shè)計思想如圖3所示。

    相對電源部分，時鐘電路和硬件復(fù)位電路的設(shè)計相對簡單，時鐘晶振采用12 MHZ的外部晶振電路，硬件復(fù)位電路采用MAX813復(fù)位芯片實現(xiàn)。由于TM32F103C8只具有64KB的片內(nèi)Flash存儲器和20 kB的SRAM，只能夠滿足系統(tǒng)的基本需求，有考慮到ZigBee子節(jié)點(diǎn)地址等相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)的存儲問題，所以外擴(kuò)了一塊8 MB的Flash和以一塊32 k的Sram62256。
    在外圍設(shè)備接口電路方面，由于TM32F103C8和數(shù)傳電臺以及ZigBee模塊均為串口連接，在電路設(shè)計方面簡單可靠。TM32F103C8的程序燒寫方式采用在系統(tǒng)(ISP)，采用ST的ISP軟件，設(shè)置完芯片的啟動模式為system memory，即可通過串口和ISP軟件來下載Bin文件。程序下載板主要由一塊美信公司MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成。其能夠?qū)C串口標(biāo)準(zhǔn)(RS232)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為TM32F103C8串口TTL標(biāo)準(zhǔn)。
    相比TM32F103C8，由于數(shù)傳電臺和XBee都是模塊的封裝，其外圍電路設(shè)計比較簡單。Xbee模塊的串口與TM32F103C8的串口0直接連接。數(shù)傳電臺的串口與TM32F103C8的串口1直接連接。另外，在實際應(yīng)用中，為了增加系統(tǒng)可視化，在硬件電路上增加數(shù)碼管顯示和LED指示燈，可通過數(shù)碼管和LED的狀態(tài)了解Coor-Node節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況，如與中繼節(jié)點(diǎn)的連接，芯片正常工作，接受和發(fā)送森林環(huán)境參數(shù)等。
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3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    系統(tǒng)軟件設(shè)計分為4部分：XBee模塊的單片機(jī)軟件編程，Coor-Node的節(jié)點(diǎn)TM32F103C8軟件編程，中繼節(jié)點(diǎn)軟件編程，上位機(jī)管理軟件的設(shè)計。在此只介紹XBee模塊的軟件編程。XBee軟件編程包括采集節(jié)點(diǎn)的XBee模塊上的單片機(jī)編程和Coor-Node節(jié)點(diǎn)的XBee模塊上的單片機(jī)編程。
    Coor-Node節(jié)點(diǎn)的XBee模塊上的單片機(jī)編程。Coor-Node節(jié)點(diǎn)的XBee模塊在構(gòu)建的星型網(wǎng)絡(luò)中作為協(xié)調(diào)器，協(xié)議棧初始化，創(chuàng)建PAN CO-ORDINATOR，選擇PAN ID和Coor-Node的短地址，選擇空閑信道，啟動網(wǎng)絡(luò)，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器軟件流程圖如圖4所示。

    End-Node節(jié)點(diǎn)的XBee模塊的編程，首先協(xié)議棧初始化，然后掃描信道發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器Coor-Node節(jié)點(diǎn)，通過相應(yīng)的信道發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)的請求，一旦Coor-Node節(jié)點(diǎn)接受了該設(shè)備，它將發(fā)送一個16位的短地址給設(shè)備，作為設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中標(biāo)識。
    系統(tǒng)任務(wù)定時進(jìn)行喂狗和向上位機(jī)發(fā)送心跳幀。定時喂狗可以在程序“跑飛”和“死鎖”情況下實現(xiàn)自動復(fù)位：在數(shù)據(jù)上傳間隔時間較長的情況下，定時發(fā)送心跳幀能夠檢測設(shè)備是否正常工作。

4 結(jié)論
    以上提出了一種新的基于ZigBee和ARM的無線森林火情監(jiān)測系統(tǒng)，有機(jī)結(jié)合了ARM高效的處理技術(shù)、短波靈活的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和Zig Bee的低成本、低功耗等特點(diǎn)，經(jīng)實驗表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可靠性強(qiáng)，該系統(tǒng)在森林火情監(jiān)測中有良好的應(yīng)用前景。