摘  要： 為實(shí)現(xiàn)低成本森林遠(yuǎn)程火災(zāi)自動報警，設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee,、GPRS和太陽能光伏的森林火災(zāi)監(jiān)控報警系統(tǒng),。以CC2430為節(jié)點(diǎn)控制傳感器采集圖像和數(shù)據(jù)，本地通信時,，數(shù)據(jù)通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)整片森林之間的通信,，ZigBee節(jié)點(diǎn)間采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)方式；遠(yuǎn)程通信時,，協(xié)調(diào)器將處理好的數(shù)據(jù)通過GPRS技術(shù)傳到監(jiān)控中心以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和存儲等,；出現(xiàn)異常情況時，監(jiān)控中心開啟自動報警系統(tǒng),。系統(tǒng)采用太陽能供電,，節(jié)約能源、減少布線,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，該系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確監(jiān)控遠(yuǎn)程實(shí)時狀況，并控制遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)器,，實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)控,、報警功能,，具有廣泛的應(yīng)用前景,。
關(guān)鍵詞： ZigBee,；CC2430；太陽能,；GPRS,；森林火災(zāi)

　森林具有維護(hù)生物的多樣性、維護(hù)自然界的生態(tài)平衡的作用,，是人類寶貴的自然財(cái)富,。每年全球森林覆蓋率銳減，森林火災(zāi)是最大的災(zāi)害[1],。目前,，森林火災(zāi)報警系統(tǒng)采用人工防護(hù)、視頻監(jiān)控和衛(wèi)星遙感,，人工防護(hù)在偏遠(yuǎn)地區(qū)可行性較低,；視頻監(jiān)控系統(tǒng)成本較高、數(shù)據(jù)冗余率大,；衛(wèi)星遙感施工復(fù)雜,、成本高。多數(shù)系統(tǒng)的傳輸采用有線,、Wi-Fi,、CDMA、GPRS和新興的3G技術(shù)[2-3],。在實(shí)際運(yùn)用過程中,，有線系統(tǒng)布線困難；在偏遠(yuǎn)地區(qū)和惡劣的環(huán)境,，這些技術(shù)建立的系統(tǒng)實(shí)時性,、可靠性降低，受到環(huán)境因素的制約,，且用戶需要承擔(dān)費(fèi)用,，一旦基站出現(xiàn)故障，則整個網(wǎng)絡(luò)陷于癱瘓,。
　ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以很好地解決以上弊端,。ZigBee是符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，具有組網(wǎng)靈活,、免執(zhí)照,、低功耗、低成本,、時延短,、安全可靠等特點(diǎn)的新興通信技術(shù)，理論上能提供250 kb/s的傳輸速率[4]，它不依靠任何基站和基礎(chǔ)建設(shè)設(shè)備,。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程森林火災(zāi)監(jiān)控,，本文開發(fā)出一套基于ZigBee、GPRS和太陽能的森林火災(zāi)報警系統(tǒng),，該系統(tǒng)能測定著火位置,，能連續(xù)記錄林火發(fā)生、發(fā)展并自動報警,。
1 系統(tǒng)架構(gòu)
　本系統(tǒng)包括ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò),、監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)采集和傳輸4部分,，其中,，遠(yuǎn)程傳輸包括GPRS和Internet模塊，如圖1所示,。

　ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)可將整片森林各個地方的系統(tǒng)組成一個互相通信的網(wǎng)絡(luò),。為確保網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性，系統(tǒng)采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式,。該網(wǎng)絡(luò)包含協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),、路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)與監(jiān)控中心的通信和接收路由器節(jié)點(diǎn),、終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),；路由器節(jié)點(diǎn)可采集數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；終端節(jié)點(diǎn)只接收數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù),，不能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),，但相對其他節(jié)點(diǎn)的功耗更低，故系統(tǒng)中只有邊緣不需要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)配置為終端節(jié)點(diǎn),。
　監(jiān)控中心由裝有監(jiān)控軟件,、Internet和連接GPRS1的計(jì)算機(jī)組成。監(jiān)控中心通過GPRS與協(xié)調(diào)器通信,。設(shè)計(jì)的監(jiān)控中心具有移動性,，首先由GPRS1獲取服務(wù)器的IP并通過SMS方式發(fā)送至GPRS2，GPRS2根據(jù)獲取的IP和端口號連接到服務(wù)器,，實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器的連接,。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 路由節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)
　數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的硬件系統(tǒng)包括圖像采集模塊、電源模塊,、傳感數(shù)據(jù)采集模塊,、控制器及基本外圍電路，如圖2所示,。選用TI公司生產(chǎn)的CC2430為控制器,，該芯片內(nèi)置ZigBee射頻前端,、內(nèi)存和微控制器[5]，專門用于IEEE 802.15.4和ZigBee應(yīng)用程序,，且只需簡單的外圍電路即可工作,。內(nèi)置溫度傳感器和電壓傳感器，檢測系統(tǒng)的工作環(huán)境,。電源模塊為系統(tǒng)提供電源并最大限度降低系統(tǒng)功耗,。串口攝像頭采集圖像,，采用標(biāo)準(zhǔn)JPEG圖像壓縮算法壓縮圖像數(shù)據(jù),。控制器通過RS-232控制攝像頭,。

2.2 電源模塊
　由于森林面積大,、地形復(fù)雜，有線供電難以實(shí)施,，同時為節(jié)約能源,，該系統(tǒng)采用太陽能供電。該模塊由太陽能電池板,、蓄電池,、防雷擊電路、太陽能電池板和蓄電池的防反接電路組成,。太陽能電池板通過保險絲,、防反接二極管和壓敏電阻保護(hù)后級電路，同時在蓄電池電壓輸出之前加兩片保護(hù)二極管,，以防止瞬間高壓破壞蓄電池,。一旦檢測到蓄電池電壓不足以給系統(tǒng)供電時，啟動備用電池供電,。電源模塊的硬件框圖如圖3所示,。

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊
　煙霧采集選用MQ-2氣敏元件，CO檢測采用MQ-7傳感器,，均是表面離子式N型半導(dǎo)體,，電阻隨著煙霧或CO濃度的增大而減小，故輸出電壓隨著濃度的增大而增大,。為了減小信號的損失和增強(qiáng)電壓的穩(wěn)定性,，傳感器的輸出電壓經(jīng)過電壓跟隨器后輸入CC2430的A/D采樣端。
　溫濕度傳感器是具有I2C總線接口的SHT10,，輸出的數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)據(jù)處理為實(shí)時溫濕度數(shù)據(jù),。火焰采集選用紅外火焰探測器,，可檢測波長在760 nm～1 100 nm范圍內(nèi)的熱源,，探測角度可達(dá)60°,，紅外火焰探頭將外界紅外光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，用比較器設(shè)定閾值,，輸出高低電平,，快速檢測火源。
2.4 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)
　協(xié)調(diào)器的硬件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊,、GPRS模塊,、電源模塊、控制器及基本外圍電路,，如圖4所示,。GPRS選用華為GTM900-C模塊，并通過串口與協(xié)調(diào)器通信,；ZigBee協(xié)調(diào)器通過AT指令控制GPRS模塊,。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 協(xié)調(diào)器的軟件流程
　圖5為協(xié)調(diào)器工作的軟件流程。系統(tǒng)初始化后,，協(xié)調(diào)器根據(jù)設(shè)定的信道建立網(wǎng)絡(luò),，并接收新節(jié)點(diǎn)加入該網(wǎng)絡(luò)。ZigBee協(xié)議棧通過輪詢事件執(zhí)行任務(wù),，根據(jù)預(yù)設(shè)的優(yōu)先級處理對應(yīng)事件,。協(xié)調(diào)器的串口工作方式為DMA，比特率為115 200 kb/s,，確保數(shù)據(jù)及時收發(fā),。

　協(xié)調(diào)器啟動GPRS模塊，GPRS模塊與ZigBee的串口通信速率為115 200 kb/s,。協(xié)調(diào)器收到服務(wù)器的命令并判斷系統(tǒng)的工作模式,，確定采集圖像或者采集傳感數(shù)據(jù)，并判斷控制的節(jié)點(diǎn),。為了提高通信數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率,，數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送采用確認(rèn)握手機(jī)制。
3.2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的軟件流程
　數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖6所示,。數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)采用關(guān)聯(lián)的方式加入網(wǎng)絡(luò),，子節(jié)點(diǎn)通過掃描設(shè)定信道搜索它周圍存在的父節(jié)點(diǎn)。若其中一個節(jié)點(diǎn)斷開網(wǎng)絡(luò),，則系統(tǒng)會根據(jù)最短跳數(shù)算法自動尋找最優(yōu)路徑,，并重新加入該網(wǎng)絡(luò)。
　數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)串口配置為中斷方式,，快速響應(yīng)傳感器的數(shù)據(jù),。采集的多參數(shù)傳感數(shù)據(jù)通過A/D采樣后進(jìn)行閾值判斷，超過設(shè)定的閾值則及時將此次數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器并傳送到上位機(jī)告知監(jiān)控人員,；同時啟動圖片傳輸,，采集現(xiàn)場的圖像至監(jiān)控中心,，確保及時告知現(xiàn)場實(shí)時狀況，減少誤報,。與單純的傳感器報警相比,，圖片更直觀準(zhǔn)確；與視頻監(jiān)控相比,，確保準(zhǔn)確的同時更節(jié)約成本,。火情的判斷具有優(yōu)先級,，白天由于太陽光的照射選煙霧為優(yōu)先判斷,；室外的黑夜難以檢測煙霧，選擇火焰為優(yōu)先判斷,，提高檢測的準(zhǔn)確率,。為及時處理大量串口數(shù)據(jù),，設(shè)計(jì)雙緩存串口[6],。CC2430內(nèi)存有限，采取分包傳輸圖片數(shù)據(jù),。為提高圖像的采集速度,，當(dāng)傳輸命令時，該系統(tǒng)選用的比特率為115 200 kb/s,，快速發(fā)送數(shù)據(jù)命令和讀取相應(yīng)的返回參數(shù),；當(dāng)傳輸大量數(shù)據(jù)時，選用的比特率為384 00 kb/s,，使得CPU有更多的時間處理串口數(shù)據(jù),。
3.3 服務(wù)器軟件流程
　監(jiān)控中心對遠(yuǎn)程的現(xiàn)場情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，該平臺是采用Microsoft VC++ 6.0編寫的基于TCP/IP協(xié)議的Socket通信軟件[7],。該系統(tǒng)主要包括5個部分：實(shí)時顯示遠(yuǎn)程圖像的圖像顯示部分,，遠(yuǎn)程控制協(xié)調(diào)器的命令發(fā)送部分，獲取本機(jī)IP和本地端口號的網(wǎng)絡(luò)連接部分,，查詢每一次控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫記錄查詢部分以及開啟聲音報警的異常情況報警部分,。該系統(tǒng)顯示的數(shù)據(jù)可以是上位機(jī)主動查詢的數(shù)據(jù)，也可以是下位機(jī)根據(jù)傳感器參數(shù)判斷實(shí)時采集傳送的圖像和數(shù)據(jù),。
4 測試與結(jié)果
　圖7為監(jiān)控中心主動查詢遠(yuǎn)程現(xiàn)場狀況的測試結(jié)果,。選擇編號為FFFFFFFFFFFFFF00的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測試，亦可選擇所有的節(jié)點(diǎn),。圖7的圖像大小為320×240,，壓縮后圖像大小約為12 KB~13 KB。將攝像頭和節(jié)點(diǎn)放在模擬實(shí)驗(yàn)室1,。GPRS2和協(xié)調(diào)器連接,，監(jiān)控軟件安裝在已連接公網(wǎng)的模擬實(shí)驗(yàn)室2,，GPRS1通過串口和電腦連接，GPRS1通過短消息的方式將IP和端口號發(fā)送給GPRS2,。點(diǎn)擊主動查詢,，即可收到該節(jié)點(diǎn)傳送的圖像和火災(zāi)類型。發(fā)送信息框可輸入信息并發(fā)送至遠(yuǎn)程控制器,。

　利用ZigBee技術(shù)和太陽能技術(shù)解決環(huán)境惡劣或者人工難以到達(dá)的森林環(huán)境的監(jiān)控問題,，本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于ZigBee的森林火災(zāi)自動監(jiān)控報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要對數(shù)據(jù)采集,、網(wǎng)絡(luò)傳輸,、ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)和服務(wù)器軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式,，某一節(jié)點(diǎn)失效時根據(jù)多跳技術(shù)尋找最優(yōu)路徑重新加入網(wǎng)絡(luò),，提高系統(tǒng)的可靠性。測試結(jié)果表明,，該系統(tǒng)通過采集火災(zāi)發(fā)生時相關(guān)的環(huán)境參數(shù),，情況異常時將現(xiàn)場實(shí)時數(shù)據(jù)和圖片發(fā)送至監(jiān)控中心，當(dāng)危險等級較高時,，在有條件的地方啟動自動消防系統(tǒng),，組成自動報警滅火系統(tǒng)。這樣在發(fā)生火災(zāi)時,，監(jiān)控中心能根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)的地址第一時間知道火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)和火災(zāi)的情況,，大大減少了報警延時，尤其適用將火災(zāi)撲滅在萌芽狀態(tài)下,，減少甚至消除火災(zāi)的發(fā)生,。同時，根據(jù)歷史記錄和地理位置等信息可合理分配消防資源,，減少因不了解報警的森林區(qū)域與現(xiàn)場情況而導(dǎo)致消防資源調(diào)配和組織不合理而產(chǎn)生不必要的損失,。
　該系統(tǒng)用戶界面友好，不僅可以實(shí)時顯示下位機(jī)發(fā)送的圖片和數(shù)據(jù),，而且可根據(jù)需要主動查詢具體位置的現(xiàn)場情況并顯示,。系統(tǒng)采用太陽能電源供電，節(jié)約能源,、減少布線,，尤其是在惡劣環(huán)境下，該系統(tǒng)具有傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢,。通過更改相應(yīng)的傳感參數(shù)可將系統(tǒng)應(yīng)用于油田,、電力、井下等環(huán)境惡劣的場合,，具有廣泛的應(yīng)用前景,。
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