湖南省常寧市夏聯(lián)完全小學(xué) 李小麗

0 引言

該系統(tǒng)對(duì)偏遠(yuǎn)森林區(qū)域的火警探測(cè)具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值[1-2]。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)無(wú)法覆蓋偏遠(yuǎn)森林地區(qū)，且在森林環(huán)境復(fù)雜，無(wú)線信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸易受干擾，因此，需要研究面向偏遠(yuǎn)森林區(qū)域火警監(jiān)測(cè)的無(wú)線信息傳輸系統(tǒng)。本文提出的是一種基于低成本ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)[3]和遠(yuǎn)程數(shù)傳電臺(tái)混合通信網(wǎng)絡(luò)的森林火情監(jiān)控系統(tǒng)[4-5]，利用ZigBee覆蓋范圍大、自主組網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)在森林區(qū)域形成無(wú)線覆蓋網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)利用遠(yuǎn)程數(shù)傳電臺(tái)將火情傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制中心，解決了偏遠(yuǎn)地區(qū)的遠(yuǎn)距離通信和大區(qū)域無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋問(wèn)題，為偏遠(yuǎn)森林的火情監(jiān)測(cè)提供信息傳輸服務(wù)。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)總體框圖

圖1 所示為一個(gè)基于ZigBee面向偏遠(yuǎn)森林的火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由信息采集模塊、無(wú)線通信和遠(yuǎn)程數(shù)傳模塊、控制中心組成，各部分的功能如下：

（1）信息采集模塊與Zigbee的終端節(jié)點(diǎn)連接在一起，負(fù)責(zé)對(duì)溫度、濕度、煙霧濃度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行信號(hào)采集與編碼。

（2）Zigbee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)由終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，終端節(jié)點(diǎn)與信息采集模塊相連，負(fù)責(zé)將采集到的信息發(fā)送到Zigbee網(wǎng)絡(luò)，中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收各終端節(jié)點(diǎn)傳送過(guò)來(lái)的信息，路由節(jié)點(diǎn)是在終端節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)無(wú)法直接通信時(shí)，充當(dāng)傳輸中繼。Zigbee網(wǎng)絡(luò)還具有自定位功能，可大致確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。

（3）數(shù)傳電臺(tái)與Zigbee的中心節(jié)點(diǎn)連接，中心節(jié)點(diǎn)將收到的所有采集信號(hào)發(fā)射給數(shù)傳電臺(tái)，數(shù)傳電臺(tái)將這些信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)程數(shù)傳電臺(tái)。

（4）遠(yuǎn)程數(shù)傳電臺(tái)將接收到的信號(hào)傳送到控制中心，控制中心對(duì)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分類(lèi)，判斷是否存在火情。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)

節(jié)點(diǎn)部署是ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要內(nèi)容，有效的節(jié)點(diǎn)部署可以實(shí)現(xiàn)用最少的節(jié)點(diǎn)采集到最準(zhǔn)確完整的信息，減少節(jié)點(diǎn)對(duì)冗余信息的處理，節(jié)省節(jié)點(diǎn)的能源損耗。節(jié)點(diǎn)部署方式主要分為隨機(jī)部署和控制部署兩種，隨機(jī)部署主要針對(duì)終端節(jié)點(diǎn)，可以通過(guò)飛機(jī)散播，以實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的大面積覆蓋，散播的Zigbee節(jié)點(diǎn)可以自組網(wǎng)形成傳輸網(wǎng)絡(luò)?？刂撇渴鹬饕槍?duì)路由節(jié)點(diǎn)，由于終端節(jié)點(diǎn)散布不均勻，使得某些區(qū)域的終端節(jié)點(diǎn)形成了相對(duì)獨(dú)立的子網(wǎng)絡(luò)，但無(wú)法與中心節(jié)點(diǎn)建立連接，此時(shí)需要在特定地點(diǎn)布置路由節(jié)點(diǎn)，連接相對(duì)獨(dú)立的Zigbee子網(wǎng)絡(luò)，使其納入整個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

Zigbee的3種節(jié)點(diǎn)都采用CC2530作為主控芯片，芯片以8051為內(nèi)核，五種運(yùn)行模式，5通道DMA、8通道分辨率配置12位ADC、定時(shí)器和21個(gè)通用I/O引腳，功能豐富，外部接口擴(kuò)展性強(qiáng)，且功耗很低，配置一塊面積為10cmx10cm的太陽(yáng)能電池板即可長(zhǎng)時(shí)間工作，很適合作為野外長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)模塊使用。

2.2 遠(yuǎn)程數(shù)傳電臺(tái)

數(shù)傳電臺(tái)由本地發(fā)射和遠(yuǎn)程接收兩個(gè)數(shù)傳電臺(tái)構(gòu)成，本地?cái)?shù)傳電臺(tái)通過(guò)橋接模塊與Zigbee中心節(jié)點(diǎn)連接，遠(yuǎn)程數(shù)傳電臺(tái)與控制中心的計(jì)算機(jī)連接。橋接模塊由單片機(jī)充當(dāng)，該模塊與Zigbee中心節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口協(xié)議進(jìn)行通信，并將Zigbee中心節(jié)點(diǎn)傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到堆棧中。橋接模塊與數(shù)傳電臺(tái)也是以串口連接，并將堆棧中暫存的數(shù)據(jù)按照先入先出的規(guī)則，逐個(gè)發(fā)送給數(shù)傳電臺(tái)，并發(fā)送給遠(yuǎn)程電臺(tái)。

圖2 遠(yuǎn)程數(shù)傳電臺(tái)

橋接模塊使用的單片機(jī)為STC12C5A60S2單片機(jī)，此單片機(jī)為雙串口雙向通信，對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存和轉(zhuǎn)發(fā)，使數(shù)據(jù)更加可靠安全的進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。系統(tǒng)中使用的數(shù)傳電臺(tái)為高速型433M無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)E32-DTU-1W型號(hào)，是采用數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)字調(diào)制解調(diào)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)，具有前向糾錯(cuò)、均衡軟判決等功能。電臺(tái)采用LoRa擴(kuò)頻技術(shù)，提供透明RS232接口，傳輸速率19.2Kbps，收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間小于10ms。

2.3 控制中心

控制中心接收由終端節(jié)點(diǎn)采集得到的溫度、濕度、煙霧等定量化監(jiān)測(cè)信息，結(jié)合終端節(jié)點(diǎn)本身的位置坐標(biāo)，對(duì)被監(jiān)測(cè)區(qū)域的潛在火情進(jìn)行分析，并將分析的數(shù)據(jù)疊加到衛(wèi)星地圖上，使火警信息一目了然，以便于指揮人員實(shí)時(shí)掌控全局信息。

圖3 控制中心的人機(jī)交互軟件界面

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee和數(shù)傳電臺(tái)混合通信網(wǎng)絡(luò)的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括通過(guò)無(wú)線通信連接的終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、中心節(jié)點(diǎn)和控制中心，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)森林里的溫度、濕度、煙霧濃度等環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)森林的火情的多參數(shù)監(jiān)測(cè)，具有很大的實(shí)用價(jià)值。另外，本系統(tǒng)具有良好的拓展性，可在偏遠(yuǎn)地區(qū)的水文、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮作用。

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