基于ZigBee PRO的森林火灾预警监测系统设计
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摘 要： 提出基于无线传感器网络技术（zigbee pro）的森林火险实时监测系统的设计方案，设计了一种基于TI公司的CC2531和Sensirion公司的传感器芯片SHT10的森林火灾预警监测系统，并对该系统的硬件、软件设计原理进行了分析。着重强调利用CC2531自带的USB 2.0通用串行接口，通过HID类设备自定义，实现了ZigBee网关和森林火险监控上位机之间的通信。与传统的串口通信方式相比，大大提高了数据传输的速率，有利于实时、大数据量的数据传输和采集。
关键词： ZigBee PRO； CC2531； 森林火灾； 实时监测； USB 2.0； HID
中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）01?0020?04
0 引 言
所谓森林火灾，主要指的是发生在野外森林中的、人类力量难以挽回且不断向外蔓延的、对森林生态环境和人类生存造成威胁的着火现象。由于森林环境特殊，其火灾的发生具有突发性，且灾后灭火工程巨大，造成的破坏明显。鉴于我国国土面积大、各地地形存在明显差别，气候条件也大有不同，加之人口较多、各地人口分布不均等原因，导致森林火灾发生的比较频繁。又因为国家对此缺少严格的监督，森林火灾一旦发生必将给我国的经济带来极大损失[1?2]。
森林防火是我国防灾减灾的一个重要组成部分，其中如何预防火灾的发生，在火灾初期及时发现火情是森林防火的关键。通过近年来对森林火灾发展过程的研究，人们发现林火发生前，一些环境参数如：环境温度、相对湿度、降水量会随着外部环境的变化而持续变化，当积累到一定阈值，才可能引发林火。因此，如果能够对林区的环境参数做到实时、准确地监测，无疑能够及时发现火灾隐患，从而极大地提高火险报警的主动性和准确性。
最近几年，信息技术快速更新，物联网如一匹黑马势头猛劲。而物联网中最关键的技术是无线传感器网络ZigBee，它是建立在IEEE 802.15.4标准基础上的一种通信范本。该通信协议具有自动组网、成本低、功耗低、通信协议简单、可靠性强等特点，在远程数据监控领域具有不可比拟的优势。目前其最新标准是ZigBee 2007，该标准定义了ZigBee和ZigBee PRO的两个特性集[3?5]。ZigBee 2007/PRO和ZigBee比较起来，需要在技术方面做出下面的调整让其更加完备：
（1） ZigBee 2007/PRO是更加适用于商业和工业级别协议栈；
（2） ZigBee 2007/PRO适用于规模较大的网络（网路容量可以超过1 000个节点）；
（3） ZigBee 2007/PRO调整了路由形式，让路由更加稳定且占用内存更小；
（4） ZigBee 2007/PRO使用了高级跳频技术，供给跳频冲突规避技术，让其具有更好的抗干扰能力；
（5） ZigBee 2007/PRO可以分包传输长数据包；
（6） ZigBee 2007/PRO提供商业级的加密通信。
鉴于ZigBee 2007/PRO具有的相关特点和优势，该技术更适合在大范围复杂环境条件下的数据监测，如大范围农田或林区等。
1 总体设计
森林自然条件多样，气候条件不稳定，范围大同时无线干扰源较少，本系统设计基于较大范围覆盖，降低传感器节点功耗，实现可靠、稳定的信息采集和传输。按照防范森林火灾所需监看的参数特点，本次设计的监测系统整体结构主要由三大部分组成：用于采集温、湿度数据的无线传感器监控节点，采集各节点数据的无线传感器网关节点和监控数据处理中心等，如图1所示。
图1 监测系统总体设计
其中，使用ZigBee PRO网络的终端节点和路由器节点作为森林火险监督网络的监看节点，将其随机分布在林区的被监控区域，用于监测并传输森林火灾预警中的相关参数，包括温度信息、湿度信息以及定位信息等。
此外，在对无线传感器节点的设计上，由于林区环境复杂，监控节点很难获得持续的集中供电，所以提高节点工作的长久持续性是着重考虑的问题。
监测系统收集数据的网关节点部分由ZigBee PRO网络中的协调器以及3G通信模块组成。协调器负责通过聚类路由协议采集各节点的监控数据及位置信息，再通过3G通信模块将数据传输到火灾监控中心。
监控中心把收集好的信息归集起来，经过剖析处理，根据所得到的相关参数，判断林区火灾预警情况和相关位置。
2 硬件设计部分
ZigBee PRO网络中的硬件有以下三种：协调器、路由器以及终端节点等。协调器的别称为网关节点，是整个体系内的关键设施，其主要职能是构建、开启和管理工作体系。在网络建立之初，网关进行网络初始化，主动发送信标帧扫描其他节点，对于新加入网络的节点以随机的形式分配地址，完成建立网络的过程。网络处于工作状态时，网管负责对不同节点的工作状态进行监督，保证数据在节点间可以顺利传输。路由器指的是网络中的中继节点，它具有中继节点和终端双重角色，既可以实现网络中个别节点的路由，又可以作为终端节点进行数据交换。
另外，ZigBee PRO协议栈规定了无线定位算法，可以凭借对RSSI（Received Signal Strength Indication）所做的监督，结合三边定位算法，确定无线传感器中不同节点的位置。
在实际应用中，传感器不同节点所具有的功能是根据编译器分配给不同节点的程序软件来确定的。而三种类型节点的硬件一般在设计时是相同的，这样可以简化系统开发的难度。
在本火灾体系的设置中，无线传感器不同节点的重点硬件部位保持一致，包括ZigBee（SOC）芯片CC2531以及提供相应支持的电路，这些节点均由TI公司提供。针对监看节点，增加了用来收集火灾参数的收集板块，而其主要构成部分包含SHT11温湿度传感器和周边环绕的电路。其中，TI公司的CC2531包括一个高频率的2.4 GHz射频收发器核心，该收发器核心使用DSSS；还涵括一枚高频的专业用8051控制器，此控制器集合了2.4 GHz的RF无线电收发机，其内装置有128位AES，经过加密整理，其条件达到了IEEE 802.15.4的标准。此外，该芯片配置有USB 2.0全速端口，工作电压为3.3 V。因为其具备全速特征，所以必须增加USB的D+信号线上的电阻才能确保工作状态正常。