森林火災無線監測預警系統的設計與實現

馬宏鋒 李祥林 胡 玫

(蘭州工業高等專科學校電子信息工程系1，甘肅 蘭州 730050;蘭州交通大學電子與信息工程學院2，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

森林是人類賴以生存和社會發展最重要的資源之一，更是地球生態平衡的保護者［1］。由于人為及自然原因，森林火災時有發生。森林火災具有發生面積廣、破壞性大和救助困難等特點，位居破壞森林的三大自然災害之首［2］。目前，森林火災監測主要采用地面巡防、瞪望塔監測和航空巡護等措施［3］，但是難以反映溫度、濕度和大氣壓力等環境及氣象因素動態變化的情況，導致系統實時性較差，監測效果不理想，應用受到限制［4］。

無線傳感網絡能夠工作在868 MHz、915 MHz和2.4 GHz三個頻段，傳輸速率最高達 20 kbit/s、40 kbit/s、250 kbit/s，具有自組織、自適應，以數據為中心，體積小、成本低和監測區域廣的特點，在無人值守的環境監測和災害撲救等特殊領域有巨大的發展前景［5-7］。由于具有較強的數據糾錯能力、合理的組網方式和可靠的傳輸機制，且數據傳輸率較高(可達128 kbit/s)，GPRS網絡迅速成為國內外遠程數據測控系統中解決監控點涉及地域廣、設備布局分散等問題的主流技術［8］。

1 系統結構

在森林火災監測預警系統中，ZigBee模塊與傳感器模塊構成無線傳感網的終端節點，對森林中的濕度、溫度、煙塵等信息進行實時采集。被采集的數據經中心節點轉發，再由GPRS模塊傳送到手機客戶端或Internet，送入Internet中的數據最終被送達防火預警數據庫。監控中心對被測數據進行綜合分析，作出相應的預警處理。系統主要由分布在森林中的進行環境監測數據采集的傳感單元、無線傳感網絡傳輸單元、用于遠程數據傳輸的GPRS、用于遠程數據傳輸/收集/存儲與處理的Internet絡以及用于監測數據顯示的用戶客戶端等五部分組成。系統結構如圖1所示。

圖1 無線預警系統結構Fig.1 Structure of the wireless early warning system

無線傳感網包括中心節點、路由節點和終端節點。終端節點通過多跳方式與路由節點通信，路由節點將信息轉發至中心節點，然后通過遠程數據傳輸單元和GPRS網絡，以短信方式發送到手機終端，或者由GPRS網絡通過無線基站和Internet將數據傳送至監控主機，再由監控主機負責數據的存儲和分析。監控中心將無線傳感網絡采集的實時數據存儲到數據庫，形成森林環境狀況的長期記錄，實現對森林環境存在的火災隱患進行動態分析。當監測數據值達到或超出某個設定的閾值時，可以及時發送信息到手機和監控主機，實現預警功能。系統中每個前端采集點都有獨立的地址編碼，且與地理信息系統中的坐標位置一一對應，一旦發現火情，就可準確上傳火點位置。

2 主要功能模塊設計

2.1 無線傳感網絡節點設計

ZigBee節點由數據采集模塊、信息處理模塊、無線通信模塊和電源模塊四部分組成，是構成無線傳感器網絡的基礎平臺［9］。無線傳感網節點結構如圖2所示。

圖2 無線傳感網節點結構Fig.2 Structure of the nodes in wireless sensor network

ZigBee節點的四部分組成模塊具體介紹如下。

①數據采集模塊由空氣溫度傳感器、大氣相對濕度傳感器和煙霧傳感器組成，主要功能是實時采集各個傳感器數據，通過ZigBee無線網絡傳遞到數據接收系統。溫度傳感器選用DS1820，它具有獨特的單線接口方式，與微處理器連接時僅需要一條信號線即可實現微處理器與DS1820之間的雙向通信。HS1101濕度傳感器具有響應時間快、可靠性高和穩定性好等特點，不需要校準的完全互換性。NIS-09C是離子式煙霧傳感器，屬于低功耗廣普型傳感器，可用9 V電池帶動。

②信息處理模塊的核心芯片是CC2431。它最大的特點在于可以自組網，在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器;在接收和發射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2431的休眠模式和轉換到主動模式的時間超短的特性，特別適合那些對電池壽命要求高的應用。

③能量有限問題是無線傳感器網絡推廣應用面臨的瓶頸之一。因此，電源模塊是無線傳感器節點設計的關鍵部位之一［10］。大規模應用的無線傳感器網絡系統通常要求節點能量供應模塊能從外部能源獲取能量。但由于森林環境的限制，以及考慮到太陽能供電技術的成熟度和造價成本，系統采用高能大容量的堿性電池來提供電能［11］。在系統設計過程中從軟硬件兩方面盡量保證低功耗，以延長系統壽命。

④無線通信模塊中的射頻天線采用TAXPQ2400-3dB橡皮天線。天線小巧(只有5 cm，重量不到20 g)、易安裝，發射頻率典型值為2.4 GHz。

2.2 GPRS 通信模塊

GPRS模塊通過移動通信網絡與上位機服務器監測管理系統交換數據。它通過AT命令進行撥號轉入在線模式，此時通過PPP協議取得一個IP地址，可以連接到Internet。無線傳感網絡采集系統收集到數據后，協調器通過串口將匯聚的數據經過GPRS通信模塊，按TCP/IP協議轉發到Internet，然后由上位機服務器讀取數據并存儲至數據庫中，需要時可供分析處理。GPRS模塊也可對智能手機終端定期發送數據信息。

GPRS模塊主要包括數據處理模塊、通信模塊、模數轉換模塊和顯示模塊四部分。數據處理模塊包含CPU芯片，CPU用于數據處理以及通信模塊、模數轉換模塊和顯示模塊間的數據傳輸。為保證數據不因為斷電而丟失，采用Flash器件對數據進行存儲。GPRS模塊選用DTP-S05Ci，其內核主體是西門子雙頻工業手機模塊，支持EGSM900/GSM1800頻段，內嵌TCP/IP協議，能提供語音、SMS、Fax、GPRS 等多種通信方式。

3 無線傳感網絡拓撲結構

傳統的無線傳感網組網方案是將節點隨機地放置在需要進行監控的地點，各個節點對自己的覆蓋區域進行數據采集，并將數據傳送給匯聚節點［12］。這種自組網的網絡存在以下兩個缺點:①各個節點均采集本地信息進行發送，造成網絡中需要傳輸的信息量過大，在匯聚結點進行數據接收時會產生強烈的數據沖突，導致整個網絡的吞吐量下降;②節點在進行數據采集后，會向匯聚結點進行數據傳送，離匯聚節點近的節點因數據采集和轉發的任務最重，能量消耗也最大。如果匯聚節點附近節點數因隨機放置而過少，且網絡中傳輸的數據量大，則節點會因能量過早耗盡而導致整個網絡的通信中斷［13］。

結合森林火災監測的特點，改進自組網的分布無線傳感網拓撲結構如圖3所示。它是在分布式基礎上實現傳感器節點的分簇置放，是一個基于分簇結構的兩層無線傳感網絡組成的分布式系統［14］。

圖3 網絡拓撲圖Fig.3 Network topology

基于分簇結構的兩層無線傳感網絡由大量的無線傳感器節點和匯聚節點構成，具有分布式處理能力。它根據無線傳感器節點間距離的遠近，將網絡劃分成簇，簇由相互靠近的無線傳感器節點組成。簇首就是分布式處理中心即無線傳感器網絡的一個匯聚節點，它負責收集和協調簇內節點的數據，沒有能量的限制。通信網絡底層子系統由低數據率、低傳輸范圍和能量受限的傳感器節點組成;中上層子系統由高數據率、大傳輸范圍和沒有能量限制的一、二級簇首節點組成。二級簇首將底層傳感器節點上傳的數據進行簡單的融合后傳送給上層的一級簇首，或將上層簇首發來的控制中心命令發送給節點。一級簇首對接收到的本地二級簇首傳來的數據進行簡單處理并上傳主控節點，或將上層主控節點收到的監控中心命令向下發送。主控節點和傳感器節點之間通過ZigBee技術實現無線的信息交換，帶有射頻收發器的無線傳感器節點負責數據的采集和處理，然后傳送給簇首節點;控制中心通過GPRS網絡獲取采集到的相關信息，實現對現場的有效控制和管理。

4 軟件設計

ZigBee無線傳感器網絡設備上的軟件主要由嵌入式操作系統、ZigBee協議棧和應用程序組成。嵌入式操作系統內核提供簡單高效的任務調動、中斷處理和時間隊列管理等功能，同時還包括所有硬件的底層驅動。應用程序包括串口通信、射頻通信和信號強度檢測等模塊。采用模塊化設計的協議棧，使得整個系統層次清楚、擴展性好，有利于ZigBee技術的二次開發。

4.1 服務器監測管理系統設計

服務器端數據存儲系統由My SQL數據庫服務器平臺和基于Web的數據管理與應用系統組成，其中應用系統負責偵聽服務器的指定端口，判斷并識別數據采集終端發出的TCP Socket連接請求。基于Web的數據管理與應用系統采用JSP動態網頁技術，用戶只要通過客戶端瀏覽器即可訪問此Web應用程序。授權用戶登錄訪問時自動讀取My SQL數據庫的相關數據，實現數據的實時顯示、歷史查詢、數據下載和數據分析等綜合功能。手機客戶端采用JavaME技術開發嵌入式移動應用系統，將預警信息及時反饋至智能手機。

4.2 協調器軟件設計

協調器上電初始化后，首先主動建立一個網絡等待節點加入，在節點加入后對節點分配網絡地址，以及收集和發送節點傳來的數據。作為中心節點的協調器主要負責ZigBee網絡和GPRS網絡的雙向數據傳輸，它實際上是一個基于ZigBee協議與GPRS協議的轉換網關。無線傳感網絡中的數據傳輸采用了碰撞避免機制和完全確認的數據傳輸機制，且網絡層和MAC層都有安全策略和安全分級，各個應用可以靈活地確定其安全屬性，所以整個網絡的可靠性和安全性都比較高。

在連接GPRS網絡前，還需對GPRS模塊進行初始化設置，如工作模式、通信波特率、接入網關、使用的協議類型和作為數據庫的Web服務器的IP地址設置等。然后通過AT命令進行GPRS網絡連接，連接時經過PPP協議協商獲得GPRS本地IP，接著加載數據傳輸協議(TCP、UDP)，實現GPRS與監控中心服務器的Socket連接。此后，GPRS模塊便作為ZigBee網絡到GPRS網絡的數據發送模塊而工作。CC2431將ZigBee網絡的數據經過加密、封裝處理后，以數據流形式通過RS-232送到GPRS模塊。協調器的幾個關鍵函數舉例如下。

①協調器初始化網絡的函數

4.3 路由器軟件設計

路由器上電初始化后，需要先申請加入協調器建立的網絡。當它成功加入網絡后，就工作于監控狀態。其主要功能為:①監控是否有其他路由節點或終端節點申請加入網絡，如果有則同樣需給該節點分配網絡地址;②判斷是否有從協調器發來的命令，如果有且是設置命令，則需根據命令參數設置該節點，如果有且是讀狀態命令，則需發送相應的節點工作狀態給協調器;③采集相關數據。

路由器選擇與處理函數如下。

4.4 終端節點軟件設計

終端節點軟件類似于路由器節點軟件，區別是終端節點不支持其他節點的加入，其主要任務是采集數據。當終端節點沒有數據需要發送時，它就自動轉入休眠模式，使節點功耗降到最低。終端節點請求發送與周期發送數據函數設計如下。

網絡設備類型一旦確定，就表示節點成功加入網絡。此時調用osal_start_timerEx函數定期(WSN APP_SEND_MSG_TIMEOUT)觸發發送事件。

5 結束語

本文將無線傳感網絡技術引入森林火災的監測中，構建了基于GPRS和ZigBee的森林火災監測預警系統，給出了系統的網絡拓撲結構、各主要模塊的硬件設計和不同類型的ZigBee節點軟件設計，實現了對森林日常的監測以及火災預警的功能。試驗表明，該設計是一種高效、實時的森林火災監測預警方案，它為推進我國森林火災監測的信息化、自動化與智能化提供了一種新思路。

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