無線傳感器網絡在森林防火中的應用

【摘 要】介紹一種基于ZigBee無線傳感器網絡的森林防火監測技術。ZigBee是一種低功耗"低速率"短距離的無線技術標準，有廣闊的發展空間與廣泛的應用前景，特別適用于構建傳感器網絡，傳感器節點可對森林環境進行信息采集，然后將采集的數據通過無線網絡傳送到數據監控中心，監控中心的計算機對數據進行分析處理，判斷是否有火災的可能，為相關部門進行相應的防護和滅火提供依據。

【關鍵詞】無線傳感器；ZigBee；森林防火

無線傳感器網絡是一項剛剛興起的網絡技術，通常是由大量部署在監測區域的微型傳感器節點，以無線通信方式所組成的一個自適應分布式網絡系統，具有部署靈活、成本低廉、容錯性好等優點，在無人值守的環境監測和災害撲救等特殊領域作用巨大。ZigBee是一種低功耗、低速率、短距離的無線技術標準，適用于構建無所不在的傳感器網絡，傳感器節點可對森林環境進行信息采集，然后將采集的數據通過無線網絡傳送到數據監控中心，監控中心通過計算機對數據進行分析處理，判斷發生火災的可能，為林業相關部門進行相應的防護和滅火提供依據。工作人員可以通過手機、PDA、計算機等信息終端，實時掌握森林環境信息，及時獲取異常報警信息及預警信息， 并可以根據森林環境監測結果，實時調整控制設備，構建起數字化森林的物聯網絡，為森林防滅火提供實時、準確、科學的決策。

一、無線傳感器網絡研究現狀

無線網絡是由許多獨立的無線節點之間，通過空氣中的無線電波/光波，構成的無線通信網絡。是由大量微型、智能、低功耗傳感器以某種網絡協議構成的無線網絡。其目的是協作的感知、采集和處理網絡覆蓋的地理區域中感知對象的信息，并發布給觀察者。它綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術以及無線通信技術，正成為一個新興技術領域，被認為是21世紀最重要的技術之一。美國《技術評論》在預測未來技術發展的報告中， 將無線傳感器網絡列為21世紀改變世界的十大新興技術之首。

我國無線傳感器網絡及其應用研究幾乎與發達國家同步啟動，但從研究問題的深度和投入的科研力量來說，國內的水平相對落后于國外。隨著經濟的發展國內也有越來越多的企業開始關注無線傳感器網絡技術的發展，開始推出針對無線傳感器網絡及Zig——Bee的解決方案。2006年初發布的《國家中長期科學與技術發展規劃綱要》為信息技術定義了三個前沿方向，其中二個與無線傳感器網絡的研究直接相關，即智能感知技術和自組織網絡技術。

二、ZigBee技術

ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術。核心是多信道無線裝置微控制器集成在半導體芯片上，目的是為了降低無線終端的成本和功耗，已達到“無所不在”的目的。主要用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入多種設備，被業界認為最有可能用在工業控制、傳感器網絡、家庭監控、安全系統等領域的無線技術。ZigBee技術的無線網關設計有機地把ZigBee 技術與互聯網連接起來，實現了數據從現場到互聯網的整個傳輸過程，反之也可以把互聯網上的控制信號通過網絡發送到現場，實現對現場設備的遠程控制。將基于ZigBee的無線傳感器網絡應用在森林火災監測系統中，可實現對覆蓋森林內的任意地點的溫濕度等信息在任意時間的采集、處理和分析，而且還能大大提高系統的可擴展性， 降低設備維護的成本， 優化整個系統。

ZigBee技術有以下優點：

（1）省電：兩節五號電池即可實現長達6個月到2年的使用時間；

（2）可靠：采用了碰撞避免機制，節點模塊之間具有自組網的功能，信息在網絡中采取自動路由的方式進行傳輸；

（3）時延短：通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短，節點可以采取空閑休眠；

（4）網絡容量大：最多可支持65000個節點。

三、ZigBee無線傳感器網絡在森林火災監測系統的設計方案

一個ZigBee網絡最多可支持255個設備，傳感器節點可大量散布在森林監控區域內，同時在每隔一定距離范圍內設立一個網絡基站節點，使得數據能有效傳輸，傳感器網絡節點能覆蓋較大范圍，且在數據傳輸的通路上布置密度高于協議密度的只具有數據傳輸功能的節點，使數據能夠在網格線上沿多條路徑傳遞，在部分節點失效的情況下仍能正常工作，這樣就大幅擴大了網絡的監控范圍，標準配置下網絡節點可覆蓋方圓3～9km的范圍，而一般情況下人工觀測的范圍只能在方圓4km左右，且極易受光照、能見度和天氣等環境因素的影響，存在觀測不到的死角和空白，在惡劣的環境下有時根本無法進行火災監測。

ZigBee無線傳感器網絡體系結構包括傳感器節點、路由器以及監控主機三部分。系統拓撲結構如圖 1所示：

圖1 系統拓撲結構

路由器節點主要是建立網絡時控制網絡拓撲結構和網絡覆蓋范圍，網絡穩定后對傳感器節點發送到網絡中的數據進行轉發，建立ZigBee 網絡；數據管理中心實時顯示系統的運行狀況和移動傳感器節點，實時采集森林監測區域內的信息，然后發送到網絡中，使用戶可以實現對網絡中節點的管理和設置。感器節點是一個微型嵌入式系統，它主要由數據采集模塊、無線通訊模塊和能量供應模塊三個部分構成。傳感器節點又分為固定傳感器節點和移動傳感器節點，移動傳感器節點根據地理位置的不同和空間位置的關系分成若干個族，每個組由一固定傳感器節點為族首。移動傳感器節點隨機地部署在森林內部或附近區域，采集大氣相對濕度、空氣溫度等火災監測參數，負責檢測現場信息并將檢測的信息發到族首，再由族首發到監控中心。傳感器節點結構如圖2所示：

圖2傳感器節點結構

傳感器模塊負責采集森林區域內大氣相對濕度、空氣溫度參數和數據的模/數轉換。無線通訊模塊負責與其他的節點進行通訊，交換控制信息和收發數據。電源部分主要給傳感器模塊、無線通訊模塊供電，負責節點的驅動，是決定網絡生存期的關鍵因素。

四、監控主機的主要功能

（1）可以根據需要進行監測頻次、報警指標等參數的設置，可根據用戶需要設置狀態參數或故障報警信號自動對數據的有效性進行判斷；

（2）可對設備的監測數據進行保存，并制作工作日志；

（3）可判斷系統運行狀態正常與否，并可根據狀態參數或故障報警信號等能自動對分析結果的有效性進行判斷，對系統異常及參數超限進行報警；

（4）對各種數據分析、監控、瀏覽方便、操作簡單，并可以對采集的數據進行統計、查詢和編輯歷史數據。

五、結束語

ZigBee無線傳感技術具有低成本、易實現、數據傳輸可靠和低功耗等特點，非常適合于森林火災監測。考該系統采用簇——樹形式的網絡拓撲結構相對于網狀的拓撲結構，相對于網狀的拓撲結構具有組網簡單、 路徑信息占用存儲器容量小等優點，但其也要求網絡的鏈路結構必須穩定可靠，另外網絡的規模也受限制，需要在今后的研究中不斷改進和優化?？傊摲桨傅奶岢鍪巧只馂谋O測和預防方式的一種有益嘗試和補充， 為無線傳感器網絡這一先進技術在森林火災監測領域的推廣應用提供了切實可行的硬件基礎。

作者簡介：

張志強（1978～），武警警種學院森林防火滅火教研室助教。