面向森林火災監測的ZigBee和數傳電臺的混合通信網絡

湖南省常寧市夏聯完全小學 李小麗

0 引言

該系統對偏遠森林區域的火警探測具有十分重要的應用價值[1-2]。移動網絡信號無法覆蓋偏遠森林地區，且在森林環境復雜，無線信號遠程傳輸易受干擾，因此，需要研究面向偏遠森林區域火警監測的無線信息傳輸系統。本文提出的是一種基于低成本ZigBee技術的無線傳感網絡[3]和遠程數傳電臺混合通信網絡的森林火情監控系統[4-5]，利用ZigBee覆蓋范圍大、自主組網的優點在森林區域形成無線覆蓋網絡，同時利用遠程數傳電臺將火情傳輸到遠程控制中心，解決了偏遠地區的遠距離通信和大區域無線網絡覆蓋問題，為偏遠森林的火情監測提供信息傳輸服務。

1 系統整體結構

圖1 系統總體框圖

圖1 所示為一個基于ZigBee面向偏遠森林的火災監測系統，該系統主要由信息采集模塊、無線通信和遠程數傳模塊、控制中心組成，各部分的功能如下：

（1）信息采集模塊與Zigbee的終端節點連接在一起，負責對溫度、濕度、煙霧濃度等環境參數進行信號采集與編碼。

（2）Zigbee無線傳感網絡由終端節點、路由節點和中心節點構成，終端節點與信息采集模塊相連，負責將采集到的信息發送到Zigbee網絡，中心節點負責接收各終端節點傳送過來的信息，路由節點是在終端節點與中心節點無法直接通信時，充當傳輸中繼。Zigbee網絡還具有自定位功能，可大致確定每個節點的位置坐標。

（3）數傳電臺與Zigbee的中心節點連接，中心節點將收到的所有采集信號發射給數傳電臺，數傳電臺將這些信號轉發到遠程數傳電臺。

（4）遠程數傳電臺將接收到的信號傳送到控制中心，控制中心對信息進行統計和分類，判斷是否存在火情。

2 系統設計

2.1 ZigBee無線傳感網絡

節點部署是ZigBee無線傳感器網絡的主要內容，有效的節點部署可以實現用最少的節點采集到最準確完整的信息，減少節點對冗余信息的處理，節省節點的能源損耗。節點部署方式主要分為隨機部署和控制部署兩種，隨機部署主要針對終端節點，可以通過飛機散播，以實現對監測區域的大面積覆蓋，散播的Zigbee節點可以自組網形成傳輸網絡。控制部署主要針對路由節點，由于終端節點散布不均勻，使得某些區域的終端節點形成了相對獨立的子網絡，但無法與中心節點建立連接，此時需要在特定地點布置路由節點，連接相對獨立的Zigbee子網絡，使其納入整個Zigbee網絡系統。

Zigbee的3種節點都采用CC2530作為主控芯片，芯片以8051為內核，五種運行模式，5通道DMA、8通道分辨率配置12位ADC、定時器和21個通用I/O引腳，功能豐富，外部接口擴展性強，且功耗很低，配置一塊面積為10cmx10cm的太陽能電池板即可長時間工作，很適合作為野外長期監測模塊使用。

2.2 遠程數傳電臺

數傳電臺由本地發射和遠程接收兩個數傳電臺構成，本地數傳電臺通過橋接模塊與Zigbee中心節點連接，遠程數傳電臺與控制中心的計算機連接。橋接模塊由單片機充當，該模塊與Zigbee中心節點通過串口協議進行通信，并將Zigbee中心節點傳輸過來的數據存儲到堆棧中。橋接模塊與數傳電臺也是以串口連接，并將堆棧中暫存的數據按照先入先出的規則，逐個發送給數傳電臺，并發送給遠程電臺。

圖2 遠程數傳電臺

橋接模塊使用的單片機為STC12C5A60S2單片機，此單片機為雙串口雙向通信，對ZigBee網絡數據進行緩存和轉發，使數據更加可靠安全的進行遠程傳輸。系統中使用的數傳電臺為高速型433M無線數傳電臺E32-DTU-1W型號，是采用數字信號處理、數字調制解調的無線數據傳輸電臺，具有前向糾錯、均衡軟判決等功能。電臺采用LoRa擴頻技術，提供透明RS232接口，傳輸速率19.2Kbps，收發轉換時間小于10ms。

2.3 控制中心

控制中心接收由終端節點采集得到的溫度、濕度、煙霧等定量化監測信息，結合終端節點本身的位置坐標，對被監測區域的潛在火情進行分析，并將分析的數據疊加到衛星地圖上，使火警信息一目了然，以便于指揮人員實時掌控全局信息。

圖3 控制中心的人機交互軟件界面

3 結束語

本文設計了一種基于ZigBee和數傳電臺混合通信網絡的森林火災監測系統，包括通過無線通信連接的終端節點、路由節點、中心節點和控制中心，能夠實時監測森林里的溫度、濕度、煙霧濃度等環境參數，實現對森林的火情的多參數監測，具有很大的實用價值。另外，本系統具有良好的拓展性，可在偏遠地區的水文、環境監測等領域發揮作用。

[1]朱玉軍.森林火災危險性分析與防火建議[J].消防科學與技術,2017(6):867-870.

[2]閆德民,李慶閣.我國森林火災監測體系現狀及展望[J].森林防火,2017(3):27-30,54.

[3]葛廣英,葛菁,趙云龍. ZigBee原理、實踐及應用[M].清華大學出版社,2015.

[4]石柳,曲永志.基于SI4464的數傳電臺傳輸設備設計與實現[J].通訊世界,2017(12):38-39.

[5]李紅斌,王濤.基于PLC和數傳電臺的集輸站遠程監控系統[J].自動化與儀器儀表,2013(4):10-11.