基于物聯網技術的森林火災預警系統設計

何建強，陳 垚，王邊馳

（商洛學院 電子信息與電氣工程學院，商洛726000）

綠水青山就是金山銀山，森林作為人類生存和經濟社會發展的必備資源，在保護生態平衡方面發揮著不可替代的作用。 它不僅為人類生活提供必需的木材和其他產品，而且還具有釋放氧氣，改善環境，儲存水分，調節氣候，維持和增加農業和畜牧業生產等重要作用[1]。 然而，近年來，異常的自然因素和人類的某些不當操作引起森林火災頻繁發生。 森林火災對社會經濟可持續發展，生態平衡，人民生命財產安全構成重大威脅，嚴重制約了植樹造林和生態環境建設的進程[2]。 如何實現準確的對森林火災情況實時監測，為森林火災的預警和滅火提供技術支持，已成為亟待解決的問題。 無線傳感器網絡（WSNS）技術的快速發展為森林火災監測提供了新的技術方案。 WSNS 可以使用多種類型的傳感器來周期性地采集其覆蓋范圍內與火災密切相關的物理參數信息[3]。 然后，通過無線傳輸的方式將相關參數發送至相鄰節點，并通過自組織網絡的多跳傳輸模式發送給遠程火災監控中心[4]。 從而實現了主要森林區域全天候實時監測和預警的目標。 因此，本文基于物聯網技術采用ZigBee 無線傳感器網絡，實現了森林火災監測預警系統。 該系統可以實時的監測森林物理參數信息，更好地防止森林火災的發生，為人們的生活帶來巨大的經濟效益。

1 系統總體方案設計

本文設計的森林火災預警系統集數據采集、傳輸、處理和預警功能于一體，可實現森林火災狀況的實時監測。該系統由三部分構成，如圖1 所示。第一部分是終端ZigBee 數據采集節點，主要負責被測森林區域內物理參數的采集、傳輸。 第二部分是網關節點，主要負責接收來自ZigBee 終端節點的數據并將其打包轉發至Internet[5]。 第三部分是遠程火災監測中心，主要負責處理互聯網傳輸的火災監測數據，并具有參數實時顯示，歷史數據查詢和火災預警等功能。

圖1 系統結構圖Fig.1 Systematic structure diagram

2 硬件設計

2.1 參數采集節點硬件設計

終端數據采集節點主要由傳感器模塊、ZigBee模塊和電源模塊組成。 傳感器模塊主要包括溫濕度傳感器和氣體濃度檢測傳感器，負責采集信息并傳至ZigBee 模塊。 然后由ZigBee 模塊將其傳輸到WSN 中的簇頭，其系統框圖如圖2 所示。

圖2 數據采集節點框圖Fig.2 Data acquisition node block diagram

2.1.1 ZigBee 模塊電路設計

本文選擇CC2530 芯片作為ZigBee 模塊的核心，該芯片符合2.4 GHz ISM 通用段應用，可構建功能強大，成本低廉的無線傳感器網絡。 CC2530 芯片具有5 種不同的運行模式：主動TX 模式，主動RX模式和3 種供電模式，短時模式切換使該芯片成為超低功耗系統的理想選擇。CC2530 芯片采用6 mm×6 mm 40 引腳封裝，在PCB 性能方面優于其前代CC2430 芯片。CC2530 的基本電路比較簡單，如圖3所示。 C1～C8 和L1 形成去耦電路，為芯片工作提供穩定的電源。

2.1.2 溫濕度采集模塊設計

本文選擇SHT10 溫濕度傳感器來收集監測區域的溫濕度參數[6]。 該芯片采用SMD 芯片封裝，包括能隙式溫度測量元件， 電容式聚合物測濕度元件，14 位A/D 轉換器和2 線數字接口， 供電電壓2.4～5.5 V。 具有速度快、測量精度高、功耗低、抗干擾能力強等優點， 可直接輸出完全校準的數字信號，其原理圖如圖4 所示。

2.1.3 可燃氣體濃度檢測模塊設計

本文選擇MQ-2S 芯片作為監測氣體濃度的傳感器組件[7]。 根據其結構原理，可直接通過調整電路中電阻值來調整MQ-2S 傳感器的靈敏度，從而獲得適當的報警閾值，電路如圖5 所示。

2.1.4 電源模塊設計

由于SHT10 芯片和MQ-2S 芯片的工作電壓為5 V，CC2530 芯片為3.3 V[8]。 因此，本文使用TPS75601電源轉換模塊將5 V 轉換為3.3 V，為火災參數采集節點提供可靠的能量。 原理圖如圖6 所示。

2.2 網關節點軟硬件設計

網關節點是監測系統的核心部分。 它接收終端ZigBee 采集節點發送的溫度，濕度和氣體濃度信等物理信息，經過處理器處理后，通過4G 模塊發送到互聯網。 由于整個監測網絡中網關節點數量少，需處理的數據量大，并且要執行遠程監控中心的命令信息。 因此，在選取MCU 時需要考慮多個方面，本設計采用基于ARM11 內核的S3C6410 芯片作為網關節點的處理器。

圖3 CC2530 的基本電路Fig.3 Basic circuit of CC2530

圖4 SHT10 傳感器電路圖Fig.4 Circuit diagram of SHT10 sensor

圖5 MQ-2S 傳感器電路圖Fig.5 Circuit diagram of MQ-2S sensor

圖6 電源模塊原理圖Fig.6 Power supply module schematic diagram

圖7 網關節點系統框圖Fig.7 Gateway node system diagram

由于S3C6410 無法提供可以運行程序并存儲它的內存，因此本文通過AM29LV160D 芯片來存儲系統程序代碼， 利用SDRAM 芯片HY57 V641620 HG 作為擴展存儲器[9]。 由于程序直接在Flash 中運行， 因此在讀寫過程中會出現不同程度的延遲，因此本文將程序安排在SDRAM 中執行。 擴展電路圖如圖8 所示。

圖8 存儲器擴展電路圖Fig.8 Memory extension circuit diagram

nSCS0 是片選網絡標號， 與S3C6410 的XM1CSN0［PINL23］相連接；nOE 是讀允許網絡標號，與S3C6410 的XM0OEN［PINL4］相連接；nSWE 是寫允許網絡標號，與S3C6410 的XM1WEN［PINM19］相連接；DATA0～DATA15 是輸入與輸出的數據網絡標號，分別與S3C6410 的XM0DATA0～XM0DATA15相連接。

HY57V641620HG 芯片作為S3C6410 的SDRAM，是系統程序運行時的主要地方。HY57 V641620 HG中BA1 與S3C6410 的XM1 ADDR0［PINH24］相連，BA0 和S3C6410 的XM1 ADDR1［PINJ24］連接。 行地址選通信號線nSRAS 與S3 C6410 的XM1 RASN［PINL44］連接，列地址選通信號線nSCAS 與S3 C6410的XM1 CASN［PINL24］連接，寫允許信號nSWE 與S3 C6410 的XM1 WEN［PINM19］連接，讀允許信號線nOE 與S3C6410 的XM0 OEN［PINL42］連接。

3 軟件設計

3.1 終端采集節點軟件設計

終端信息采集節點上電后，CC2530 硬件設備初始化并嘗試加入網絡。 入網成功后，終端信息采集節點收集溫度，濕度和氣體濃度數據并將其傳輸到下一個節點。 無采集指令時，終端信息采集節點開啟睡眠模式。 程序流程圖如圖9 所示。

圖9 終端節點程序流程Fig.9 Flow chart of terminal node program

3.2 網關節點軟件設計

網關節點上電后，CC2530 設備初始化并建立WSN 網絡，接收到終端節點入網請求信息后，網關節點根據實際需要決定是否允許該節點加入網絡。若允許該節點加入該網絡， 則為其分配網絡地址，網關節點開始接收溫度、 濕度和氣體濃度等數據，并通過串口發送給S3C6410 處理器。 經過處理器處理后通過4G 無線模塊將數據傳輸到遠程監控中心。 程序流程圖如圖10 所示。

圖10 網關節點程序流程Fig.10 Flow chart of gateway node program

3.3 遠程監控中心軟件設計

遠程監控中心的系統軟件是基于Visual Studio開發平臺使用C# 語言開發設計的， 能夠實現數據實時顯示、預警、歷史數據查詢等功能[10]。 為提高用戶的訪問權限和系統安全級別，還設計了登錄驗證和密碼修改部分。

3.3.1 數據監測界面

打開系統軟件，進入登錄界面，輸入正確的登錄信息后，單擊“確定”按鈕進入監控系統，否則提示重新登錄。

系統能夠對整個監控區域的溫度，濕度和氣體濃度等信息實時顯示。 若數據正常，則狀態報警欄會顯示綠燈；表若監測到的數據超過系統設定的閾值時，則狀態報警欄中的紅燈亮，預警系統工作，發送告警信息，提醒工作人員查看具體的報警位置和報警原因。 火情數據監測界面如圖11 和圖12 所示。

3.3.2 歷史數據查詢界面設計

歷史數據查詢接口不僅可以根據所選擇的區域，節點和時間段查詢特定時間內特定區域內某個節點的歷史數據。 它還能夠以連續變化曲線的方式顯示溫度，濕度和氣體濃度數據，方便監測人員分析該區域火災發生的可能性。 歷史數據查詢界面如圖13 所示。

圖11 火情數據監測界面Fig.11 Fire data monitoring interface

圖12 火災預警界面Fig.12 Fire warning interface

圖13 歷史數據查詢界面Fig.13 Historical data query interface

4 系統測試

為驗證系統可靠性，本文進行了組建網絡和溫度采集通信測試。 測試系統主要由終端數據采集節點，路由節點和網關節點組成WSNS，為了方便觀察WSNS 搭建、 組網以及各類型節點間的通信和地址分配的具體過程， 采用TI 公司開發的Z-Sensor Monitor 軟件進行采集的參數信息顯示[11]。 測試實物圖和結果分別如圖14 和圖15 所示，圖中“SINK RX”為網關節點，路由器節點的地址為0x0001，終端節點的地址分別為0x1430 和0x1431， 采集到的溫度分別為22 ℃和21 ℃。

圖14 系統測試實物圖Fig.14 Physical diagram of system test

圖15 ZigBee 組網測試實驗圖Fig.15 ZigBee networking test experiment diagram

5 結語

本文完成了森林火災監測預警系統的軟硬件開發，包括終端數據采集節點的軟硬件設計，網關節點的軟硬件設計以及遠程火災監測的軟件系統設計。 闡述了具體設計思路，相關部分硬件電路設計、軟件程序設計流程。 利用C#語言完成遠程火災監控中心系統的開發，實現了火災數據的實時監控，實時預警和歷史數據查詢等功能。 并對開發的系統進行了測試，以證明其有效性和可靠性。