摘  要： 為實現(xiàn)低成本森林遠程火災(zāi)自動報警，設(shè)計了一套基于ZigBee、GPRS和太陽能光伏的森林火災(zāi)監(jiān)控報警系統(tǒng)。以CC2430為節(jié)點控制傳感器采集圖像和數(shù)據(jù)，本地通信時，數(shù)據(jù)通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)整片森林之間的通信，ZigBee節(jié)點間采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)方式；遠程通信時，協(xié)調(diào)器將處理好的數(shù)據(jù)通過GPRS技術(shù)傳到監(jiān)控中心以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和存儲等；出現(xiàn)異常情況時，監(jiān)控中心開啟自動報警系統(tǒng)。系統(tǒng)采用太陽能供電，節(jié)約能源、減少布線。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確監(jiān)控遠程實時狀況，并控制遠程協(xié)調(diào)器，實現(xiàn)自動監(jiān)控、報警功能，具有廣泛的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞： ZigBee；CC2430；太陽能；GPRS；森林火災(zāi)

　森林具有維護生物的多樣性、維護自然界的生態(tài)平衡的作用，是人類寶貴的自然財富。每年全球森林覆蓋率銳減，森林火災(zāi)是最大的災(zāi)害[1]。目前，森林火災(zāi)報警系統(tǒng)采用人工防護、視頻監(jiān)控和衛(wèi)星遙感，人工防護在偏遠地區(qū)可行性較低；視頻監(jiān)控系統(tǒng)成本較高、數(shù)據(jù)冗余率大；衛(wèi)星遙感施工復(fù)雜、成本高。多數(shù)系統(tǒng)的傳輸采用有線、Wi-Fi、CDMA、GPRS和新興的3G技術(shù)[2-3]。在實際運用過程中，有線系統(tǒng)布線困難；在偏遠地區(qū)和惡劣的環(huán)境，這些技術(shù)建立的系統(tǒng)實時性、可靠性降低，受到環(huán)境因素的制約，且用戶需要承擔(dān)費用，一旦基站出現(xiàn)故障，則整個網(wǎng)絡(luò)陷于癱瘓。
　ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以很好地解決以上弊端。ZigBee是符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，具有組網(wǎng)靈活、免執(zhí)照、低功耗、低成本、時延短、安全可靠等特點的新興通信技術(shù)，理論上能提供250 kb/s的傳輸速率[4]，它不依靠任何基站和基礎(chǔ)建設(shè)設(shè)備。為實現(xiàn)遠程森林火災(zāi)監(jiān)控，本文開發(fā)出一套基于ZigBee、GPRS和太陽能的森林火災(zāi)報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)能測定著火位置，能連續(xù)記錄林火發(fā)生、發(fā)展并自動報警。
1 系統(tǒng)架構(gòu)
　本系統(tǒng)包括ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)采集和傳輸4部分，其中，遠程傳輸包括GPRS和Internet模塊，如圖1所示。

　ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)可將整片森林各個地方的系統(tǒng)組成一個互相通信的網(wǎng)絡(luò)。為確保網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性，系統(tǒng)采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式。該網(wǎng)絡(luò)包含協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點和終端節(jié)點。協(xié)調(diào)器節(jié)點負責(zé)與監(jiān)控中心的通信和接收路由器節(jié)點、終端節(jié)點的數(shù)據(jù)；路由器節(jié)點可采集數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；終端節(jié)點只接收數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)，不能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，但相對其他節(jié)點的功耗更低，故系統(tǒng)中只有邊緣不需要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)點配置為終端節(jié)點。
　監(jiān)控中心由裝有監(jiān)控軟件、Internet和連接GPRS1的計算機組成。監(jiān)控中心通過GPRS與協(xié)調(diào)器通信。設(shè)計的監(jiān)控中心具有移動性，首先由GPRS1獲取服務(wù)器的IP并通過SMS方式發(fā)送至GPRS2，GPRS2根據(jù)獲取的IP和端口號連接到服務(wù)器，實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器的連接。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 路由節(jié)點的硬件設(shè)計
　數(shù)據(jù)采集節(jié)點的硬件系統(tǒng)包括圖像采集模塊、電源模塊、傳感數(shù)據(jù)采集模塊、控制器及基本外圍電路，如圖2所示。選用TI公司生產(chǎn)的CC2430為控制器，該芯片內(nèi)置ZigBee射頻前端、內(nèi)存和微控制器[5]，專門用于IEEE 802.15.4和ZigBee應(yīng)用程序，且只需簡單的外圍電路即可工作。內(nèi)置溫度傳感器和電壓傳感器，檢測系統(tǒng)的工作環(huán)境。電源模塊為系統(tǒng)提供電源并最大限度降低系統(tǒng)功耗。串口攝像頭采集圖像，采用標(biāo)準(zhǔn)JPEG圖像壓縮算法壓縮圖像數(shù)據(jù)。控制器通過RS-232控制攝像頭。

2.2 電源模塊
　由于森林面積大、地形復(fù)雜，有線供電難以實施，同時為節(jié)約能源，該系統(tǒng)采用太陽能供電。該模塊由太陽能電池板、蓄電池、防雷擊電路、太陽能電池板和蓄電池的防反接電路組成。太陽能電池板通過保險絲、防反接二極管和壓敏電阻保護后級電路，同時在蓄電池電壓輸出之前加兩片保護二極管，以防止瞬間高壓破壞蓄電池。一旦檢測到蓄電池電壓不足以給系統(tǒng)供電時，啟動備用電池供電。電源模塊的硬件框圖如圖3所示。

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊
　煙霧采集選用MQ-2氣敏元件，CO檢測采用MQ-7傳感器，均是表面離子式N型半導(dǎo)體，電阻隨著煙霧或CO濃度的增大而減小，故輸出電壓隨著濃度的增大而增大。為了減小信號的損失和增強電壓的穩(wěn)定性，傳感器的輸出電壓經(jīng)過電壓跟隨器后輸入CC2430的A/D采樣端。
　溫濕度傳感器是具有I2C總線接口的SHT10，輸出的數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)據(jù)處理為實時溫濕度數(shù)據(jù)。火焰采集選用紅外火焰探測器，可檢測波長在760 nm～1 100 nm范圍內(nèi)的熱源，探測角度可達60°，紅外火焰探頭將外界紅外光的強弱變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，用比較器設(shè)定閾值，輸出高低電平，快速檢測火源。
2.4 協(xié)調(diào)器節(jié)點的硬件設(shè)計
　協(xié)調(diào)器的硬件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、GPRS模塊、電源模塊、控制器及基本外圍電路，如圖4所示。GPRS選用華為GTM900-C模塊，并通過串口與協(xié)調(diào)器通信；ZigBee協(xié)調(diào)器通過AT指令控制GPRS模塊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1 協(xié)調(diào)器的軟件流程
　圖5為協(xié)調(diào)器工作的軟件流程。系統(tǒng)初始化后，協(xié)調(diào)器根據(jù)設(shè)定的信道建立網(wǎng)絡(luò)，并接收新節(jié)點加入該網(wǎng)絡(luò)。ZigBee協(xié)議棧通過輪詢事件執(zhí)行任務(wù)，根據(jù)預(yù)設(shè)的優(yōu)先級處理對應(yīng)事件。協(xié)調(diào)器的串口工作方式為DMA，比特率為115 200 kb/s，確保數(shù)據(jù)及時收發(fā)。

　協(xié)調(diào)器啟動GPRS模塊，GPRS模塊與ZigBee的串口通信速率為115 200 kb/s。協(xié)調(diào)器收到服務(wù)器的命令并判斷系統(tǒng)的工作模式，確定采集圖像或者采集傳感數(shù)據(jù)，并判斷控制的節(jié)點。為了提高通信數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率，數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送采用確認握手機制。
3.2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點的軟件流程
　數(shù)據(jù)采集節(jié)點軟件流程如圖6所示。數(shù)據(jù)節(jié)點采用關(guān)聯(lián)的方式加入網(wǎng)絡(luò)，子節(jié)點通過掃描設(shè)定信道搜索它周圍存在的父節(jié)點。若其中一個節(jié)點斷開網(wǎng)絡(luò)，則系統(tǒng)會根據(jù)最短跳數(shù)算法自動尋找最優(yōu)路徑，并重新加入該網(wǎng)絡(luò)。
　數(shù)據(jù)采集節(jié)點串口配置為中斷方式，快速響應(yīng)傳感器的數(shù)據(jù)。采集的多參數(shù)傳感數(shù)據(jù)通過A/D采樣后進行閾值判斷，超過設(shè)定的閾值則及時將此次數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器并傳送到上位機告知監(jiān)控人員；同時啟動圖片傳輸，采集現(xiàn)場的圖像至監(jiān)控中心，確保及時告知現(xiàn)場實時狀況，減少誤報。與單純的傳感器報警相比，圖片更直觀準(zhǔn)確；與視頻監(jiān)控相比，確保準(zhǔn)確的同時更節(jié)約成本。火情的判斷具有優(yōu)先級，白天由于太陽光的照射選煙霧為優(yōu)先判斷；室外的黑夜難以檢測煙霧，選擇火焰為優(yōu)先判斷，提高檢測的準(zhǔn)確率。為及時處理大量串口數(shù)據(jù)，設(shè)計雙緩存串口[6]。CC2430內(nèi)存有限，采取分包傳輸圖片數(shù)據(jù)。為提高圖像的采集速度，當(dāng)傳輸命令時，該系統(tǒng)選用的比特率為115 200 kb/s，快速發(fā)送數(shù)據(jù)命令和讀取相應(yīng)的返回參數(shù)；當(dāng)傳輸大量數(shù)據(jù)時，選用的比特率為384 00 kb/s，使得CPU有更多的時間處理串口數(shù)據(jù)。
3.3 服務(wù)器軟件流程
　監(jiān)控中心對遠程的現(xiàn)場情況進行實時監(jiān)控，該平臺是采用Microsoft VC++ 6.0編寫的基于TCP/IP協(xié)議的Socket通信軟件[7]。該系統(tǒng)主要包括5個部分：實時顯示遠程圖像的圖像顯示部分，遠程控制協(xié)調(diào)器的命令發(fā)送部分，獲取本機IP和本地端口號的網(wǎng)絡(luò)連接部分，查詢每一次控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫記錄查詢部分以及開啟聲音報警的異常情況報警部分。該系統(tǒng)顯示的數(shù)據(jù)可以是上位機主動查詢的數(shù)據(jù)，也可以是下位機根據(jù)傳感器參數(shù)判斷實時采集傳送的圖像和數(shù)據(jù)。
4 測試與結(jié)果
　圖7為監(jiān)控中心主動查詢遠程現(xiàn)場狀況的測試結(jié)果。選擇編號為FFFFFFFFFFFFFF00的節(jié)點進行測試，亦可選擇所有的節(jié)點。圖7的圖像大小為320×240，壓縮后圖像大小約為12 KB~13 KB。將攝像頭和節(jié)點放在模擬實驗室1。GPRS2和協(xié)調(diào)器連接，監(jiān)控軟件安裝在已連接公網(wǎng)的模擬實驗室2，GPRS1通過串口和電腦連接，GPRS1通過短消息的方式將IP和端口號發(fā)送給GPRS2。點擊主動查詢，即可收到該節(jié)點傳送的圖像和火災(zāi)類型。發(fā)送信息框可輸入信息并發(fā)送至遠程控制器。

　利用ZigBee技術(shù)和太陽能技術(shù)解決環(huán)境惡劣或者人工難以到達的森林環(huán)境的監(jiān)控問題，本文設(shè)計和實現(xiàn)了基于ZigBee的森林火災(zāi)自動監(jiān)控報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要對數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)和服務(wù)器軟件進行設(shè)計與實現(xiàn)。本系統(tǒng)采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式，某一節(jié)點失效時根據(jù)多跳技術(shù)尋找最優(yōu)路徑重新加入網(wǎng)絡(luò)，提高系統(tǒng)的可靠性。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)通過采集火災(zāi)發(fā)生時相關(guān)的環(huán)境參數(shù)，情況異常時將現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)和圖片發(fā)送至監(jiān)控中心，當(dāng)危險等級較高時，在有條件的地方啟動自動消防系統(tǒng)，組成自動報警滅火系統(tǒng)。這樣在發(fā)生火災(zāi)時，監(jiān)控中心能根據(jù)傳感器節(jié)點的地址第一時間知道火災(zāi)發(fā)生地點和火災(zāi)的情況，大大減少了報警延時，尤其適用將火災(zāi)撲滅在萌芽狀態(tài)下，減少甚至消除火災(zāi)的發(fā)生。同時，根據(jù)歷史記錄和地理位置等信息可合理分配消防資源，減少因不了解報警的森林區(qū)域與現(xiàn)場情況而導(dǎo)致消防資源調(diào)配和組織不合理而產(chǎn)生不必要的損失。
　該系統(tǒng)用戶界面友好，不僅可以實時顯示下位機發(fā)送的圖片和數(shù)據(jù)，而且可根據(jù)需要主動查詢具體位置的現(xiàn)場情況并顯示。系統(tǒng)采用太陽能電源供電，節(jié)約能源、減少布線，尤其是在惡劣環(huán)境下，該系統(tǒng)具有傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢。通過更改相應(yīng)的傳感參數(shù)可將系統(tǒng)應(yīng)用于油田、電力、井下等環(huán)境惡劣的場合，具有廣泛的應(yīng)用前景。
參考文獻
[1] 鐘德軍.森林火災(zāi)預(yù)防與撲救實用技術(shù)指南[M].北京：中國林業(yè)出版社，2008.
[2] Yang Guangxue， Liu Zheng. The design of forest fire monitoring system based on wireless sensor network[C]. The 6th International Forum on Strategic Technology， 2011：2111-1214.
[3] SOLIMAN H， SUDAN K， MISHRA A. A smart forest-fire early detection sensory system： another approach of utilizing wireless sensor and neural networks[C]. IEEE Sensors 2010 Conference，2010：1900-1904.
[4] ZigBee Alliance. ZigBee Specification[Z].
[5] TI. CC2430 chip datasheet[Z].
[6] 魏連花，賴松林，程樹英，等.一種靜態(tài)圖像的采集傳輸系統(tǒng)[J].電子技術(shù)，2013（1）：43-46.
[7] 梁偉.Visual C++網(wǎng)絡(luò)編程經(jīng)典案例詳解[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.