基于ZigBee的森林火灾监测系统的设计与实现

孟 青,韩雨龙，苏 鑫，李 岩

(1.中北大学朔州校区，山西 朔州 036000；2.北京理工大学机电学院，北京 100081)

基于ZigBee的森林火灾监测系统的设计与实现

孟 青1,2,韩雨龙1，苏 鑫1，李 岩1

(1.中北大学朔州校区，山西 朔州 036000；2.北京理工大学机电学院，北京 100081)

森林资源是世界最宝贵的自然资源之一，森林火灾预防和监测比扑灭更具现实意义。为了预防和减少森林火灾对自然资源造成的巨大危害，设计并开发了基于ZigBee的森林火灾智能监测系统。该系统可以完成烟雾浓度、降雨量、空气温湿度和土壤湿度这四种环境参数的采集和处理，且其传感器模块具有易扩展性。系统采用基于六边形的控制部署方式和多协调器来代替传统一对多的拓扑结构，使系统具有覆盖面积广、低功耗和高可靠性等优势。森林防火系统硬件电路设计简单、可集成度高和可扩展性强。系统节点的软件设计结构合理，数据通信采用组播的方式，传送过程中对数据加入辨别标志以保证其安全可靠。同时，所设计的系统监控界面具有简洁、适用和可操作性强的特点。该系统已实现批量生产，并进行了实地试验，性能稳定，可推广使用。

ZigBee； 无线传感器网络; 火灾监测; 网络拓扑； 覆盖控制； CC2530； 森林资源

0 引言

森林资源是世界最宝贵的自然资源之一，森林火灾会给森林带来毁灭性的后果。尽管科学技术正在日新月异地发展，但是人类在“制服”森林火灾上，却尚未取得长足的进展。因此，森林火灾的预防和监测比扑灭更具现实意义。

无线传感器网络(wireless sensor network,WSN)具有自组织、部署便捷、抗毁能力强、成本低等特点，在诸多领域中得到应用，如军事、智能家居、环境监测和自然灾害预报以及医疗健康等。目前，无线传感器网络是一种廉价、便捷的信息采集方法，尤其是在敌对和恶劣的网络应用环境下，传统的方法费用高昂，几乎无法使用。森林火灾监测环境恶劣、监测面积大，传统的通信方式无法覆盖森林区域。本文设计的森林火灾监测系统采用ZigBee无线传感器网络，实现了森林火灾的监测[1]。该系统通过控制部署方式向监测区域散布监测节点，以获取现场监测数据。相较于传统的监测方式，该方法具有高灵活性、易扩展性以及低成本等优势。

1 系统总体设计

森林火灾监控系统主要用来监测森林里的温度、湿度以及烟雾等环境参数，并将数据通过无线传感器网络传递至远程监控系统。如果发现问题，系统将及时发出报警信息。

1.1 系统总体框图

基于ZigBee的森林火灾监测系统主要由终端节点、协调器节点以及远程监控系统三部分组成。系统整体框图如图1所示。终端节点是系统的基础硬件单元。终端节点以自组织的方式组网，将采集到的环境信息(包括空气温湿度、土壤湿度、雨量、烟雾气体浓度)传送到协调器节点。协调器节点(即ZigBee控制面板)将汇聚的各个节点信息通过卫星或者互联网传送至远程监控系统。用户可以通过手机或者计算机上安装的上位机软件来监控各个节点的环境信息。

图1 系统整体框图

1.2 节点的拓扑结构

节点部署(即覆盖问题)是无线传感器网络研究的关键问题之一。有效的节点部署可以实现用最少的节点采集尽可能最准确、完整的信息，并能够减少节点对冗余信息的处理量，节省节点的能源损耗[2]。

节点部署方式主要分为控制部署和随机部署两种。随机部署主要通过飞机散播，如果节点耗材比较廉价且监控区域环境比较恶劣，可以采用这种方式[3]。控制部署指数据收集区域预先确定，可以通过规则的网格来划分数据收集区域。控制部署多采用基于网格的部署，常见的有三角形、正方形和六边形网格。随机部署目前仍然是一种理论上的部署方式，应用于实践还有很多待解决的问题；同时，六边形网格控制部署相对于其他两种控制部署方式，具有有效利用面积大、所用节点最少等优点。因此，本文研究的森林防火系统采用的是基于六边形的无线传感器网络控制部署技术。

无线传感器的网络拓扑结构如图2所示[4]。无线传感器的网络节点包括终端节点和协调器节点两种。传统的传感器网络中密集的终端节点大多通过网络中唯一的协调器节点将数据信息传送至用户终端或控制中心，使无线传感器网络在能耗均衡性、可靠性等诸多方面均面临着很大的问题。本系统的传感器网络采用多协调器节点贯穿于传感器网络中，不仅降低了终端节点多跳的能耗，同时也减轻了单个协调器节点的负担，保证了系统的稳定性[5]。

图2 无线传感器网络拓扑结构图

2 硬件电路设计

森林防火监测系统的硬件部分主要由ZigBee控制模块和传感器模块组成。终端节点的传感器模块负责收集森林传感器周围的环境信息，然后将采集的参数传输给终端节点的ZigBee控制模块进行处理。根据路由协议，作为簇首的终端节点将信息传送给协调器节点的ZigBee控制模块[6]。

2.1 ZigBee控制模块电路设计

ZigBee控制电路模块采用CC2530作为主控芯片。CC2530以8051为内核，具有低功耗、高性能等特点。CC2530包括5种运行模式，拥有5通道DMA、8 通道分辨率配置 12 位 ADC、 定时器、MAC 定时器、看门狗定时器、睡眠定时器、电池监视器、温度传感器、安全协处理器和 21 个通用 I/O引脚。CC2530性能稳定、功能齐全，得到了广泛的应用。

根据图1可知，本系统中，无论是终端节点还是协调器节点都有1个ZigBee控制模块，其采用统一的硬件电路设计。ZigBee控制电路原理图如图3所示。ZigBee的工作电压为3.3 V，有4个晶振电路。晶振电路不仅包括电路图中的32 MHz和32.768 kHz这2个外部晶振电路，还包括16 MHz和32 kHz这2个内部RC震荡电路。系统时钟可以选择外部32 MHz或内部16 MHz的晶振。当系统时钟RF工作时，在上电情况下，16 MHz的RC震荡电路先工作，因为RC震荡电路的起振时间短，待正常后，换32 MHz的震荡电路作用于RF。天线选用外置天线，ANTSMA为天线接口。外置天线较PCB板载天线具有通信距离远、灵敏度高等优点。

图3 ZigBee控制电路原理图

2.2 传感器模块电路设计

传感器模块是森林防火系统的关键模块之一，包括空气温湿度传感器、土壤湿度传感器、雨量传感器、烟雾气体浓度传感器。传感器模块的接口板电路框图如图4所示。

图4 接口板电路框图

传感器模块接口板作为系统的底板，一方面为传感器提供接口，另一方面也是传感器和ZigBee控制电路板连接的桥梁。接口板具有易扩展性，如果想增加外部传感器，只需要在CC2530富余的引脚中引出输入引脚即可。

2.2.1 空气温湿度传感器

空气温湿度传感器采用的是DHT11数字温度传感器，可以用于检测周围环境的温湿度。温湿度传感器电路图如图5所示。

图5 温湿度传感器电路图

DHT11是一款含有已校准数字信号输出的温湿度传感器，内部包含1个电阻式感湿元件和1个NTC测温元件。该传感器应用了温湿度传感技术和数据采集技术，具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。DHT11工作电压为3.3～5 V，有VCC、GND和DATA这3个数据输出引脚。其中，DATA与图3所示的P0_7引脚相连。

2.2.2 雨量传感器

雨量传感器主要测量森林的降雨量，为预测火灾发生提供重要的依据。同时，雨量传感器还可以在火灾发生后检测灭火的用水量。本系统采用的雨量传感器可用于监测各种天气降雨状况，并将其转换成数字信号；通过输出引脚进行输出至CC2530。感应板大小可调，且具有固定螺栓孔，方便安装、使用。

2.2.3 土壤湿度传感器

本系统采用四线制土壤温湿度传感器，由土壤探头和控制接口板两部分组成。通过调节接口板上电位器，可以调节土壤湿度测量阈值。当湿度低于设定值时，输出为高电平；高于设定值时，输出为低电平。探头模块采用LM393比较器，工作稳定。

2.2.4 烟雾气体浓度传感器

烟雾气体浓度传感器选择的是MQ-2气体传感器。MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡。当传感器所处环境存在可燃气体时，传感器的电导率随着空气中可燃烧气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-2可检测多种可燃性气体，是一款适用于多种场合的低成本传感器。

3 软件设计

3.1 系统节点软件设计

森林防火系统中，大部分的传感器节点作为终端节点负责环境参数的搜集。真正的无线传感器网络需要实现传感器数据与ZigBee无线网络结合。系统的软件主要实现无线传感器网络的构建。协调器节点负责建立ZigBee无线网络，终端节点根据先前制定的协调器节点设备自动加入该网络，然后终端节点周期性地将采集到的环境参数发至对应的协调器节点，协调器节点再通过串口将数据传送至用户监控中心。终端节点软件设计流程如图6所示，协调器节点软件设计流程如图7所示。

图6 终端节点软件设计流程图

图7 协调器节点软件设计流程图

终端节点根据先前制定的协调器节点设备自动加入该网络，然后采集温湿度、烟雾气体浓度、雨量和土壤湿度数据；数据以数组的形式进行存储，并传送给协调器节点；数组预留一个字节用于标志节点。协调器节点接收终端节点发来的数据包，然后根据设计的帧格式将数据传送至监控计算机[7]。

3.2 监控软件设计

森林火灾监控系统的监控界面是基于VB开发的，具有简单、可扩展性强和适用的特点。该界面主要包括火情警示模块、节点参数显示模块和观测节点选择按钮三个部分。火情警示模块可以实时显示有火灾危险的节点，通过观测节点选择菜单可以自由选择监测的节点；节点参数显示模块可以显示节点的具体参数，为进一步判断是否有火灾发生提供依据。

4 结束语

本文设计的基于ZigBee的森林防火系统可以采集4种环境参数，且传感器模块具有可扩展性。无线网络的拓扑结构采用基于六边形的控制部署和多协调器来代替传统的一对多的方式，保证了系统具有覆盖面积广、低功耗和高可靠性的优点[8]。本设计中的森林防火系统硬件电路设计简单，可集成度高，可扩展性强；系统节点的软件设计结构合理，数据通信采用组播的方式，数据传送的过程中数据加入辨别标志，数据传输的可靠性高。本系统中监控界面具有简洁、适用和可操作性强的特点。系统已进行了实地试验。试验结果表明，其性能稳定，可推广使用。

[1] 贾杰.无线传感器网络覆盖控制与节点部署技术[M].沈阳：东北大学出版社，2013.

[2] 叶光.传感器网络覆盖控制问题研究[D].北京：北京理工大学,2016.

[3] 赵文涛.无线传感器网络节点部署及数据收集技术研究[D].南昌：华东交通大学,2016.

[4] 余闯,商飞,孔德仁.无线视觉传感器网络的节点设计[J].测控技术,2017(2):96-98,103.

[5] 袁甜甜.多汇聚节点无线传感器网络关键技术研究[D].天津：南开大学,2012.

[6] 张金强.基于无线传感器的森林火灾定位方法研究[D].吉林：东北电力大学,2016.

[7] 王小强,欧阳骏,黄宁淋.ZigBee无线传感器网络设计与实现[M].北京：化学工业出版社，2012.

[8] 周莲英,蒋大飞.基于正六边形的无线传感器网络边界部署技术研究[J].无线通信技术,2014(2):29-33.

Design and Implementation of the Forest Fire Monitoring System Based on ZigBee

MENG Qing1,2，HAN Yulong1，SU Xin1，LI Yan1

(1.Campus of Shuozhou,North University of China,Shuozhou 036000,China;2.School of Mechatronical Engineering,Bejing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

Forest resource is one of the most valuable natural resources in the world.Prevention and monitoring of the forest fire is more realistic than extinguishing the fire.In order to prevent forest fires and to reduce the enormous harm caused to natural resources,the intelligent forest fire monitoring system based on ZigBee has been designed and developed.Four kinds of environmental parameters can be collected and processed by this system,including smoke concentration,rainfall,air temperature and humidity,soil moisture,and its sensor modules are scalable.The hexagonal control deployment and multi-coordinator are adopted to replace the traditional one- to-many topologic structure,thus the system possesses advantages of wide coverage area,low power consumption and high reliability.In this system,the design of hardware circuitry is simple,highly integrated and scalable.The software design of the system node is reasonable,and the data communication is carried out by the way of multicast,and in the process of data transmission,the identification mark is added for data,to ensure its safety and reliability.In addition,the monitoring interface in this system has the characteristics of simplicity,applicability and operability.The system has been fabricated in batch and tested on site with stable performance.It can be promoted to use.

ZigBee; Wireless sensor network(WSN); Fire monitoring; Network topology; Coverage control; CC2530; Forest resources

山西省基础研究项目青年科技研究基金(2015021095)

孟青(1987—)，女，硕士，讲师，主要从事智能探测与传感方向的研究。E-mail:460986807@qq.com。 苏鑫(通信作者)，男，在读本科生，主要从事智能控制方向的研究。E-mail:1140285455@qq.com。

TH-39;TP391

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201708002

修改稿收到日期:2017-03-27