面向森林火灾监测的ZigBee和数传电台的混合通信网络

湖南省常宁市夏联完全小学 李小丽

0 引言

该系统对偏远森林区域的火警探测具有十分重要的应用价值[1-2]。移动网络信号无法覆盖偏远森林地区，且在森林环境复杂，无线信号远程传输易受干扰，因此，需要研究面向偏远森林区域火警监测的无线信息传输系统。本文提出的是一种基于低成本ZigBee技术的无线传感网络[3]和远程数传电台混合通信网络的森林火情监控系统[4-5]，利用ZigBee覆盖范围大、自主组网的优点在森林区域形成无线覆盖网络，同时利用远程数传电台将火情传输到远程控制中心，解决了偏远地区的远距离通信和大区域无线网络覆盖问题，为偏远森林的火情监测提供信息传输服务。

1 系统整体结构

图1 系统总体框图

图1 所示为一个基于ZigBee面向偏远森林的火灾监测系统，该系统主要由信息采集模块、无线通信和远程数传模块、控制中心组成，各部分的功能如下：

（1）信息采集模块与Zigbee的终端节点连接在一起，负责对温度、湿度、烟雾浓度等环境参数进行信号采集与编码。

（2）Zigbee无线传感网络由终端节点、路由节点和中心节点构成，终端节点与信息采集模块相连，负责将采集到的信息发送到Zigbee网络，中心节点负责接收各终端节点传送过来的信息，路由节点是在终端节点与中心节点无法直接通信时，充当传输中继。Zigbee网络还具有自定位功能，可大致确定每个节点的位置坐标。

（3）数传电台与Zigbee的中心节点连接，中心节点将收到的所有采集信号发射给数传电台，数传电台将这些信号转发到远程数传电台。

（4）远程数传电台将接收到的信号传送到控制中心，控制中心对信息进行统计和分类，判断是否存在火情。

2 系统设计

2.1 ZigBee无线传感网络

节点部署是ZigBee无线传感器网络的主要内容，有效的节点部署可以实现用最少的节点采集到最准确完整的信息，减少节点对冗余信息的处理，节省节点的能源损耗。节点部署方式主要分为随机部署和控制部署两种，随机部署主要针对终端节点，可以通过飞机散播，以实现对监测区域的大面积覆盖，散播的Zigbee节点可以自组网形成传输网络。控制部署主要针对路由节点，由于终端节点散布不均匀，使得某些区域的终端节点形成了相对独立的子网络，但无法与中心节点建立连接，此时需要在特定地点布置路由节点，连接相对独立的Zigbee子网络，使其纳入整个Zigbee网络系统。

Zigbee的3种节点都采用CC2530作为主控芯片，芯片以8051为内核，五种运行模式，5通道DMA、8通道分辨率配置12位ADC、定时器和21个通用I/O引脚，功能丰富，外部接口扩展性强，且功耗很低，配置一块面积为10cmx10cm的太阳能电池板即可长时间工作，很适合作为野外长期监测模块使用。

2.2 远程数传电台

数传电台由本地发射和远程接收两个数传电台构成，本地数传电台通过桥接模块与Zigbee中心节点连接，远程数传电台与控制中心的计算机连接。桥接模块由单片机充当，该模块与Zigbee中心节点通过串口协议进行通信，并将Zigbee中心节点传输过来的数据存储到堆栈中。桥接模块与数传电台也是以串口连接，并将堆栈中暂存的数据按照先入先出的规则，逐个发送给数传电台，并发送给远程电台。

图2 远程数传电台

桥接模块使用的单片机为STC12C5A60S2单片机，此单片机为双串口双向通信，对ZigBee网络数据进行缓存和转发，使数据更加可靠安全的进行远程传输。系统中使用的数传电台为高速型433M无线数传电台E32-DTU-1W型号，是采用数字信号处理、数字调制解调的无线数据传输电台，具有前向纠错、均衡软判决等功能。电台采用LoRa扩频技术，提供透明RS232接口，传输速率19.2Kbps，收发转换时间小于10ms。

2.3 控制中心

控制中心接收由终端节点采集得到的温度、湿度、烟雾等定量化监测信息，结合终端节点本身的位置坐标，对被监测区域的潜在火情进行分析，并将分析的数据叠加到卫星地图上，使火警信息一目了然，以便于指挥人员实时掌控全局信息。

图3 控制中心的人机交互软件界面

3 结束语

本文设计了一种基于ZigBee和数传电台混合通信网络的森林火灾监测系统，包括通过无线通信连接的终端节点、路由节点、中心节点和控制中心，能够实时监测森林里的温度、湿度、烟雾浓度等环境参数，实现对森林的火情的多参数监测，具有很大的实用价值。另外，本系统具有良好的拓展性，可在偏远地区的水文、环境监测等领域发挥作用。

[1]朱玉军.森林火灾危险性分析与防火建议[J].消防科学与技术,2017(6):867-870.

[2]闫德民,李庆阁.我国森林火灾监测体系现状及展望[J].森林防火,2017(3):27-30,54.

[3]葛广英,葛菁,赵云龙. ZigBee原理、实践及应用[M].清华大学出版社,2015.

[4]石柳,曲永志.基于SI4464的数传电台传输设备设计与实现[J].通讯世界,2017(12):38-39.

[5]李红斌,王涛.基于PLC和数传电台的集输站远程监控系统[J].自动化与仪器仪表,2013(4):10-11.