基于物联网技术的森林火灾预警系统设计

何建强，陈 垚，王边驰

（商洛学院 电子信息与电气工程学院，商洛726000）

绿水青山就是金山银山，森林作为人类生存和经济社会发展的必备资源，在保护生态平衡方面发挥着不可替代的作用。 它不仅为人类生活提供必需的木材和其他产品，而且还具有释放氧气，改善环境，储存水分，调节气候，维持和增加农业和畜牧业生产等重要作用[1]。 然而，近年来，异常的自然因素和人类的某些不当操作引起森林火灾频繁发生。 森林火灾对社会经济可持续发展，生态平衡，人民生命财产安全构成重大威胁，严重制约了植树造林和生态环境建设的进程[2]。 如何实现准确的对森林火灾情况实时监测，为森林火灾的预警和灭火提供技术支持，已成为亟待解决的问题。 无线传感器网络（WSNS）技术的快速发展为森林火灾监测提供了新的技术方案。 WSNS 可以使用多种类型的传感器来周期性地采集其覆盖范围内与火灾密切相关的物理参数信息[3]。 然后，通过无线传输的方式将相关参数发送至相邻节点，并通过自组织网络的多跳传输模式发送给远程火灾监控中心[4]。 从而实现了主要森林区域全天候实时监测和预警的目标。 因此，本文基于物联网技术采用ZigBee 无线传感器网络，实现了森林火灾监测预警系统。 该系统可以实时的监测森林物理参数信息，更好地防止森林火灾的发生，为人们的生活带来巨大的经济效益。

1 系统总体方案设计

本文设计的森林火灾预警系统集数据采集、传输、处理和预警功能于一体，可实现森林火灾状况的实时监测。该系统由三部分构成，如图1 所示。第一部分是终端ZigBee 数据采集节点，主要负责被测森林区域内物理参数的采集、传输。 第二部分是网关节点，主要负责接收来自ZigBee 终端节点的数据并将其打包转发至Internet[5]。 第三部分是远程火灾监测中心，主要负责处理互联网传输的火灾监测数据，并具有参数实时显示，历史数据查询和火灾预警等功能。

图1 系统结构图Fig.1 Systematic structure diagram

2 硬件设计

2.1 参数采集节点硬件设计

终端数据采集节点主要由传感器模块、ZigBee模块和电源模块组成。 传感器模块主要包括温湿度传感器和气体浓度检测传感器，负责采集信息并传至ZigBee 模块。 然后由ZigBee 模块将其传输到WSN 中的簇头，其系统框图如图2 所示。

图2 数据采集节点框图Fig.2 Data acquisition node block diagram

2.1.1 ZigBee 模块电路设计

本文选择CC2530 芯片作为ZigBee 模块的核心，该芯片符合2.4 GHz ISM 通用段应用，可构建功能强大，成本低廉的无线传感器网络。 CC2530 芯片具有5 种不同的运行模式：主动TX 模式，主动RX模式和3 种供电模式，短时模式切换使该芯片成为超低功耗系统的理想选择。CC2530 芯片采用6 mm×6 mm 40 引脚封装，在PCB 性能方面优于其前代CC2430 芯片。CC2530 的基本电路比较简单，如图3所示。 C1～C8 和L1 形成去耦电路，为芯片工作提供稳定的电源。

2.1.2 温湿度采集模块设计

本文选择SHT10 温湿度传感器来收集监测区域的温湿度参数[6]。 该芯片采用SMD 芯片封装，包括能隙式温度测量元件， 电容式聚合物测湿度元件，14 位A/D 转换器和2 线数字接口， 供电电压2.4～5.5 V。 具有速度快、测量精度高、功耗低、抗干扰能力强等优点， 可直接输出完全校准的数字信号，其原理图如图4 所示。

2.1.3 可燃气体浓度检测模块设计

本文选择MQ-2S 芯片作为监测气体浓度的传感器组件[7]。 根据其结构原理，可直接通过调整电路中电阻值来调整MQ-2S 传感器的灵敏度，从而获得适当的报警阈值，电路如图5 所示。

2.1.4 电源模块设计

由于SHT10 芯片和MQ-2S 芯片的工作电压为5 V，CC2530 芯片为3.3 V[8]。 因此，本文使用TPS75601电源转换模块将5 V 转换为3.3 V，为火灾参数采集节点提供可靠的能量。 原理图如图6 所示。

2.2 网关节点软硬件设计

网关节点是监测系统的核心部分。 它接收终端ZigBee 采集节点发送的温度，湿度和气体浓度信等物理信息，经过处理器处理后，通过4G 模块发送到互联网。 由于整个监测网络中网关节点数量少，需处理的数据量大，并且要执行远程监控中心的命令信息。 因此，在选取MCU 时需要考虑多个方面，本设计采用基于ARM11 内核的S3C6410 芯片作为网关节点的处理器。

图3 CC2530 的基本电路Fig.3 Basic circuit of CC2530

图4 SHT10 传感器电路图Fig.4 Circuit diagram of SHT10 sensor

图5 MQ-2S 传感器电路图Fig.5 Circuit diagram of MQ-2S sensor

图6 电源模块原理图Fig.6 Power supply module schematic diagram

图7 网关节点系统框图Fig.7 Gateway node system diagram

由于S3C6410 无法提供可以运行程序并存储它的内存，因此本文通过AM29LV160D 芯片来存储系统程序代码， 利用SDRAM 芯片HY57 V641620 HG 作为扩展存储器[9]。 由于程序直接在Flash 中运行， 因此在读写过程中会出现不同程度的延迟，因此本文将程序安排在SDRAM 中执行。 扩展电路图如图8 所示。

图8 存储器扩展电路图Fig.8 Memory extension circuit diagram

nSCS0 是片选网络标号， 与S3C6410 的XM1CSN0［PINL23］相连接；nOE 是读允许网络标号，与S3C6410 的XM0OEN［PINL4］相连接；nSWE 是写允许网络标号，与S3C6410 的XM1WEN［PINM19］相连接；DATA0～DATA15 是输入与输出的数据网络标号，分别与S3C6410 的XM0DATA0～XM0DATA15相连接。

HY57V641620HG 芯片作为S3C6410 的SDRAM，是系统程序运行时的主要地方。HY57 V641620 HG中BA1 与S3C6410 的XM1 ADDR0［PINH24］相连，BA0 和S3C6410 的XM1 ADDR1［PINJ24］连接。 行地址选通信号线nSRAS 与S3 C6410 的XM1 RASN［PINL44］连接，列地址选通信号线nSCAS 与S3 C6410的XM1 CASN［PINL24］连接，写允许信号nSWE 与S3 C6410 的XM1 WEN［PINM19］连接，读允许信号线nOE 与S3C6410 的XM0 OEN［PINL42］连接。

3 软件设计

3.1 终端采集节点软件设计

终端信息采集节点上电后，CC2530 硬件设备初始化并尝试加入网络。 入网成功后，终端信息采集节点收集温度，湿度和气体浓度数据并将其传输到下一个节点。 无采集指令时，终端信息采集节点开启睡眠模式。 程序流程图如图9 所示。

图9 终端节点程序流程Fig.9 Flow chart of terminal node program

3.2 网关节点软件设计

网关节点上电后，CC2530 设备初始化并建立WSN 网络，接收到终端节点入网请求信息后，网关节点根据实际需要决定是否允许该节点加入网络。若允许该节点加入该网络， 则为其分配网络地址，网关节点开始接收温度、 湿度和气体浓度等数据，并通过串口发送给S3C6410 处理器。 经过处理器处理后通过4G 无线模块将数据传输到远程监控中心。 程序流程图如图10 所示。

图10 网关节点程序流程Fig.10 Flow chart of gateway node program

3.3 远程监控中心软件设计

远程监控中心的系统软件是基于Visual Studio开发平台使用C# 语言开发设计的， 能够实现数据实时显示、预警、历史数据查询等功能[10]。 为提高用户的访问权限和系统安全级别，还设计了登录验证和密码修改部分。

3.3.1 数据监测界面

打开系统软件，进入登录界面，输入正确的登录信息后，单击“确定”按钮进入监控系统，否则提示重新登录。

系统能够对整个监控区域的温度，湿度和气体浓度等信息实时显示。 若数据正常，则状态报警栏会显示绿灯；表若监测到的数据超过系统设定的阈值时，则状态报警栏中的红灯亮，预警系统工作，发送告警信息，提醒工作人员查看具体的报警位置和报警原因。 火情数据监测界面如图11 和图12 所示。

3.3.2 历史数据查询界面设计

历史数据查询接口不仅可以根据所选择的区域，节点和时间段查询特定时间内特定区域内某个节点的历史数据。 它还能够以连续变化曲线的方式显示温度，湿度和气体浓度数据，方便监测人员分析该区域火灾发生的可能性。 历史数据查询界面如图13 所示。

图11 火情数据监测界面Fig.11 Fire data monitoring interface

图12 火灾预警界面Fig.12 Fire warning interface

图13 历史数据查询界面Fig.13 Historical data query interface

4 系统测试

为验证系统可靠性，本文进行了组建网络和温度采集通信测试。 测试系统主要由终端数据采集节点，路由节点和网关节点组成WSNS，为了方便观察WSNS 搭建、 组网以及各类型节点间的通信和地址分配的具体过程， 采用TI 公司开发的Z-Sensor Monitor 软件进行采集的参数信息显示[11]。 测试实物图和结果分别如图14 和图15 所示，图中“SINK RX”为网关节点，路由器节点的地址为0x0001，终端节点的地址分别为0x1430 和0x1431， 采集到的温度分别为22 ℃和21 ℃。

图14 系统测试实物图Fig.14 Physical diagram of system test

图15 ZigBee 组网测试实验图Fig.15 ZigBee networking test experiment diagram

5 结语

本文完成了森林火灾监测预警系统的软硬件开发，包括终端数据采集节点的软硬件设计，网关节点的软硬件设计以及远程火灾监测的软件系统设计。 阐述了具体设计思路，相关部分硬件电路设计、软件程序设计流程。 利用C#语言完成远程火灾监控中心系统的开发，实现了火灾数据的实时监控，实时预警和历史数据查询等功能。 并对开发的系统进行了测试，以证明其有效性和可靠性。