基于ZigBee和ARM技術的森林火情監(jiān)測系統(tǒng)的設計

謝騰，陳壽元，邵增珍

（山東師范大學 信息科學與工程學院 山東省分布式計算機軟件新技術重點實驗室，山東 濟南 250014）

基于ZigBee和ARM技術的森林火情監(jiān)測系統(tǒng)的設計

謝騰，陳壽元，邵增珍

（山東師范大學 信息科學與工程學院 山東省分布式計算機軟件新技術重點實驗室，山東 濟南 250014）

介紹了基一種基于ZigBee和ARM技術的無線森林火情監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用無線傳感網(wǎng)絡結合上位機數(shù)據(jù)處理中心的框架，采取ZigBee和短波無線通信方案，融合了傳感器網(wǎng)絡、ARM等工控技術，實現(xiàn)了森林環(huán)境參數(shù)采集和傳輸。在系統(tǒng)的總體框架下，重點分析了ZigBee組網(wǎng)的的設計方案，包括軟件設計和硬件設計。最后，對節(jié)點性能和整個監(jiān)控系統(tǒng)進行了測試，證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和其數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

ARM；ZigBee；短波；無線通信

森林在國民經(jīng)濟中占有重要地位，然而，森林火災會給森林帶來嚴重危害。但是，人類在制服森林火災上，卻依然尚未取得突破性的進展，于是在火災還在萌芽狀態(tài)立即撲滅它就顯得尤為重要。因此推廣森林火情監(jiān)測系統(tǒng)具有非常中的價值和意義。

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡和支持向量機的降水量空間插值對比研究——以甘肅省為例 李純斌,劉永峰,吳 靜，等Ⅳ(12)

森林火情監(jiān)控系統(tǒng)利用預設在森里中的各種不同功能的傳感器節(jié)點采集各類森里環(huán)境參數(shù)，傳輸?shù)缴衔粰C，利用信息管理軟件，進行數(shù)據(jù)存儲、顯示、分析處理等操作，對異常情況進行預測和報警。

目前，我國還有部分的森林火情監(jiān)控還采用興建瞭望塔、建立視頻監(jiān)控等方式。因為森林火災經(jīng)常發(fā)生在人煙罕至的原始森林中，因此上述方式存在著諸多不足。鑒于此，提出了一種基于ZigBee+短波無線通信的森林火情監(jiān)控系統(tǒng)。ZigBee是一種近距離通信技術，適合傳感器節(jié)點的組網(wǎng)要求；短波作為一種遠距離無線通信技術，在遠程數(shù)據(jù)傳輸方面有著獨到的優(yōu)勢。以上二者的優(yōu)勢互補，在森里火情監(jiān)測系統(tǒng)中具有廣闊的應用前景[1]。

1 通信系統(tǒng)總體設計方案

整個系統(tǒng)由3部分構成，如圖1所示。

在外圍設備接口電路方面，由于TM32F103C8和數(shù)傳電臺以及ZigBee模塊均為串口連接，在電路設計方面簡單可靠。TM32F103C8的程序燒寫方式采用在系統(tǒng)（ISP），采用ST的ISP軟件，設置完芯片的啟動模式為system memory，即可通過串口和ISP軟件來下載Bin文件。程序下載板主要由一塊美信公司MAX3232電平轉換芯片構成。其能夠將PC串口標準（RS232）轉轉換為TM32F103C8串口TTL標準。

考慮到具體的硬件電路圖設計比較繁雜，在此給出Coor-Node的節(jié)點的硬件設計框圖，STM32F103C8是數(shù)傳電臺和ZigBee模塊的中間層，通過兩個串口分別連接數(shù)傳電臺和ZigBee，作為模擬電臺數(shù)據(jù)和ZigBee數(shù)據(jù)的交互層，通過對其軟件進行編程，實現(xiàn)兩種網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的轉化[4]。

2）中繼節(jié)點 一個帶有為控制器的網(wǎng)絡中繼節(jié)點，具有短波和ZigBee兩種協(xié)議數(shù)據(jù)的轉換能力，ZigBee模塊部分接受ZigBee網(wǎng)絡采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后，通過短波數(shù)傳電臺傳送送遠程上位機監(jiān)控中心，同時通過短波數(shù)傳電臺也能夠從上位機獲得各種控制和設置指令，并把這些指令傳送到ZigBee網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)對對監(jiān)測網(wǎng)絡的設置。

國土資源行政應訴的七大技巧（謝偉） ..........................................................................................................9-46

圖1 系統(tǒng)框架圖Fig.1 Structure diagram of the system

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件設計主要以STM32F103C8為中心設計其外圍電路，包括電源電路設計、時鐘電路設計、復位電路設計，存儲電路設計和接口電路設計等方面。

圖2 Coor-Node節(jié)點硬件設計框圖Fig.2 Structure diagram of Coor-Node hardware design

Coor-Node處在系統(tǒng)的中間層，既要與無線傳感器網(wǎng)絡進行通信，又要與通過數(shù)傳電臺與上位機監(jiān)控中心進行數(shù)據(jù)交互，這就要求其具有較強的數(shù)據(jù)處理能力?；诖丝紤]，本設計方案選用了ST公司的STM32F103C8作為微控制器。STM32F103C8是基于一個實時仿真和跟蹤的32位CortexTM-M3 core CPU的微控制器，并帶有64 kB嵌入的高速 Flash存儲器。采用48腳封裝、極低的功耗，多個32位定時器，2路12位的ADC、1個CAN總線以及多達7個的外部中斷。

數(shù)傳電臺模塊選用FY602型號的數(shù)傳電臺，載頻433 MHz ISM頻段，無需申請頻段，接口速率和信道速率可達到38 400 bps。干擾性強，接收靈敏度高，應用廣泛。

3）上位機監(jiān)控中心 上位機端，電臺將接收到的模擬信號轉化為數(shù)字信號，并數(shù)據(jù)由串口輸入上位機的管理軟件中，從而實現(xiàn)整個監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)的設置和森林環(huán)境參數(shù)的的顯示、查詢、存儲等功能[2]。

ZigBee模塊DIGI公司推出的新型XBP24-BWIT-004，250 kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。1 600 M的通信距離，支持AT和API命令集，工作頻段為868/915 MHz。特別適合遠距離的組網(wǎng)要求。

9月25日下午，第五屆黃河國際論壇水領導人高層論壇舉行。水利部部長陳雷在論壇講話并回答現(xiàn)場提問。水利部副部長胡四一，聯(lián)合國教科文組織前副總干事、聯(lián)合國教科文組織水教育學院院長納吉共同主持論壇。水利部副部長李國英，水利部黃河水利委員會主任陳小江，水利部總工程師汪洪、總規(guī)劃師周學文等出席。

第1步：根據(jù)組別T分層，分別對Y（成功與否）做Logistic回歸，得到兩個Logistic模型。即當T=1時得到模型A，當T=0時得到模型B。

系統(tǒng)硬件設計有ZigBee網(wǎng)絡的End-Node和Coor-Node節(jié)點與中繼節(jié)點3部分組成。End節(jié)點采用XBee PRO 900 XSC模塊作為無線收發(fā)模塊，Coor-Node節(jié)點采用ARM7+XBee PRO 900 XSC+Pt-205模塊構成。中繼節(jié)點采用Pt-205模塊短波傳輸模塊。以下分析Coor-Node節(jié)點的硬件設計方案。Coor-Node節(jié)點硬件設計框圖如圖2所示。

在Coor-Node電路板上因很多芯片的工作電壓和電流不同，因此電源部分的設計非常關鍵。整個系統(tǒng)有外部的12 V的太陽蓄電池供電，而TM32F103C8的工作電壓為1.8 V，I/O工作電壓為3.3 V，數(shù)傳電臺的工作電壓為4.5～5.5 V，ZigBee模塊的供電電壓為3.3 V，因此選擇LM2576-5.0，MIC29302及AMS1117系列的電壓轉換芯片，得到各芯片相應的工作電壓。電源部分的設計思想如圖3所示[3]。

圖3 電源轉換示意圖Fig.3 Diagram of the power conversion

相對電源部分，時鐘電路和硬件復位電路的設計相對簡單，時鐘晶振采用12 MHZ的外部晶振電路，硬件復位電路采用MAX813復位芯片實現(xiàn)。由于TM32F103C8只具有64KB的片內Flash存儲器和20 kB的SRAM，只能夠滿足系統(tǒng)的基本需求，有考慮到ZigBee子節(jié)點地址等相關系統(tǒng)參數(shù)的存儲問題，所以外擴了一塊8 MB的Flash和以一塊32 k的Sram62256.

1）ZigBee網(wǎng)絡 該網(wǎng)絡中的ZigBee模塊按功能不同，可分為End-Node和Coor-Node。End，是一種帶有傳感器的數(shù)據(jù)采集節(jié)點，采集并無線發(fā)送森林環(huán)境信息；Coor-Node的組成，用途。在單個網(wǎng)絡內，所有的End-Node和Coor-Node節(jié)點按照ZigBee協(xié)議組成星型網(wǎng)絡。

相比TM32F103C8，由于數(shù)傳電臺和XBee都是模塊的封裝，其外圍電路設計比較簡單。Xbee模塊的串口與TM32F103C8的串口0直接連接。數(shù)傳電臺的串口與TM32F103C8的串口1直接連接。另外，在實際應用中，為了增加系統(tǒng)可視化，在硬件電路上增加數(shù)碼管顯示和LED指示燈，可通過數(shù)碼管和LED的狀態(tài)了解Coor-Node節(jié)點的運行情況，如與中繼節(jié)點的連接，芯片正常工作，接受和發(fā)送森林環(huán)境參數(shù)等[5-6]。

3 系統(tǒng)軟甲設計

系統(tǒng)軟件設計分為4部分：XBee模塊的單片機軟件編程，Coor-Node的節(jié)點TM32F103C8軟件編程，中繼節(jié)點軟件編程，上位機管理軟件的設計。在此只介紹XBee模塊的軟件編程。XBee軟件編程包括采集節(jié)點的XBee模塊上的單片機編程和Coor-Node節(jié)點的XBee模塊上的單片機編程。

Coor-Node節(jié)點的XBee模塊上的單片機編程。Coor-Node節(jié)點的XBee模塊在構建的星型網(wǎng)絡中作為協(xié)調器，協(xié)議棧初始化，創(chuàng)建PAN CO-ORDINATOR，選擇PAN ID和Coor-Node的短地址，選擇空閑信道，啟動網(wǎng)絡，轉發(fā)數(shù)據(jù)。協(xié)調器軟件流程圖如圖4所示。

當反常出現(xiàn)后，當自然界以某種方式違反支配常規(guī)科學所做的預測后，此時科學共同體成員則會對反常的現(xiàn)象和領域進行一定的研究，以便找出問題所在，通過調整范式來消解這種反常?！鞍l(fā)現(xiàn)始于意識到反常，即始于認識到自然界總是以某種方法違反支配常規(guī)科學的范式所做的預測?！盵2]44由此可見，出現(xiàn)反常現(xiàn)象后，調整范式是關鍵的一步。范式有能力迫使科學共同體成員去處理這種反常，因此，范式不僅僅是被動的被利用的，它也有主動的一面。科學共同體依賴于范式的時候，范式便由被動的狀態(tài)變?yōu)橹鲃拥臓顟B(tài)，由靜態(tài)轉變?yōu)閯討B(tài)。

圖4 協(xié)調器軟件流程圖Fig.4 Flow chart the Coor-Node software

End-Node節(jié)點的XBee模塊的編程，首先協(xié)議棧初始化，然后掃描信道發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中的協(xié)調器Coor-Node節(jié)點，通過相應的信道發(fā)送加入網(wǎng)絡的請求，一旦Coor-Node節(jié)點接受了該設備，它將發(fā)送一個16位的短地址給設備，作為設備在網(wǎng)絡中標識。

學校與醫(yī)院共同建立教學評價制度，創(chuàng)建“評價主體多元、形式多元、關注過程和能力”的考核評價體系，尤其注重實習的“出科”技能考核和帶教教師對學生綜合素質的評價；共同舉辦全省護理技能大賽，聘請醫(yī)院護理專家擔任評委。目前學校已與貴州省人民醫(yī)院、貴州省武警醫(yī)院共同舉辦省級護理技能大賽5次。

系統(tǒng)任務定時進行喂狗和向上位機發(fā)送心跳幀。定時喂狗可以在程序“跑飛”和“死鎖”情況下實現(xiàn)自動復位；在數(shù)據(jù)上傳間隔時間較長的情況下，定時發(fā)送心跳幀能夠檢測設備是否正常工作。

4 結 論

以上提出了一種新的基于ZigBee和ARM的無線森林火情監(jiān)測系統(tǒng)，有機結合了ARM高效的處理技術、短波靈活的遠程數(shù)據(jù)傳輸技術和ZigBee的低成本、低功耗等特點，經(jīng)實驗表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可靠性強，該系統(tǒng)在森林火情監(jiān)測中有良好的應用前景。

[1]宋蜇存，陳寧，李迪飛.ZigBee無線傳感技術在森林火災監(jiān)測中的應用[J].自動化儀表，2011（4）:84-86.

SONG Zhe-cun，CHEN Ning，LIDi-fei.Application of ZigBee wireless sensor technology in forest conflagration surveillance[J].Process Automation Instrumentation，2011（4）:84-86.

[2]周慧玲，甘典文，王智威，等.基于ARM/GPRS/ZIGBEE技術的無線糧情監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) [J].測控技術，2011（2）:11-15.

ZHOU Hui-ling，GAN Dian-wen，WANG Zhi-wei，etal.Design and realization of wireless grain monitoring system based on ARM/GPRS/ZigBee[J].Measurement&Control Technology，2011（2）:11-15.

[3]呂治安.ZigBee網(wǎng)絡原理與應用開發(fā)[M].北京:北京航空航天大學出版社，2008.

[4]ZigBee-Specification 2007，ZigBee協(xié)議棧2007[S].

[5]武風波，強云霄.基于ZigBee技術的遠程無線溫濕度測控系統(tǒng)的設計[J].西北大學學報：自然科版，2008（5）:731-734.

WU Feng-bo，QIANG Yun-xiao.Observation and control system based on ZigBee technology[J].Journal of Northwest University:Natrual Science Edition，2008（5）:731-734.

[6]張英梅，傅仕杰.STM32的智能溫室控制系統(tǒng)[J].軟件.2010（12）:14-18.

ZHANG Ying-mei，F(xiàn)U Shi-jie.STM32’S controling system of intelligent greenhouse[J].Software，2010（12）:14-18.

Design of wireless forest fire monitoring communication system based on ZigBee and ARM

XIE Teng，CHEN Shou-yuan， SHAO Zeng-zhen
（Shandong Province Key Laboratory for Distributed Computer Software Novel Technology，Institute of Information Science&Engineering，Shandong Normal University，Jinan250014，China）

A solution of wireless forest fire monitoring system based on ZigBee and ARM technology is introduced.This system combines a framework of wireless sensor network with host data processing center.Wireless sensor networks，ARM and other industrial technologies are involved in the system to achieve the functions of collection and transmission on forest environment parameters.ZigBee and shortwave are respectively used for wireless communication between End-Node， Router-Node，Coordinator-Node and host computer.Under the systemic framework，the design of ZigBee network is mainly analyzed，including its hardware design and software design.Finally，node performance and monitoring system are tested to prove its stability and reliability of transmission.

ARM；ZigBee；shortwave；wireless communiaciton

TN92

A

1674－6236（2012）04-0146-03

2011-11-02 稿件編號：201111010

山東省科技發(fā)展計劃項目（2009GG10001008）；山東省自然科學基金（ZR2011FQ029，ZR2011FL026）

謝 騰（1986—），男，山東濟寧人，碩士研究生。研究方向：數(shù)據(jù)通信理論與技術。