基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的森林火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

何建強(qiáng)，陳 垚，王邊馳

（商洛學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，商洛726000）

綠水青山就是金山銀山，森林作為人類生存和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的必備資源，在保護(hù)生態(tài)平衡方面發(fā)揮著不可替代的作用。 它不僅為人類生活提供必需的木材和其他產(chǎn)品，而且還具有釋放氧氣，改善環(huán)境，儲存水分，調(diào)節(jié)氣候，維持和增加農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)生產(chǎn)等重要作用[1]。 然而，近年來，異常的自然因素和人類的某些不當(dāng)操作引起森林火災(zāi)頻繁發(fā)生。 森林火災(zāi)對社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，生態(tài)平衡，人民生命財產(chǎn)安全構(gòu)成重大威脅，嚴(yán)重制約了植樹造林和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的進(jìn)程[2]。 如何實現(xiàn)準(zhǔn)確的對森林火災(zāi)情況實時監(jiān)測，為森林火災(zāi)的預(yù)警和滅火提供技術(shù)支持，已成為亟待解決的問題。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNS）技術(shù)的快速發(fā)展為森林火災(zāi)監(jiān)測提供了新的技術(shù)方案。 WSNS 可以使用多種類型的傳感器來周期性地采集其覆蓋范圍內(nèi)與火災(zāi)密切相關(guān)的物理參數(shù)信息[3]。 然后，通過無線傳輸?shù)姆绞綄⑾嚓P(guān)參數(shù)發(fā)送至相鄰節(jié)點(diǎn)，并通過自組織網(wǎng)絡(luò)的多跳傳輸模式發(fā)送給遠(yuǎn)程火災(zāi)監(jiān)控中心[4]。 從而實現(xiàn)了主要森林區(qū)域全天候?qū)崟r監(jiān)測和預(yù)警的目標(biāo)。 因此，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采用ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了森林火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。 該系統(tǒng)可以實時的監(jiān)測森林物理參數(shù)信息，更好地防止森林火災(zāi)的發(fā)生，為人們的生活帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本文設(shè)計的森林火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)集數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理和預(yù)警功能于一體，可實現(xiàn)森林火災(zāi)狀況的實時監(jiān)測。該系統(tǒng)由三部分構(gòu)成，如圖1 所示。第一部分是終端ZigBee 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)被測森林區(qū)域內(nèi)物理參數(shù)的采集、傳輸。 第二部分是網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)接收來自ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并將其打包轉(zhuǎn)發(fā)至Internet[5]。 第三部分是遠(yuǎn)程火災(zāi)監(jiān)測中心，主要負(fù)責(zé)處理互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)幕馂?zāi)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并具有參數(shù)實時顯示，歷史數(shù)據(jù)查詢和火災(zāi)預(yù)警等功能。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Systematic structure diagram

2 硬件設(shè)計

2.1 參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計

終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主要由傳感器模塊、ZigBee模塊和電源模塊組成。 傳感器模塊主要包括溫濕度傳感器和氣體濃度檢測傳感器，負(fù)責(zé)采集信息并傳至ZigBee 模塊。 然后由ZigBee 模塊將其傳輸?shù)絎SN 中的簇頭，其系統(tǒng)框圖如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)框圖Fig.2 Data acquisition node block diagram

2.1.1 ZigBee 模塊電路設(shè)計

本文選擇CC2530 芯片作為ZigBee 模塊的核心，該芯片符合2.4 GHz ISM 通用段應(yīng)用，可構(gòu)建功能強(qiáng)大，成本低廉的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 CC2530 芯片具有5 種不同的運(yùn)行模式：主動TX 模式，主動RX模式和3 種供電模式，短時模式切換使該芯片成為超低功耗系統(tǒng)的理想選擇。CC2530 芯片采用6 mm×6 mm 40 引腳封裝，在PCB 性能方面優(yōu)于其前代CC2430 芯片。CC2530 的基本電路比較簡單，如圖3所示。 C1～C8 和L1 形成去耦電路，為芯片工作提供穩(wěn)定的電源。

2.1.2 溫濕度采集模塊設(shè)計

本文選擇SHT10 溫濕度傳感器來收集監(jiān)測區(qū)域的溫濕度參數(shù)[6]。 該芯片采用SMD 芯片封裝，包括能隙式溫度測量元件， 電容式聚合物測濕度元件，14 位A/D 轉(zhuǎn)換器和2 線數(shù)字接口， 供電電壓2.4～5.5 V。 具有速度快、測量精度高、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)， 可直接輸出完全校準(zhǔn)的數(shù)字信號，其原理圖如圖4 所示。

2.1.3 可燃?xì)怏w濃度檢測模塊設(shè)計

本文選擇MQ-2S 芯片作為監(jiān)測氣體濃度的傳感器組件[7]。 根據(jù)其結(jié)構(gòu)原理，可直接通過調(diào)整電路中電阻值來調(diào)整MQ-2S 傳感器的靈敏度，從而獲得適當(dāng)?shù)膱缶撝?，電路如圖5 所示。

2.1.4 電源模塊設(shè)計

由于SHT10 芯片和MQ-2S 芯片的工作電壓為5 V，CC2530 芯片為3.3 V[8]。 因此，本文使用TPS75601電源轉(zhuǎn)換模塊將5 V 轉(zhuǎn)換為3.3 V，為火災(zāi)參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)提供可靠的能量。 原理圖如圖6 所示。

2.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分。 它接收終端ZigBee 采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送的溫度，濕度和氣體濃度信等物理信息，經(jīng)過處理器處理后，通過4G 模塊發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)。 由于整個監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)量少，需處理的數(shù)據(jù)量大，并且要執(zhí)行遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的命令信息。 因此，在選取MCU 時需要考慮多個方面，本設(shè)計采用基于ARM11 內(nèi)核的S3C6410 芯片作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的處理器。

圖3 CC2530 的基本電路Fig.3 Basic circuit of CC2530

圖4 SHT10 傳感器電路圖Fig.4 Circuit diagram of SHT10 sensor

圖5 MQ-2S 傳感器電路圖Fig.5 Circuit diagram of MQ-2S sensor

圖6 電源模塊原理圖Fig.6 Power supply module schematic diagram

圖7 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框圖Fig.7 Gateway node system diagram

由于S3C6410 無法提供可以運(yùn)行程序并存儲它的內(nèi)存，因此本文通過AM29LV160D 芯片來存儲系統(tǒng)程序代碼， 利用SDRAM 芯片HY57 V641620 HG 作為擴(kuò)展存儲器[9]。 由于程序直接在Flash 中運(yùn)行， 因此在讀寫過程中會出現(xiàn)不同程度的延遲，因此本文將程序安排在SDRAM 中執(zhí)行。 擴(kuò)展電路圖如圖8 所示。

圖8 存儲器擴(kuò)展電路圖Fig.8 Memory extension circuit diagram

nSCS0 是片選網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號， 與S3C6410 的XM1CSN0［PINL23］相連接；nOE 是讀允許網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號，與S3C6410 的XM0OEN［PINL4］相連接；nSWE 是寫允許網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號，與S3C6410 的XM1WEN［PINM19］相連接；DATA0～DATA15 是輸入與輸出的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號，分別與S3C6410 的XM0DATA0～XM0DATA15相連接。

HY57V641620HG 芯片作為S3C6410 的SDRAM，是系統(tǒng)程序運(yùn)行時的主要地方。HY57 V641620 HG中BA1 與S3C6410 的XM1 ADDR0［PINH24］相連，BA0 和S3C6410 的XM1 ADDR1［PINJ24］連接。 行地址選通信號線nSRAS 與S3 C6410 的XM1 RASN［PINL44］連接，列地址選通信號線nSCAS 與S3 C6410的XM1 CASN［PINL24］連接，寫允許信號nSWE 與S3 C6410 的XM1 WEN［PINM19］連接，讀允許信號線nOE 與S3C6410 的XM0 OEN［PINL42］連接。

3 軟件設(shè)計

3.1 終端采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

終端信息采集節(jié)點(diǎn)上電后，CC2530 硬件設(shè)備初始化并嘗試加入網(wǎng)絡(luò)。 入網(wǎng)成功后，終端信息采集節(jié)點(diǎn)收集溫度，濕度和氣體濃度數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)较乱粋€節(jié)點(diǎn)。 無采集指令時，終端信息采集節(jié)點(diǎn)開啟睡眠模式。 程序流程圖如圖9 所示。

圖9 終端節(jié)點(diǎn)程序流程Fig.9 Flow chart of terminal node program

3.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上電后，CC2530 設(shè)備初始化并建立WSN 網(wǎng)絡(luò)，接收到終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)請求信息后，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)根據(jù)實際需要決定是否允許該節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。若允許該節(jié)點(diǎn)加入該網(wǎng)絡(luò)， 則為其分配網(wǎng)絡(luò)地址，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)開始接收溫度、 濕度和氣體濃度等數(shù)據(jù)，并通過串口發(fā)送給S3C6410 處理器。 經(jīng)過處理器處理后通過4G 無線模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心。 程序流程圖如圖10 所示。

圖10 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序流程Fig.10 Flow chart of gateway node program

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心軟件設(shè)計

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的系統(tǒng)軟件是基于Visual Studio開發(fā)平臺使用C# 語言開發(fā)設(shè)計的， 能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)實時顯示、預(yù)警、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能[10]。 為提高用戶的訪問權(quán)限和系統(tǒng)安全級別，還設(shè)計了登錄驗證和密碼修改部分。

3.3.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測界面

打開系統(tǒng)軟件，進(jìn)入登錄界面，輸入正確的登錄信息后，單擊“確定”按鈕進(jìn)入監(jiān)控系統(tǒng)，否則提示重新登錄。

系統(tǒng)能夠?qū)φ麄€監(jiān)控區(qū)域的溫度，濕度和氣體濃度等信息實時顯示。 若數(shù)據(jù)正常，則狀態(tài)報警欄會顯示綠燈；表若監(jiān)測到的數(shù)據(jù)超過系統(tǒng)設(shè)定的閾值時，則狀態(tài)報警欄中的紅燈亮，預(yù)警系統(tǒng)工作，發(fā)送告警信息，提醒工作人員查看具體的報警位置和報警原因。 火情數(shù)據(jù)監(jiān)測界面如圖11 和圖12 所示。

3.3.2 歷史數(shù)據(jù)查詢界面設(shè)計

歷史數(shù)據(jù)查詢接口不僅可以根據(jù)所選擇的區(qū)域，節(jié)點(diǎn)和時間段查詢特定時間內(nèi)特定區(qū)域內(nèi)某個節(jié)點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)。 它還能夠以連續(xù)變化曲線的方式顯示溫度，濕度和氣體濃度數(shù)據(jù)，方便監(jiān)測人員分析該區(qū)域火災(zāi)發(fā)生的可能性。 歷史數(shù)據(jù)查詢界面如圖13 所示。

圖11 火情數(shù)據(jù)監(jiān)測界面Fig.11 Fire data monitoring interface

圖12 火災(zāi)預(yù)警界面Fig.12 Fire warning interface

圖13 歷史數(shù)據(jù)查詢界面Fig.13 Historical data query interface

4 系統(tǒng)測試

為驗證系統(tǒng)可靠性，本文進(jìn)行了組建網(wǎng)絡(luò)和溫度采集通信測試。 測試系統(tǒng)主要由終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成WSNS，為了方便觀察WSNS 搭建、 組網(wǎng)以及各類型節(jié)點(diǎn)間的通信和地址分配的具體過程， 采用TI 公司開發(fā)的Z-Sensor Monitor 軟件進(jìn)行采集的參數(shù)信息顯示[11]。 測試實物圖和結(jié)果分別如圖14 和圖15 所示，圖中“SINK RX”為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，路由器節(jié)點(diǎn)的地址為0x0001，終端節(jié)點(diǎn)的地址分別為0x1430 和0x1431， 采集到的溫度分別為22 ℃和21 ℃。

圖14 系統(tǒng)測試實物圖Fig.14 Physical diagram of system test

圖15 ZigBee 組網(wǎng)測試實驗圖Fig.15 ZigBee networking test experiment diagram

5 結(jié)語

本文完成了森林火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)，包括終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計以及遠(yuǎn)程火災(zāi)監(jiān)測的軟件系統(tǒng)設(shè)計。 闡述了具體設(shè)計思路，相關(guān)部分硬件電路設(shè)計、軟件程序設(shè)計流程。 利用C#語言完成遠(yuǎn)程火災(zāi)監(jiān)控中心系統(tǒng)的開發(fā)，實現(xiàn)了火災(zāi)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控，實時預(yù)警和歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。 并對開發(fā)的系統(tǒng)進(jìn)行了測試，以證明其有效性和可靠性。