基于Zigbee的森林火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

曹波 許月妮

ZigBee技術(shù)屬于一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率、低成本的無線通信技術(shù)，它的應(yīng)用范圍廣泛，主要應(yīng)用于遙控和自動控制領(lǐng)域，并具有地理定位功能。相對于已有的多種無線通信技術(shù)而言，ZigBee技術(shù)更適合于攜帶少量的數(shù)據(jù)流。

（一）MAC層

MAC層是實現(xiàn)特殊業(yè)務(wù)匯聚與物理層間通信的關(guān)鍵技術(shù)。MAC層在概念上還包括一個MLME，它為MAC層提供了一個管理服務(wù)界面；另外，MLME還建立了MAC PAN系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫。

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中的MAC子層，其功能包括：①支持PAN連接和解連接；②協(xié)調(diào)程序生成網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)；③一種處理與維持保障槽（GTS）機(jī)制；④基于CSMA-CA的通道接入機(jī)制；⑤提供兩點對點的MAC實體之間的可靠連結(jié)。

（二）網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層必須能夠保障MAC層的正常運(yùn)行，并且能夠為應(yīng)用層提供適當(dāng)?shù)臉I(yè)務(wù)接口。在與應(yīng)用層連接的過程中，NLDE的主要業(yè)務(wù)有：①基于應(yīng)用支持子層PDU，添加適當(dāng)?shù)膮f(xié)議頭產(chǎn)生NPDU；②按照拓?fù)渎酚?，向通信鏈路的目的地地址裝置或者向通信鏈路上下一個跳躍裝置發(fā)送一個NPDU。NLME提供針對應(yīng)用和協(xié)議棧的管理服務(wù)。

（三）應(yīng)用層

ZigBee的應(yīng)用程序?qū)影☉?yīng)用程序、應(yīng)用程序框架、應(yīng)用程序?qū)ο蟮取PS子層實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的管理。Binding是一種將兩臺設(shè)備按照業(yè)務(wù)和需要相匹配的功能。其中，ZDO的任務(wù)是確定網(wǎng)絡(luò)中裝置的作用（ZigBee協(xié)調(diào)器、路由器或終端裝置），初始化并響應(yīng)此綁定請求，并且在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立安全關(guān)系。另外，ZDO還負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并理解其提供的服務(wù)。

（一）節(jié)點的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在WSN中，節(jié)點部署（也就是覆蓋）是一個非常重要的問題。高效的節(jié)點配置，可以在最小的節(jié)點數(shù)量下，獲得最準(zhǔn)確和完整的信息，降低冗余信息的處理，減少節(jié)點的能耗。節(jié)點的部署模式有兩種，即有控制的部署模式和隨機(jī)的部署模式。隨機(jī)布點的方法以飛機(jī)布點為主，在節(jié)點消耗較少、監(jiān)測區(qū)條件較差的情況下，可采用該方法。在此基礎(chǔ)上，提出了一種新的數(shù)據(jù)采集方法。大多數(shù)的控制部署都是以柵格為基礎(chǔ)，目前隨機(jī)配置只是一種理論上的配置方法，在實際應(yīng)用中還有許多問題有待解決；六邊形柵格的控制布置更能充分利用空間，占用更少的節(jié)點。在傳統(tǒng)的傳感網(wǎng)絡(luò)中，大量的終端節(jié)點被集中在一個單一的協(xié)調(diào)者身上，這給傳感網(wǎng)絡(luò)帶來了巨大的能量消耗和可靠性等問題。在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種將多個協(xié)作節(jié)點貫穿到整個傳感網(wǎng)絡(luò)中的方法，該方法既可減少多個協(xié)作節(jié)點之間的相互干擾，又可減輕單個協(xié)作節(jié)點的工作負(fù)擔(dān)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

（二）硬件電路設(shè)計

本研究項目利用ZigBee技術(shù)設(shè)計了火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，并對其硬件進(jìn)行了詳細(xì)分析。其中，傳感器模塊主要負(fù)責(zé)對森林中各傳感器附近的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，并將這些參數(shù)傳送到ZigBee控制器中，對其進(jìn)行相應(yīng)處理。在此基礎(chǔ)上，以網(wǎng)絡(luò)為中心，向協(xié)作節(jié)點的ZigBee控制模塊發(fā)送消息。

1.ZigBee控制模塊電路設(shè)計

使用CC2530作為ZigBee控制電路模塊的主要控制芯片。其核心8051的特點是功耗低，性能好。同時具有5種工作方式，5通道DMA，8通道分辨率，12位定時器，電池監(jiān)控器，溫度傳感器，安全協(xié)處理器和21個常用的I/O管腳。CC2530系列產(chǎn)品性能穩(wěn)定，功能全面，使用范圍很廣。

2.傳感器模塊電路設(shè)計

NIS-05A主要用來檢測火災(zāi)時產(chǎn)生的濃煙和房屋內(nèi)的塵埃。該傳感器是一種最大供電電壓24V，電流消耗15±2pA（9V電壓提供時）的低輻射標(biāo)準(zhǔn)傳感器。但其阻抗值較高（100左右），極易受到外部電子噪聲的影響。因此，在印制電路板時，必須重視對該傳感電路的防護(hù)。通常在接頭處用聚四氟乙烯做支撐，或在空氣中用聚四氟乙烯做焊絲，而不接觸印刷電路板。調(diào)諧電路包括一個VCC1，一個電壓輸出端2，以及一個接地端3。NIS-05A的阻抗較高，其2腳的輸出電流較低，而目前常用的運(yùn)算放大器輸入阻抗較低，無法實現(xiàn)電流的放大。所以，為了保證電流的放大而又不會造成電壓的畸變，就需要選用具有極高輸入阻抗的運(yùn)算放大器。煙霧檢測報警流程如圖2所示。

3.系統(tǒng)節(jié)點軟件設(shè)計

在森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)中，大多數(shù)的傳感節(jié)點都起著終端的作用，主要是收集環(huán)境信息。真實的WSN需要將ZigBee中的傳感數(shù)據(jù)和WSN相結(jié)合。該系統(tǒng)的軟件部分，主要完成了WSN的構(gòu)造。協(xié)作節(jié)點負(fù)責(zé)構(gòu)建ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，在此基礎(chǔ)上，各協(xié)作節(jié)點按照事先設(shè)定好的協(xié)作節(jié)點設(shè)備，定期向相應(yīng)的協(xié)作節(jié)點發(fā)送信息，并將所收集到的信息以串行方式傳輸給用戶監(jiān)測中心。根據(jù)事先設(shè)定好的協(xié)調(diào)者節(jié)點裝置，終端節(jié)點會自動加入到這個網(wǎng)絡(luò)中，將數(shù)據(jù)以陣列的方式存儲，并將其傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)節(jié)點；該數(shù)組為標(biāo)記節(jié)點預(yù)留了一個字節(jié)。在此基礎(chǔ)上，由協(xié)調(diào)者結(jié)點接收并由終端結(jié)點發(fā)送的報文，會按照預(yù)先設(shè)定好的“幀”格式發(fā)送給上位機(jī)。

4.監(jiān)控軟件設(shè)計

本研究項目利用VB編寫了林火監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測界面，使監(jiān)測界面簡單，可擴(kuò)展性好，實用性強(qiáng)。系統(tǒng)的主要功能模塊有火災(zāi)預(yù)警模塊、節(jié)點參數(shù)的顯示模塊、觀察節(jié)點的選擇按鈕。在火警預(yù)警模塊中，實現(xiàn)了對受火警威脅節(jié)點的實時顯示，并根據(jù)觀察點選取菜單，對監(jiān)控點進(jìn)行任意選取；通過對節(jié)點參數(shù)的顯示，可以對節(jié)點參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的描述，從而對節(jié)點參數(shù)進(jìn)行判斷。

本文采用ZigBee技術(shù)開發(fā)了一套能夠采集4種不同環(huán)境條件下的火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，并實現(xiàn)了可擴(kuò)充的傳感器模塊。在無線網(wǎng)絡(luò)中，我們以六邊形的控制布局與多個協(xié)作節(jié)點取代一對多的傳統(tǒng)模式，從而實現(xiàn)大范圍、低能耗、高可靠等優(yōu)勢。監(jiān)控系統(tǒng)具有較高的集成性和較好的擴(kuò)展性；該系統(tǒng)的各節(jié)點軟件具有較好的結(jié)構(gòu)，通過多播方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，在數(shù)據(jù)傳輸時添加了鑒別標(biāo)志，具有較高的傳輸可靠性。

作者單位：南寧師范大學(xué)