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基于ZigBee的森林火災監(jiān)測系統(tǒng)設計 - 全文

2011年09月23日 11:30 本站整理 作者:網(wǎng)絡 用戶評論(0

引言

  森林火災不僅給人類的經(jīng)濟建設造成巨大損失,破壞生態(tài)環(huán)境,而且還會威脅到人類生命財產(chǎn)安全。

  傳統(tǒng)的人工巡山的防火方式過于簡陋,只能做一些防備措施,不能主動實時監(jiān)控森林的具體情況。一般認為,晴朗、高溫和大風天氣常使森林中可燃物的含水量下降到40%以下,這時最易發(fā)生森林火災。了解森林火災發(fā)生所需的條件,防火系統(tǒng)設計就有跡可循。

  系統(tǒng)只需要收集森林各個位置的環(huán)境參數(shù)( 包括溫濕度、降水量和風力等) ,并將數(shù)據(jù)傳送到指揮中心,對數(shù)據(jù)進行綜合分析處理,即可得出森林火災易發(fā)位置,在第一時間消除隱患,節(jié)省人力和財力。

  ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡具有功率小、成本低的優(yōu)點,因此,本文基于ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡,構(gòu)建了森林火災監(jiān)測系統(tǒng),并通過監(jiān)測森林環(huán)境參數(shù)對數(shù)據(jù)進行分析,從而使環(huán)境參數(shù)得到實時監(jiān)測。

  1 ZigBee 技術概述

  ZigBee 是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡技術,主要用于近距離的無線連接。它能夠?qū)崿F(xiàn)多節(jié)點間的相互協(xié)調(diào)通信,而需要的能量很少; ZigBee 以自組網(wǎng)多跳的方式進行數(shù)據(jù)傳輸,已被認為是較合適的無線傳感網(wǎng)絡的通信協(xié)議。ZigBee 標準是在IEEE 802.

  15. 4 標準的基礎上發(fā)展而來,旨在使不同應用制造商之間能共享一套標準。IEEE 802. 15. 4 是IEEE 組織制定的低速率、無線個人局域網(wǎng)標準,定義了物理層和介質(zhì)訪問控制層。ZigBee 聯(lián)盟對網(wǎng)絡層協(xié)議和API 進行標準化,同時開發(fā)了安全層,應用已較成熟。

  2 系統(tǒng)硬件設計

  無線傳感網(wǎng)絡用于森林防火系統(tǒng),需要在森林里人工散布節(jié)點。這些節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡,以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中所需要的信息,實現(xiàn)對任意地點的信息在任意時間的采集、處理和分析。典型的傳感器網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)由分布式傳感器節(jié)點、路由器節(jié)點、互聯(lián)網(wǎng)和用戶界面等組成。在這個網(wǎng)絡中,傳感器節(jié)點通過多跳中繼方式將數(shù)據(jù)傳到路由器上,由路由器將收集的數(shù)據(jù)通過Internet或者衛(wèi)星傳到遠程控制中心進行集中處理。

  2. 1 系統(tǒng)架構(gòu)

  在ZigBee 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)中,協(xié)議定義了3 種Zig-Bee 設備對象,分別是ZigBee 協(xié)調(diào)器、ZigBee 路由器和終端設備。ZigBee 網(wǎng)絡根據(jù)應用需要可組織成星型網(wǎng)絡、樹狀網(wǎng)絡和網(wǎng)狀網(wǎng)絡。考慮到森林里需要數(shù)據(jù)監(jiān)控采集的網(wǎng)點多,地形復雜且要大面積的網(wǎng)絡覆蓋,本系統(tǒng)采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲。

  2. 2 系統(tǒng)節(jié)點的硬件設計

  系統(tǒng)所有ZigBee 節(jié)點都采用同樣的電路設計,通過寫入相應的程序來完成不同功能。所有節(jié)點都是由JN5121-000-M02 模塊、RS-232 通信接口模塊、驅(qū)動控制輸出模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、模擬信號處理電路、實時時鐘模塊、電源處理模塊和太陽能供電單元共同組成。

  系統(tǒng)硬件框圖如圖1 所示。

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圖1 系統(tǒng)硬件

  系統(tǒng)中的ZigBee 節(jié)點所采用的JN5121-000-M02模塊可以實現(xiàn)較遠距離的無線通信,在空曠地段通信距離超過1 000 m。系統(tǒng)所有節(jié)點采用太陽能供電單元供電,開關電源DC/DC MAX1837。模擬信號處理模塊具有通用的傳感器接口,無論是模擬信號,還是脈沖數(shù)字信號都能得到很好的處理,可以靈活地經(jīng)過設置接入具有標準輸出的傳感器。驅(qū)動控制電路實現(xiàn)對現(xiàn)場脈沖電磁閥的開閉控制。

  2. 2. 1 JN5121-000-M02 模塊

  2006 年,英國Jennic 公司開發(fā)出集成了微處理器和無線收發(fā)器JN5121M0x 系列ZigBee 模塊,其中,JN5121-000-M02 模塊有一個電源放大器和低噪聲放大器,可加大通信距離。JN5121 無線收發(fā)器工作在2. 4 GHz 頻段,內(nèi)部有128 位AES 加密的安全處理器;可以進行硬件處理MAC 地址加速和報文地址檢查,提升通信報文的產(chǎn)生速度,硬件處理報文自動確認以及報文的CRC 生成; 此外,模塊內(nèi)部集成了電源管理芯片和晶振休眠,可降低協(xié)同功耗。

  2. 2. 2 RS-232 通信接口電路

  通信芯片選用的是MAX3222。MAX3222 使用單一電源電壓Vcc,電壓值在3. 3 ~ 5. 5 V 范圍內(nèi)都能正常工作,額定電流為300 μA,可完成TTL 與RS-232 兩種電平之間的轉(zhuǎn)換。另外,它還可以通過

引腳控制驅(qū)動器接收器的工作狀態(tài),啟動或禁止自動降低功能,使其工作在不同的能耗,從而達到降低功耗的目的。本系統(tǒng)MAX3222 的硬件連接電路如圖2所示。RXD0、TXD0、

引腳分別與JN5121 模塊的UART0相應管腳和I /O 接口相連,RXD、TXD、CTS 分別連接到系統(tǒng)的RS-232 接線端子上,完成上位機通信以及JN5121 模塊的程序下載功能。

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圖2 MAX3222 硬件連接圖

  2. 2. 3 驅(qū)動控制輸出模塊

  森林面積大且地形復雜,很難采用有線電源為系統(tǒng)供電,為此選用的電磁閥一般為脈沖式電磁閥。脈沖式電磁閥無需持續(xù)供電,通過瞬間的脈沖信號就能實現(xiàn)電磁閥的開關控制,非常適合在森林中應用。脈沖式電磁閥的工作電壓為直流電壓12 ~ 40 V,它由三線制控制,分別為白線、紅線和黑線。白線為公共端接入線,當白線和紅線之間產(chǎn)生一個12 V 以上的脈沖信號時,電磁閥打開; 當白線和黑線之間產(chǎn)生一個脈沖信號時,電磁閥關閉。

  2. 2. 4 存儲電路模塊

  鐵存儲器( FRAM) 是一種非易失性隨機存取儲存器,它既可以進行非易失性數(shù)據(jù)存儲,又可以像RAM一樣操作。在此,系統(tǒng)采用鐵存儲器FM25L256,它是具有先進鐵電技術制造的32 kB 非易失性存儲器。

  FM25L256 以總線速度進行寫操作,無須延時,僅需幾百納秒; 當數(shù)據(jù)寫入芯片后,下一個總線周期可以立即開始而無須進行數(shù)據(jù)輪詢。此外,F(xiàn)M25L256 具有無限的讀寫次數(shù),且操作功耗非常低,工作電壓在2. 7 ~3. 6 V 之間,工作靜態(tài)電流低至5 μA。

  2. 2. 5 實時時鐘模塊

  實時時鐘模塊主要器件采用PCF8563 時鐘芯片,它是低功耗的CMOS 實時時鐘/日歷芯片,提供1 個可編程時鐘輸出、1 個中斷輸出和掉電檢測器,所有的地址和數(shù)據(jù)通過I2C 總線接口串行傳遞。該芯片為系統(tǒng)提供時間基準,可以根據(jù)設置值采集數(shù)據(jù),定時存入數(shù)據(jù)存儲器,同時也能喚醒微控制器進行自動采集,滿足對實時時鐘芯片的各種需要。

  2. 2. 6 太陽能供電單元

  由于普通電池不能滿足系統(tǒng)長時間的要求,因此,系統(tǒng)采用太陽能供電單元。該單元由太陽能電池組、充電控制器和蓄電池組組成。充電控制器的基本作用是為蓄電池提供最佳的使用壽命,同時保護蓄電池,避免發(fā)生過充電和過放電現(xiàn)象。

  3 軟件設計與實現(xiàn)

  JN5121-000-M02 模塊的軟件是在Jennic 公司的Jennic CodeBlocks 環(huán)境下開發(fā)的,采用Jennic 公司已經(jīng)編寫好的MAC 層軟件,則用戶可通過C 語言編程完成應用層的開發(fā)。系統(tǒng)軟件流程圖如圖3 所示。

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圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

  系統(tǒng)協(xié)調(diào)器設備( 主節(jié)點協(xié)調(diào)器) 的軟件流程如圖3( a) 所示。主節(jié)點的主要功能是對ZigBee 網(wǎng)絡中的各個子節(jié)點進行管理,將上位機監(jiān)測終端下達的測控信息通過ZigBee 網(wǎng)絡發(fā)送到需要測控的子節(jié)點,接收各個子節(jié)點的狀態(tài)信息并將信息發(fā)回給上位機進行數(shù)據(jù)處理和保存。系統(tǒng)的路由設備和數(shù)據(jù)采集控制總端( 子節(jié)點路由器和終端設備) 的軟件流程如圖3( b)所示。子節(jié)點是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制設備的主要執(zhí)行機構(gòu),它的主要功能是接收主節(jié)點的采集控制信息,對接入的不同傳感器進行數(shù)據(jù)采集,并對電磁閥等設備進行控制。其中,路由設備在完成數(shù)據(jù)采集控制的功能外,還具有ZigBee 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)路由中繼功能。

  4 結(jié)束語

  ZigBee 無線傳感技術具有低成本、易實現(xiàn)、數(shù)據(jù)傳輸可靠和低功耗等特點,非常適合于森林火災監(jiān)測。系統(tǒng)采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu),保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,以最大限度地覆蓋需要監(jiān)測的區(qū)域,實時監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境因子,并根據(jù)數(shù)據(jù)變化及時發(fā)現(xiàn)易著火點的精確位置,真正為林火防治降低成本,提高效率。

  但是系統(tǒng)仍存在節(jié)點多、能耗相對較高的缺陷,有待進一步的改進和優(yōu)化。本系統(tǒng)的提出是對無線傳感在林火監(jiān)測方面的應用嘗試,不但為我國林火監(jiān)測研究提出了一種新方向,同時也為無線傳感的應用拓寬了發(fā)展空間。

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