引言

　　森林火災不僅給人類的經濟建設造成巨大損失，破壞生態環境，而且還會威脅到人類生命財產安全。

　　傳統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，這時最易發生森林火災。了解森林火災發生所需的條件，防火系統設計就有跡可循。

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

　　ZigBee 無線傳感網絡具有功率小、成本低的優點，因此，本文基于ZigBee 無線傳感網絡，構建了森林火災監測系統，并通過監測森林環境參數對數據進行分析，從而使環境參數得到實時監測。

　　1 ZigBee 技術概述

　　ZigBee 是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術，主要用于近距離的無線連接。它能夠實現多節點間的相互協調通信，而需要的能量很少； ZigBee 以自組網多跳的方式進行數據傳輸，已被認為是較合適的無線傳感網絡的通信協議。ZigBee 標準是在IEEE 802.

　　15. 4 標準的基礎上發展而來，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、無線個人局域網標準，定義了物理層和介質訪問控制層。ZigBee 聯盟對網絡層協議和API 進行標準化，同時開發了安全層，應用已較成熟。

　　2 系統硬件設計

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

　　2. 1 系統架構

　　在ZigBee 網絡拓撲結構中，協議定義了3 種Zig-Bee 設備對象，分別是ZigBee 協調器、ZigBee 路由器和終端設備。ZigBee 網絡根據應用需要可組織成星型網絡、樹狀網絡和網狀網絡。考慮到森林里需要數據監控采集的網點多，地形復雜且要大面積的網絡覆蓋，本系統采用網狀網絡拓撲。

　　2. 2 系統節點的硬件設計

　　系統所有ZigBee 節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。所有節點都是由JN5121-000-M02 模塊、RS-232 通信接口模塊、驅動控制輸出模塊、數據存儲模塊、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。

　　系統硬件框圖如圖1 所示。

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圖1 系統硬件

　　系統中的ZigBee 節點所采用的JN5121-000-M02模塊可以實現較遠距離的無線通信，在空曠地段通信距離超過1 000 m。系統所有節點采用太陽能供電單元供電，開關電源為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，還是脈沖數字信號都能得到很好的處理，可以靈活地經過設置接入具有標準輸出的傳感器。驅動控制電路實現對現場脈沖電磁閥的開閉控制。

　　2. 2. 1 JN5121-000-M02 模塊

　　2006 年，英國Jennic 公司開發出集成了微處理器和無線收發器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 無線收發器工作在2. 4 GHz 頻段，內部有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，模塊內部集成了電源管理芯片和晶振休眠，可降低協同功耗。

　　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 兩種電平之間的轉換。另外，它還可以通過

引腳控制驅動器和接收器的工作狀態，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供電，通過瞬間的脈沖信號就能實現電磁閥的開關控制，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據存儲，又可以像RAM一樣操作。在此，系統采用鐵存儲器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； 當數據寫入芯片后，下一個總線周期可以立即開始而無須進行數據輪詢。此外，FM25L256 具有無限的讀寫次數，且操作功耗非常低，工作電壓在2. 7 ～3. 6 V 之間，工作靜態電流低至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，所有的地址和數據通過I2C 總線接口串行傳遞。該芯片為系統提供時間基準，可以根據設置值采集數據，定時存入數據存儲器，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長時間的要求，因此，系統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，避免發生過充電和過放電現象。

　　3 軟件設計與實現

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

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圖3 系統軟件流程圖

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

　　4 結束語

　　ZigBee 無線傳感技術具有低成本、易實現、數據傳輸可靠和低功耗等特點，非常適合于森林火災監測。系統采用網狀網絡拓撲結構，保證系統穩定可靠，以最大限度地覆蓋需要監測的區域，實時監測區域的環境因子，并根據數據變化及時發現易著火點的精確位置，真正為林火防治降低成本，提高效率。

　　但是系統仍存在節點多、能耗相對較高的缺陷，有待進一步的改進和優化。本系統的提出是對無線傳感在林火監測方面的應用嘗試，不但為我國林火監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展空間。

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