基于ZigBee的森林火灾监测设计

摘要：为了监测森林火险因于和着火点，并及时预防和消灭火灾，提出了基于ZigBee的森林火灾监测系统设计，系统由信息采集、无线收发、火灾监控功能模块组成。系统采用烟雾传感器、温湿度传感器、风力传感器采集各林区的环境参数信息，基于JN5139无线微控制器实现无线通信功能，并对传感器采集的环境参数数据进行处理和分析，监控中心根据分析结果实现火险预报、火情监测、应急预案功能。基于ZigBee的森林火灾监测系统可以实时监测林区环境参数信息，从而及时地预防森林火灾的发生或高效地实施火灾救援工作。
关键词：Zigbee；森林火灾；传感器；JN513

    森林是林木、伴生植物、动物及其与环境的综合体。它是地球上的净化库、基因库、碳贮库、蓄水库和能源库，对维系整个地球的生态平衡起着至关重要的作用，是人类赖以生存和发展的资源和环境，具有经济、生态和社会三大效益。但是由于异常自然或非法人为因素，森林会发生一些火灾，森林火灾是一种突发性强，破坏性大，处置救助较为困难的自然灾害，如果森林发生火灾，将会对林木、生命财产、生态系统、社会造成严重的危害。森林火灾监测是森林防火的重要基础。目前，我国森林防火主要采用人工巡逻的方式，由于森林面积大，及时、准确地发现火源存在一定的难度。
    针对森林火灾监测的重要性和不足之处，本文提出基于ZigBee无线传感网技术设计森林火灾监测系统。该系统可以实时采集林区的相关环境参数，为相关部门预警和灭火提供重要的决策依据。

1 森林火灾监测系统总体设计
    在森林火灾监测中，林中空气的温度和湿度会影响可燃物物理性质，它们是森林火险变化的重要指标，是火灾监测的重要参数。当有林火发生时，林中的烟雾浓度和风向是火灾蔓延的重要因素。因此，温度、湿度、风向与风速、烟雾浓度是森林火灾监测的关键参数，森林火灾监测系统需要实时采集森林中各个位置的这些环境参数，并将这些参数值传输到监控中心进行处理，就可以发现火灾易发或已发区域，从而及时地消灭火灾。森林是一个高密度树木区域，树木的分布具有距离短、面积广、随机的特性，本文提出采用基于ZigBee技术的无线传感器网络对森林火灾进行监控。ZigBee是一种低成本，低功耗、近距离、低复杂度、自组织的无线组网通讯技术。ZigBee无线传感器网络，与现有的有线系统相比，ZigBee无线解决方案的优势在于灵活的安装布置、低廉的安装费用、耗能低、可靠性高，因此基于ZigBee无线传感器网络适用于森林火灾实时监测。
1．1 森林火灾监测系统结构
    在森林火灾监测系统中，需要进行信息采集、处理、传输，控制结果输出执行等操作。传感器节点是构成无线传感器网的基本要素，具有信息采集、信息处理和无线通信功能，它们既是数据包传输的发起者，也是数据包的转发者。传感器节点被随机、密集地布设在森林中，各林区的传感器节点自组织成簇，传感器节点为簇成员，负责林区环境信息的采集。传感器节点将采集的数据传送到簇首节点，簇首节点负责对采集簇内信息采集节点的数据融合，然后传送给汇聚点，汇聚节点以多跳的方式与各簇首节点通信，收集各林区环境信息，将数据送到控制中心，控制中心进行综合处理，监测各林区火险情况。森林火灾监测系统结构如图1所示。

1．2 森林火灾监测系统功能模块
    根据森林火灾监测系统的需求，无线传感器节点实时采集林区的环境参数，监控中心根据采集到的林区环境信息进行实时的数据分析处理，当发现有火灾情况时，马上报警通知消防部门，消防部门接到报警信息后，根据路由表记录信息确定火灾发生的区域，再根据该区域的温度、风向、烟雾浓度等参数确定火灾程度，并迅速制定合理的应急方案，进行消防调度处理实施消防救援工作。整个森林火灾监测系统分为3个功能模块：信息采集模块、火灾监控模块和无线收发模块，森林火灾监测系统功能模块如图2所示。

    1)信息采集模块负责对网络中的传感器节点进行定位；并对传感器节点采集的环境参数进行信号调理、AD转换等处理。
    2)火灾监控模块负责对信息采集模块采集的环境参数进行数据处理和分析，根据处理结果对火险进行预报。如果监测到火点，就向林业管理部门和消防部门发出警报，并实时监测火情，对资源进行合理的调度，制定合趣有效的应急方案，实施应急响应和救援。
    3)无线收发模块负责无线传感器节点与协调器进行无线通信。

2 森林火灾监测系统设计
2．1 系统硬件总体设计
    通过森林火灾监测系统的结构分析和功能模块划分，系统由信息采集处理模块、微控制器模块、无线收发模块、供电模块等组成。系统的硬件总体设计如图3所示。

2．2 信息采集处理模块
    信息采集模块由烟雾传感器、温湿度传感器、风力传感器、传感器信号调理电路、AD7998单元电路组成。烟雾传感器是将空气中的烟雾浓度变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置，本文选用SS-668离子型烟雾传感器探测林区的烟雾浓度，SS-668适用于安装在少烟、禁烟场所，用来探测烟雾有无，当一定量烟雾进入SS-668烟雾传感器的反应腔，传感器发出声光警报，并向采集器输出告警信号，通过SS-668能够准确地检测到烟雾，为火灾预防和早期发现提供帮助。温湿度传感器采用温湿度一体化的SHT10传感器，SHT10具有数字式输出、免调试、免标定、精度高、体积小、能耗低、自动休眠及可完全浸没水中的特点，其将温度感测、湿度感测、信号变换、A／D转换和加热器等功能集成到一个芯片上；提供二线数字串行接口SCK和DATA，接口简单，只需要2个普通的JN5139芯片的I／O口就可以对其进行采集。风力传感器采用EC9-1型高动态性能测风传感器，EC9-1由风向传感器、风速传感器和传感器支架组成，风速传感器的轴上吊有磁性圆盘，用霍尔开关器件将轴的转速转换成电信号，其输出信号频率与风速的大小成正比，风向传感器的轴带动一个七位格雷码盘，应用红外发光二极管和光电三极管组成变换电路将风向变换成7位格雷码，EC9-1具有动态性能好，线性精度高，灵敏度高，测量范围宽，抗风强度大等特点。传感器信号调理电路将传感器采集的模拟信号进行放大、滤波、缓冲或定标等处理，使其适合于模／数转换器(ADC)的输入。AD7998是8通道，12bit，低功耗的模数转换器，具有兼容I2C的接口，它将传感器采集的模拟信号进行数字化，然后通过I2C总线传送给微控制器JIN5139。
2．3 无线微控制器JFN5139
    系统采用Jennic公司生产的符合ZigBee技术的芯片JN5139，JN5139是低成本低功耗无线微控制器，它是能使使用者在最短的时间内、以最低的成本实现IEEE802．15．4或ZigBee等应用的无线通信模块。JN5139集成了16 MHz 32 bit的RISC处理器，配置有2．4 GHz频段的IEEE80 2．15．4标准的无线收发器，192 kB的ROM，96 kB的RAM，模块提供了开发无线传感器网络所需要的丰富的外围器件和接口(GPIO、SPI、UAR T、I2C等)，为外接各种传感器和控制电路提供了便利。内置的ROM存储集成了多种丰富的软件协议栈，可以根据应用需求，灵活选择802．1 5.4、ZigBee、jenNet、ATZJenie、6LoWPAN等多种网络协议栈，方便快速地组建星形、树状、网状网络等。芯片集成了MAC和AES硬件编码加速器，节省功耗的休眠模式，安全键的机制和程序加密。所有以上的强大特征都集成于单一芯片，可以降低功耗，提高稳定性，减小体积。  JN5139芯片没有集成程序存储器，故本系统采用芯片自带SPI接口外扩程序存储器，程序存储器采用2 Mbit串行闪存M25P20，该芯片集成标准的4线SPI总线和最大50 MHz数据传输时钟，通过SPI接口将M25P20连接至JN5139上来读写片上数据。UART单元主要由Max232及其辅助电路构成，用于微控制器的编程与程序升级。声光报警电路主要负责林区环境参数超标火险因子较高或发现着火点时发出报警信息。
2．4 供电模块
    JN5139的工作电压是2．7～3．6 V，温湿度传感器SHT10的工作电压是2．4～5．5 V，风力传感器EC9-1的供电电压为5～12 V，烟雾传感器SS-668的供电电压为12 V，A／D转换芯片AD7998正常工作电平为3．3 V，为移动方便和减少换电池的次数系统采用12 V的蓄电池供电，通过开关稳压器件ASM1117-5．0将12 V转变成5 V给风力传感器供电，5 V电压经过ASM1117-3．3转换成3．3 V电压，给主芯片JN5139和温湿度传感器供电。
    由于森林面积大，环境恶劣，所以电池不方便经常更换，而普通电池不能长时间为系统供电，因此，系统采用太阳能供电单元，该单元由太阳能电池板、充电控制器和蓄电池组组成。充电控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命；同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。

3 结论
    提出了一种基于ZigBee的森林火灾监测系统设计，采用烟雾传感器、温湿度传感器、风力传感器采集各林区的环境参数，基于JN5139无线微控制器实现无线通信，并对采集数据进行处理与分析，当火险因子超标时，监控中心进行火灾预报；当发现着火点时，监控中心进行火灾报警和火情监测，并制定应急预案。基于ZigBee的森林火灾监测系统可以根据实时采集到林区环境参数信息监澍森林火灾情况，从而及时地预防森林火灾的发生或高效地实施火灾救援工作，保护生态环境，保障人民的财产和生命安全。