森林火灾无线监测预警系统的设计与实现

2011-07-26马宏锋李祥林

自动化仪表 2011年12期

马宏锋李祥林胡玫

(兰州工业高等专科学校电子信息工程系1，甘肃兰州 730050;兰州交通大学电子与信息工程学院2，甘肃兰州 730070)

0 引言

森林是人类赖以生存和社会发展最重要的资源之一，更是地球生态平衡的保护者［1］。由于人为及自然原因，森林火灾时有发生。森林火灾具有发生面积广、破坏性大和救助困难等特点，位居破坏森林的三大自然灾害之首［2］。目前，森林火灾监测主要采用地面巡防、瞪望塔监测和航空巡护等措施［3］，但是难以反映温度、湿度和大气压力等环境及气象因素动态变化的情况，导致系统实时性较差，监测效果不理想，应用受到限制［4］。

无线传感网络能够工作在868 MHz、915 MHz和2.4 GHz三个频段，传输速率最高达 20 kbit/s、40 kbit/s、250 kbit/s，具有自组织、自适应，以数据为中心，体积小、成本低和监测区域广的特点，在无人值守的环境监测和灾害扑救等特殊领域有巨大的发展前景［5-7］。由于具有较强的数据纠错能力、合理的组网方式和可靠的传输机制，且数据传输率较高(可达128 kbit/s)，GPRS网络迅速成为国内外远程数据测控系统中解决监控点涉及地域广、设备布局分散等问题的主流技术［8］。

1 系统结构

在森林火灾监测预警系统中，ZigBee模块与传感器模块构成无线传感网的终端节点，对森林中的湿度、温度、烟尘等信息进行实时采集。被采集的数据经中心节点转发，再由GPRS模块传送到手机客户端或Internet，送入Internet中的数据最终被送达防火预警数据库。监控中心对被测数据进行综合分析，作出相应的预警处理。系统主要由分布在森林中的进行环境监测数据采集的传感单元、无线传感网络传输单元、用于远程数据传输的GPRS、用于远程数据传输/收集/存储与处理的Internet络以及用于监测数据显示的用户客户端等五部分组成。系统结构如图1所示。

图1 无线预警系统结构Fig.1 Structure of the wireless early warning system

无线传感网包括中心节点、路由节点和终端节点。终端节点通过多跳方式与路由节点通信，路由节点将信息转发至中心节点，然后通过远程数据传输单元和GPRS网络，以短信方式发送到手机终端，或者由GPRS网络通过无线基站和Internet将数据传送至监控主机，再由监控主机负责数据的存储和分析。监控中心将无线传感网络采集的实时数据存储到数据库，形成森林环境状况的长期记录，实现对森林环境存在的火灾隐患进行动态分析。当监测数据值达到或超出某个设定的阈值时，可以及时发送信息到手机和监控主机，实现预警功能。系统中每个前端采集点都有独立的地址编码，且与地理信息系统中的坐标位置一一对应，一旦发现火情，就可准确上传火点位置。

2 主要功能模块设计

2.1 无线传感网络节点设计

ZigBee节点由数据采集模块、信息处理模块、无线通信模块和电源模块四部分组成，是构成无线传感器网络的基础平台［9］。无线传感网节点结构如图2所示。

图2 无线传感网节点结构Fig.2 Structure of the nodes in wireless sensor network

ZigBee节点的四部分组成模块具体介绍如下。

①数据采集模块由空气温度传感器、大气相对湿度传感器和烟雾传感器组成，主要功能是实时采集各个传感器数据，通过ZigBee无线网络传递到数据接收系统。温度传感器选用DS1820，它具有独特的单线接口方式，与微处理器连接时仅需要一条信号线即可实现微处理器与DS1820之间的双向通信。HS1101湿度传感器具有响应时间快、可靠性高和稳定性好等特点，不需要校准的完全互换性。NIS-09C是离子式烟雾传感器，属于低功耗广普型传感器，可用9 V电池带动。

②信息处理模块的核心芯片是CC2431。它最大的特点在于可以自组网，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器;在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA。CC2431的休眠模式和转换到主动模式的时间超短的特性，特别适合那些对电池寿命要求高的应用。

③能量有限问题是无线传感器网络推广应用面临的瓶颈之一。因此，电源模块是无线传感器节点设计的关键部位之一［10］。大规模应用的无线传感器网络系统通常要求节点能量供应模块能从外部能源获取能量。但由于森林环境的限制，以及考虑到太阳能供电技术的成熟度和造价成本，系统采用高能大容量的碱性电池来提供电能［11］。在系统设计过程中从软硬件两方面尽量保证低功耗，以延长系统寿命。

④无线通信模块中的射频天线采用TAXPQ2400-3dB橡皮天线。天线小巧(只有5 cm，重量不到20 g)、易安装，发射频率典型值为2.4 GHz。

2.2 GPRS 通信模块

GPRS模块通过移动通信网络与上位机服务器监测管理系统交换数据。它通过AT命令进行拨号转入在线模式，此时通过PPP协议取得一个IP地址，可以连接到Internet。无线传感网络采集系统收集到数据后，协调器通过串口将汇聚的数据经过GPRS通信模块，按TCP/IP协议转发到Internet，然后由上位机服务器读取数据并存储至数据库中，需要时可供分析处理。GPRS模块也可对智能手机终端定期发送数据信息。

GPRS模块主要包括数据处理模块、通信模块、模数转换模块和显示模块四部分。数据处理模块包含CPU芯片，CPU用于数据处理以及通信模块、模数转换模块和显示模块间的数据传输。为保证数据不因为断电而丢失，采用Flash器件对数据进行存储。GPRS模块选用DTP-S05Ci，其内核主体是西门子双频工业手机模块，支持EGSM900/GSM1800频段，内嵌TCP/IP协议，能提供语音、SMS、Fax、GPRS 等多种通信方式。

3 无线传感网络拓扑结构

传统的无线传感网组网方案是将节点随机地放置在需要进行监控的地点，各个节点对自己的覆盖区域进行数据采集，并将数据传送给汇聚节点［12］。这种自组网的网络存在以下两个缺点:①各个节点均采集本地信息进行发送，造成网络中需要传输的信息量过大，在汇聚结点进行数据接收时会产生强烈的数据冲突，导致整个网络的吞吐量下降;②节点在进行数据采集后，会向汇聚结点进行数据传送，离汇聚节点近的节点因数据采集和转发的任务最重，能量消耗也最大。如果汇聚节点附近节点数因随机放置而过少，且网络中传输的数据量大，则节点会因能量过早耗尽而导致整个网络的通信中断［13］。

结合森林火灾监测的特点，改进自组网的分布无线传感网拓扑结构如图3所示。它是在分布式基础上实现传感器节点的分簇置放，是一个基于分簇结构的两层无线传感网络组成的分布式系统［14］。

图3 网络拓扑图Fig.3 Network topology

基于分簇结构的两层无线传感网络由大量的无线传感器节点和汇聚节点构成，具有分布式处理能力。它根据无线传感器节点间距离的远近，将网络划分成簇，簇由相互靠近的无线传感器节点组成。簇首就是分布式处理中心即无线传感器网络的一个汇聚节点，它负责收集和协调簇内节点的数据，没有能量的限制。通信网络底层子系统由低数据率、低传输范围和能量受限的传感器节点组成;中上层子系统由高数据率、大传输范围和没有能量限制的一、二级簇首节点组成。二级簇首将底层传感器节点上传的数据进行简单的融合后传送给上层的一级簇首，或将上层簇首发来的控制中心命令发送给节点。一级簇首对接收到的本地二级簇首传来的数据进行简单处理并上传主控节点，或将上层主控节点收到的监控中心命令向下发送。主控节点和传感器节点之间通过ZigBee技术实现无线的信息交换，带有射频收发器的无线传感器节点负责数据的采集和处理，然后传送给簇首节点;控制中心通过GPRS网络获取采集到的相关信息，实现对现场的有效控制和管理。

4 软件设计

ZigBee无线传感器网络设备上的软件主要由嵌入式操作系统、ZigBee协议栈和应用程序组成。嵌入式操作系统内核提供简单高效的任务调动、中断处理和时间队列管理等功能，同时还包括所有硬件的底层驱动。应用程序包括串口通信、射频通信和信号强度检测等模块。采用模块化设计的协议栈，使得整个系统层次清楚、扩展性好，有利于ZigBee技术的二次开发。

4.1 服务器监测管理系统设计

服务器端数据存储系统由My SQL数据库服务器平台和基于Web的数据管理与应用系统组成，其中应用系统负责侦听服务器的指定端口，判断并识别数据采集终端发出的TCP Socket连接请求。基于Web的数据管理与应用系统采用JSP动态网页技术，用户只要通过客户端浏览器即可访问此Web应用程序。授权用户登录访问时自动读取My SQL数据库的相关数据，实现数据的实时显示、历史查询、数据下载和数据分析等综合功能。手机客户端采用JavaME技术开发嵌入式移动应用系统，将预警信息及时反馈至智能手机。

4.2 协调器软件设计

协调器上电初始化后，首先主动建立一个网络等待节点加入，在节点加入后对节点分配网络地址，以及收集和发送节点传来的数据。作为中心节点的协调器主要负责ZigBee网络和GPRS网络的双向数据传输，它实际上是一个基于ZigBee协议与GPRS协议的转换网关。无线传感网络中的数据传输采用了碰撞避免机制和完全确认的数据传输机制，且网络层和MAC层都有安全策略和安全分级，各个应用可以灵活地确定其安全属性，所以整个网络的可靠性和安全性都比较高。

在连接GPRS网络前，还需对GPRS模块进行初始化设置，如工作模式、通信波特率、接入网关、使用的协议类型和作为数据库的Web服务器的IP地址设置等。然后通过AT命令进行GPRS网络连接，连接时经过PPP协议协商获得GPRS本地IP，接着加载数据传输协议(TCP、UDP)，实现GPRS与监控中心服务器的Socket连接。此后，GPRS模块便作为ZigBee网络到GPRS网络的数据发送模块而工作。CC2431将ZigBee网络的数据经过加密、封装处理后，以数据流形式通过RS-232送到GPRS模块。协调器的几个关键函数举例如下。

①协调器初始化网络的函数

4.3 路由器软件设计

路由器上电初始化后，需要先申请加入协调器建立的网络。当它成功加入网络后，就工作于监控状态。其主要功能为:①监控是否有其他路由节点或终端节点申请加入网络，如果有则同样需给该节点分配网络地址;②判断是否有从协调器发来的命令，如果有且是设置命令，则需根据命令参数设置该节点，如果有且是读状态命令，则需发送相应的节点工作状态给协调器;③采集相关数据。

路由器选择与处理函数如下。

4.4 终端节点软件设计

终端节点软件类似于路由器节点软件，区别是终端节点不支持其他节点的加入，其主要任务是采集数据。当终端节点没有数据需要发送时，它就自动转入休眠模式，使节点功耗降到最低。终端节点请求发送与周期发送数据函数设计如下。

网络设备类型一旦确定，就表示节点成功加入网络。此时调用osal_start_timerEx函数定期(WSN APP_SEND_MSG_TIMEOUT)触发发送事件。

5 结束语

本文将无线传感网络技术引入森林火灾的监测中，构建了基于GPRS和ZigBee的森林火灾监测预警系统，给出了系统的网络拓扑结构、各主要模块的硬件设计和不同类型的ZigBee节点软件设计，实现了对森林日常的监测以及火灾预警的功能。试验表明，该设计是一种高效、实时的森林火灾监测预警方案，它为推进我国森林火灾监测的信息化、自动化与智能化提供了一种新思路。

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