基于GIS和ZigBee技术的森林防火监测系统

2013-09-03周光发

实验室研究与探索 2013年8期

周光发

(江苏警官学院公安科技系，江苏南京210012)

0 引言

森林防火是林业管理部门的一项重点工作［1］。传统的有线森林防火监控设施需要应用复杂的布线操作，系统复杂而昂贵;另一方面，市面上的火灾报警器大多不能无线传输报警信号，不能快速、准确定位，远距离控制。

无线传感器网络是一种集传感器与致动器于一体由无线媒介连接节点进行分布式传输的网络系统，收集数据的传感器通过无线网络与计算机系统进行通信［2］。传统的有线数据传输系统显然不能满足人们对信息技术便捷性的要求，相反，无线数据传输系统没有线缆的束缚，主要用于中短距离无线系统连接，能够满足对各种传感器的数据输出和输入控制命令和信息的需求，使现有系统网络化、无线化，特别适用于信息采集与监控领域的应用［3］。

随着地理信息系统(Geographic Information System，GIS)技术的快速发展，GIS在森林防火中的应用已经被许多部门认可［4］。GIS基础软件平台采用面向服务的设计思想、多层体系结构，实现了面向空间实体及其关系的数据组织、高效海量空间数据的存储与索引、三维实体建模和分析，符合对森林资源数据和森林消防力量数据的存储、管理、查询、分析的要求，并且能够实现森林防火系统的空间信息分发与共享、网络化空间信息服务等。建立森林防火监测系统，更好地保护森林资源，不仅能够满足森林防火数据信息的收集、储存、分析和维护，而且可以使管理手段更加趋于规范化和科学化［4-5］。

本文使用基于ZigBee技术的无线传感器网络采集并传输林区的环境参量;使用GIS技术并结合C#平台实现林区地理信息的采集与处理;无线传感器网络与森林防火管理系统结合实现对林区信息的监控，及时预警并准确定位。

1 监控系统总体设计

森林防火监测系统主要由前端参数采集控制系统与终端预警及定位控制系统两大部分组成。

前端参数采集控制系统由传感器节点(终端节点)、网络协调器主节点、RS-232C串行总线三部分组成。无线传感器网络节点的总体结构如图1所示。终端的各节点通过ZigBee无线网络通道实现与网络中的协调器的联系，协调器通过RS-232C总线与上位机进行数据通信。考虑到林区内各个节点温湿度不易测准，为了提高测量精度，减少外界干扰，选择了智能型温湿度传感器SHT11作为温湿度测量芯片［6］。

图1 ZigBee无线传感器网络节点总体结构

终端预警及定位控制系统主要由监控上位计算机组成。预警功能主要由上位机通过RS-232C总线与网络协调器进行数据通信，利用C#平台监控整个林区中温湿度的状况，其中包括系统实时监测和设定控制参数，实现对温湿度数据的分析与显示等功能。定位功能主要通过利用SuperMap Is．Net、SuperMap despro等GIS软件平台建立简洁高效的数据库，将着火点的精确位置显示在三维电子地图上，同时还显示着火点的地形地貌，建立林区三维信息平台［7-8］，确定节点的位置坐标，并做最佳扑火路径分析;基于基础地理信息的利用，对分布式大数量监测目标的集中监测与系统集成，结合GIS的空间分析功能，提供空间分析及统计功能。

2 系统硬件设计

2．1 ZigBee传感器网络节点

考虑到林区的环境变量比较复杂，因此要求监测网络具有一定的路由和信息融合能力，本系统选用星形网络拓扑结构。该网络由协调器作为主节点，由此展开，可采集多个传感器终端的数据。传感器节点由传感器信息采集模块、信号调理模块、无线收发模块和电源模块组成。节点采集到的数据由处理器模块进行存储和处理后，通过无线收发模块传递到主节点，再由主节点传送给PC机。该节点的能量供应采用携带2节1．5 V干电池的电池盒供电［9］。

2．2 数据采集模块

传感器节点采用电池供电，要求处理器模块和数据采集模块体积小、低功耗、外围电路简单。因此数据采集模块用的是与传统的温湿度传感器不同的SHT11，SHT11是基于CMOSens技术的新型智能温湿度传感器，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特点。它具有二线串行接口的单片全校准数字式新型相对湿度和温度传感器，可用来测量相对湿度、温度和露点等参数。它将温湿度传感器、信号放大调理、AD转换、二线串行接口全部集成于一个芯片内，融合了CMOS芯片技术与传感器技术，具有超快响应、抗干扰能力强、极高的性价比等优点［10-11］。SHT11通过两线接口与微控制器连接。

2．3 数据通信模块

数据通信模块负责与监测中心进行无线通信，发送温湿度数据。该模块功耗相对比较大，因此采用Chipcon公司的ZigBee芯片CC2530构成的无线通信模块。ZigBee技术是一种工作在2．4 GHz和868/915 MHz的无线网络技术，具有距离近、复杂度低、功耗低、数据速率低和成本低的优点。采用双向传输的无线通信标准，将IEEE 802．15．4收发器技术与嵌入ZigBee技术协议栈相组合，在数千个微传感器之间相互协调实现通信［12］。CC2530具有极低的功耗，电压工作范围为2．0～3．6 V，在接收或发射模式下，工作电流损耗分别低于27 mA或25 mA，在待机模式下电流少于0．6 A。在低功耗待机模式下，2节1．5 V干电池可以支持1个节点工作6～24月［13］。本监测系统采取的是星状网络拓扑结构，监测中心节点为主节点，而传感器节点为子节点，主节点与监控中心通过RS-232C总线相连，通过PC端的上位机进行林区内温湿度等数据的监测。

3 系统主要功能设计

系统的整体架构如下，各个子节点采集森林的温湿度信息，然后通过协调器主节点传递给运行在PC机上的森林防火监测系统，该系统配合数据库实现森林的防火监测功能(见图2)。

图2 森林防火监测系统功能图

3．1 林区火警定位

当节点温度高于报警温度时，节点会高亮显示，通过量算距离菜单可以测量节点到任意位置的距离，也可以通过点选菜单获得该节点的坐标信息，同时可以获得该节点附近一些信息。部分代码如下:

3．2 火灾预警

如图3所示，系统将CC2530采集的温度信息与人为预设的报警温度进行比较，当采集的温度大于报警温度时，系统便会发出警报声告知工作人员，否则系统将继续监测森林的温度信息。

图3 火灾预警流程图

3．3 最佳路径分析

森林火灾发生后，防火资源的调配工作非常重要，最佳行进路线的确定是扑火的关键［14］，本系统中管理人员可以通过最佳路径菜单得到图上任意两地间的最佳路径，该功能采用了Dijkstra算法［11］，该算法部分代码如下:

4 结语

本系统搭建了无线传感器网络和森林防火监控系统，并实现了系统的应用性。无线传感器网络采用CC2530模块，使用ZigBee技术实现传感器数据的无线传输。基于GIS技术的监控管理界面使得系统更加精确，实现火灾定位、预警与扑火路径分析等功能［15］。但该系统推广到复杂环境条件下的林区监控还可加强以下三方面的研究:①无线传感器节点之间和节点与管理系统之间的传输距离应该进一步增大，并提高数据的传输速率;②优化无线传输速率和林区预警管理控制速率的整体结构，以优化整个监测系统;③进一步优化管理界面的可视性，结合GPS等技术，实现界面的可视化，提高逼真性。

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