具有GPS定位的森林火灾无线传感报警节点装置的设计

2013-10-20杨轶杰孙维阳

天津职业技术师范大学学报 2013年1期

杨轶杰，张军，孙维阳，孟兵

（天津职业技术师范大学电子工程学院，天津 300222）

森林是我国重要的资源之一，其防火形势日趋严峻，传统的森林防火主要依靠人的定时或不定时巡检，在技术方面，主要有以下几种方法：①人员的巡检法。这种方法在一定程度上可以起到防火作用，但是人力投入较大，只能实现巡检，不能实现不间断的监视，同时人的巡检还存在检查盲区。②卫星监测系统的扫描。由于该方法存在周期长、分辨率低、图像的像素点饱和、扫描期间云层的遮挡以及火灾参数很难实时量化等原因，因而限制了卫星探测系统的使用范围，降低了森林火灾的监测效果，无法准确显示火场的地理位置，往往会延误林火的发现与扑救。③森林远程视频监控。该方法的缺点是需要人在监控室观察屏幕，而且目前还无法准确识别烟雾与雾气以及白云、火光与夕阳等图像；当前消防用烟雾传感器部分采用220 V电源供电或者利用电池供电，不能满足森林防火中野外条件下的使用要求。针对以上方法存在的不足，本研究开发了具有GPS定位的森林火灾无线传感报警节点装置。

1 系统总体设计方案

具有GPS定位的森林火灾无线传感器报警节点装置是基于ZigBee技术的新型装置，主要包括5个模块：太阳能供电模块、GPS定位模块、温湿度传感模块、烟雾传感模块以及无线传输模块。无线传输模块是本节点的核心部分，利用ZigBee技术实现数据的传输，以CC2430芯片作为核心芯片，执行数据处理、网络搜寻并加入及发送数据功能[1]，系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构图

2 系统硬件设计

ZigBee技术是近年来兴起的近距离无线通信技术，它作为无线传感器网络（WSN）的核心技术之一具有多项优点[2]。与同类无线局域网通信技术相比，其突出优点是价格低廉，功耗较低，网络组建速度快且网络能够自组织、自愈合。

2.1 无线传输模块

无线传输模块采用CC2430作为核心芯片，内有128 kbits闪存，当节点正常工作时，32 MHz主振工作；进入休眠状态时，低频32.768 kHz晶振工作以降低节点功耗。内部嵌有8051系列单片机内核，在程序编写上与单片机兼容[3]。当ZigBee节点开始上电时，系统首先初始化底层硬件，包括定时器、串口、中断等；其次初始化协议栈并对协议栈各层功能进行配置[4]。该芯片的P1.2～P1.4口作为与各功能模块的信息传输接口，该报警节点完成的功能包括：发现网络、加入网络、数据的采集和发送、接收协调器的控制[5]，在应用层次采集数据程序的作用下以4 s为一周期将采集到的数据发送回指挥中心。

2.2 GPS定位模块

ZigBee网络中传统的定位方法是在放置节点时，把节点的编号和节点放置的地理位置相对应，并输入控制中心的数据库。这样只要记录下终端地址，再根据节点编号就可以确定传感器的地理位置[6]。本文的定位方法采用GPS定位，GPS定位模块的核心是SiRF芯片，工作电压为3.3～5 VDC，满足节点供电单元要求。芯片通过采用20万次/s的相关器提高了灵敏度，支持NMEA0183 v2.2标准信号格式及SiRF二位元编码，可以同时追踪20个卫星信道[7]。本节点中GPS模块供电电压为5 VDC，采用输出的GPRMC格式数据作为原始数据，经度和纬度的精度为1×10-4s，实验时最多追踪的卫星为7个，经P1.4口传输给无线传输模块，提取出经度以及纬度数据，并将经纬度数据精度调整至0.01分精度后作为GPS数据写入数组中。

2.3 温湿度传感模块

温湿度传感器选用高性能、低功耗的DHT21，DH21供电电压为3.5～5.5 VDC，该传感器的最小采样周期为1.7 s，温湿度分辨率分别为±0.1℃和±0.1%rh，采用单总线传输机制，在一条总线上即可实现数据的双向传输，实际应用中接5 kΩ的上拉电阻，与无线传输模块的数据实现同步传输，每次传输数据长度为40 bit，通讯时间为5 ms，较短的通讯时间和占用较少存储空间的数据降低了传感器的功耗。本模块中DHT21工作电压为5 VDC，传输数据时CC2430控制P1.2口输出500 μs的低电平使DHT21从低功耗模式进入高速模式，等待P1.2口的触发结束后，发出一个80 μs的低电平作为响应，随后再拉高总线80 μs作为即将传输数据的标志传输40 bit数据，同时触发一次数据采集为下次数据传输做准备。

2.4 烟雾传感模块

烟雾传感模块的核心是MQ-2烟雾传感器，输入电压为5 VDC，具有TTL、模拟信号双路输出，当检测到烟雾浓度超过设定值时，TTL输出低电平，模拟信号在工作时输出0～5 V电压，浓度越高，电压越大。由于本装置对烟雾进行定性检测，因此采用TTL电平输出作为烟雾模块的最终输出信号，提供给无线传感模块的P1.3口。

3 软件算法分析

3.1 总体功能的软件实现

CC2430模块的执行软件是在TI公司IAR7.3B的环境下开发的具体应用程序ZigBee2006协议栈的基础上对应用层进行开发。ZigBee2007协议栈与2006互相兼容，具体不同之处是ZigBee2007协议栈规定了2套高级的指令集：分别是ZigBee功能指令集和ZigBee Pro功能命令集，比ZigBee2006更有应用前景[8]。考虑到协议栈的利用率以及程序运行成本，ZigBee2006协议栈即可完成节点的全部软件功能，本节点的协议栈使用Zig－Bee2006协议栈，在协议栈的作用下，终端节点以终端的身份启动并加入网络后，即开始与协调器建立绑定。一旦一个绑定被创建，终端节点就可以在不需要知道明确的目的地址的情况下发送数据[6]。在协议栈的开发中，主要在应用层BeginApp_ProcessEvent（）函数中写入温湿度检测子程序、烟雾探测子程序以及GPS数据处理子程序，以4 s为一周期调用循环调用并由AF_DataRequest（）函数将数据发送回指挥中心，系统的程序流程图如图2所示。

节点上电后，系统首先关闭所有中断，检查供电电压，初始化数据存储器，运行稳定后搜寻网络并发送入网申请，入网成功后开始周期采集数据并发送到指挥中心，节点和指挥中心实行双向检测机制，节点定时检查自身是否在网络内，在网内时继续执行数据采集和发送功能，否则搜寻网络并发送入网请求，接收到指挥中心搜查指令时立即予以回应以显示自身在有效的通信链接中。

图2 系统软件流程图

3.2 功能模块算法实现

3.2.1 GPS模块算法实现

GPS模块的数据采集通过串口中断的方式实现，数据格式采用GPRMC格式，采集过程中根据数据有效位判断本次采集是否有效，再通过分离精度数据以及纬度数据，并将数据的精确度调整至0.01级后作为本帧数据保存，GPS数据采集流程图如图3所示。

图3 GPS数据采集流程图

3.2.2 温湿度传感模块算法实现

温湿度传感器数据以二进制的形式传输至无线传感模块，每次读取40 bit的数据，数据内容包括16 bit温度数据，16 bit湿度数据以及8 bit校验码，读取温湿度数据时，将温度数据以及湿度数据的高8位与低8位分离并取和，具体格式如下：式（1）中：TH_8代表温度数据高8位；TL_8代表温度数据低8位；RH_8代表湿度数据高8位；RL_8代表湿度数据低8位。

如果式（1）成立，则本次数据读取成功，否则不成功，温湿度数据采集流程图如图4所示。

图4 温湿度数据采集流程图

4 实验过程与结论

4.1 实验过程

本实验在野外进行，当时温度为6℃左右，湿度为30%rh左右，节点的功能为采集节点所处位置的温湿度数据、烟雾数据以及GPS数据并发送至协调器。实验之前首先在森林中布置好路由装置以便于节点的自动搜寻并加入网络，然后使节点上电工作，红色LED指示灯亮表示入网成功，闪烁表示正在搜寻网络或网络断开，绿色LED指示灯闪烁一次表示数据成功发送一次。节点采集到数据后发送至协调器，协调器通过串口将数据显示在上位机上，串口的波特率为57600 B/s，依次显示每帧数据，上位机数据传输协议的格式如表1所示。

表1 上位机数据传输协议

帧头为55AA，每次接收时作为每帧数据的标志，节点号是装置物理地址的最后一个字节，温湿度分别用2个字节的数据显示，例如0×0106的温度数据表示26.2℃，0×0161的湿度数据表示35.3%rh；烟雾数据用1个字节的数据表示，0×00表示有烟雾出现，0×01表示没有烟雾出现。GPS数据有经度和纬度数据组成，经度纬度各占2字节，GPS数据采用GPRMC格式，通过对数据的一一解析，本节点仅采用节点所在地的经度与纬度，经度与纬度均采用16进制数表示。

4.2 实验结果

经实验验证，电源能够稳定供电，温湿度传感模块、烟雾传感模块和GPS定位模块能够稳定传输各项数据，如图5所示。

图5 上位机数据显示

每帧数据有14 bit的长度，以第一帧数据为例，前2个字节“55AA”表示帧头，作为接收新数据的标志，“27”是节点自身物理地址的最后一字节，在多个节点安装过程中，由于节点本身的物理地址是唯一的，因此可以由物理地址来确定节点的具体身份。在节点地址写入的过程中要避免最后一字节相同的情况发生。“6000”表示当前温度，由于在测量时的数据由串口输出，温度数据的原始值为“0060”，表示当前温度为9.6℃；“4801”表示当前湿度，在传输时由串口输出，湿度的原始值为“0148”，表示当前的湿度为32.8%rh；“01”表示当前无烟雾出现，第9帧数据中“00”表示有烟雾出现；“3F0F”表示当前的纬度值，在传输时由串口输出，原始值为“0F3F”，表示节点所在位置的纬度值为39°03′；“4E”是“N”的16进制ASCⅡ码，表示北纬；“C52D”为经度数据，在传输时由串口输出，原始值为“2DC5”，表示节点所在位置的经度值为117°17′；“45”是“E”的16进制ASCⅡ码，表示东经。