基于ZigBee PRO的森林火灾预警监测系统设计

王爱新

（河北农业大学信息科学与技术学院，河北保定　071001）



基于ZigBee PRO的森林火灾预警监测系统设计

王爱新

（河北农业大学信息科学与技术学院，河北保定071001）

摘要：提出基于无线传感器网络技术（ZigBee PRO）的森林火险实时监测系统的设计方案，设计了一种基于TI公司的CC2531和Sensirion公司的传感器芯片SHT10的森林火灾预警监测系统，并对该系统的硬件、软件设计原理进行了分析。着重强调利用CC2531自带的USB 2.0通用串行接口，通过HID类设备自定义，实现了ZigBee网关和森林火险监控上位机之间的通信。与传统的串口通信方式相比，大大提高了数据传输的速率，有利于实时、大数据量的数据传输和采集。

关键词：ZigBee PRO；CC2531；森林火灾；实时监测；USB 2.0；HID

0　引言

所谓森林火灾，主要指的是发生在野外森林中的、人类力量难以挽回且不断向外蔓延的、对森林生态环境和人类生存造成威胁的着火现象。由于森林环境特殊，其火灾的发生具有突发性，且灾后灭火工程巨大，造成的破坏明显。鉴于我国国土面积大、各地地形存在明显差别，气候条件也大有不同，加之人口较多、各地人口分布不均等原因，导致森林火灾发生的比较频繁。又因为国家对此缺少严格的监督，森林火灾一旦发生必将给我国的经济带来极大损失[1⁃2]。

森林防火是我国防灾减灾的一个重要组成部分，其中如何预防火灾的发生，在火灾初期及时发现火情是森林防火的关键。通过近年来对森林火灾发展过程的研究，人们发现林火发生前，一些环境参数如：环境温度、相对湿度、降水量会随着外部环境的变化而持续变化，当积累到一定阈值，才可能引发林火。因此，如果能够对林区的环境参数做到实时、准确地监测，无疑能够及时发现火灾隐患，从而极大地提高火险报警的主动性和准确性。

最近几年，信息技术快速更新，物联网如一匹黑马势头猛劲。而物联网中最关键的技术是无线传感器网络ZigBee，它是建立在IEEE 802.15.4标准基础上的一种通信范本。该通信协议具有自动组网、成本低、功耗低、通信协议简单、可靠性强等特点，在远程数据监控领域具有不可比拟的优势。目前其最新标准是ZigBee 2007，该标准定义了ZigBee和ZigBee PRO的两个特性集[3⁃5]。ZigBee 2007/PRO和ZigBee比较起来，需要在技术方面做出下面的调整让其更加完备：

（1）ZigBee 2007/PRO是更加适用于商业和工业级别协议栈；

（2）ZigBee 2007/PRO适用于规模较大的网络（网路容量可以超过1 000个节点）；

（3）ZigBee 2007/PRO调整了路由形式，让路由更加稳定且占用内存更小；

（4）ZigBee 2007/PRO使用了高级跳频技术，供给跳频冲突规避技术，让其具有更好的抗干扰能力；

（5）ZigBee 2007/PRO可以分包传输长数据包；

（6）ZigBee 2007/PRO提供商业级的加密通信。

鉴于ZigBee 2007/PRO具有的相关特点和优势，该技术更适合在大范围复杂环境条件下的数据监测，如大范围农田或林区等。

1　总体设计

森林自然条件多样，气候条件不稳定，范围大同时无线干扰源较少，本系统设计基于较大范围覆盖，降低传感器节点功耗，实现可靠、稳定的信息采集和传输。按照防范森林火灾所需监看的参数特点，本次设计的监测系统整体结构主要由三大部分组成：用于采集温、湿度数据的无线传感器监控节点，采集各节点数据的无线传感器网关节点和监控数据处理中心等，如图1所示。

图1　监测系统总体设计

其中，使用ZigBee PRO网络的终端节点和路由器节点作为森林火险监督网络的监看节点，将其随机分布在林区的被监控区域，用于监测并传输森林火灾预警中的相关参数，包括温度信息、湿度信息以及定位信息等。

此外，在对无线传感器节点的设计上，由于林区环境复杂，监控节点很难获得持续的集中供电，所以提高节点工作的长久持续性是着重考虑的问题。

监测系统收集数据的网关节点部分由ZigBee PRO网络中的协调器以及3G通信模块组成。协调器负责通过聚类路由协议采集各节点的监控数据及位置信息，再通过3G通信模块将数据传输到火灾监控中心。

监控中心把收集好的信息归集起来，经过剖析处理，根据所得到的相关参数，判断林区火灾预警情况和相关位置。

2　硬件设计部分

ZigBee PRO网络中的硬件有以下三种：协调器、路由器以及终端节点等。协调器的别称为网关节点，是整个体系内的关键设施，其主要职能是构建、开启和管理工作体系。在网络建立之初，网关进行网络初始化，主动发送信标帧扫描其他节点，对于新加入网络的节点以随机的形式分配地址，完成建立网络的过程。网络处于工作状态时，网管负责对不同节点的工作状态进行监督，保证数据在节点间可以顺利传输。路由器指的是网络中的中继节点，它具有中继节点和终端双重角色，既可以实现网络中个别节点的路由，又可以作为终端节点进行数据交换。

另外，ZigBee PRO协议栈规定了无线定位算法，可以凭借对RSSI（Received Signal Strength Indication）所做的监督，结合三边定位算法，确定无线传感器中不同节点的位置。

在实际应用中，传感器不同节点所具有的功能是根据编译器分配给不同节点的程序软件来确定的。而三种类型节点的硬件一般在设计时是相同的，这样可以简化系统开发的难度。

在本火灾体系的设置中，无线传感器不同节点的重点硬件部位保持一致，包括ZigBee（SOC）芯片CC2531以及提供相应支持的外围电路，这些节点均由TI公司提供。针对监看节点，增加了用来收集火灾参数的收集板块，而其主要构成部分包含SHT11温湿度传感器和周边环绕的电路。其中，TI公司的CC2531包括一个高频率的2.4 GHz射频收发器核心，该收发器核心使用DSSS；还涵括一枚高频的专业用8051控制器，此控制器集合了2.4 GHz的RF无线电收发机，其内装置有128位AES，经过加密整理，其条件达到了IEEE 802.15.4的标准。此外，该芯片配置有USB 2.0全速端口，工作电压为3.3 V。因为其具备全速特征，所以必须增加USB的D+信号线上的电阻才能确保工作状态正常。

传感器的种类则使用SHT11两线并行端口数字式相对湿度温度传感器。可以感测的温度最低为-40℃，最高为128℃，其误差为±0.4℃，感测到的最低湿度为0 RH,最高湿度为-100 RH，误差范围为±0.03％ RH，误差超出范围后可自动调整。

在本系统设计中，网关节点可以直接与监控主机进行数据传输通信，通信通过USB接口实现。监控节点体系内硬件设施构成如图2所示。

3　软件设计部分

3.1监控网络数据通信部分的设计实现

本体系的工作基础是无线传感器网络的Z⁃Stack协议栈，研发了各监看节点与无线网关内建立的数据通信。ZigBee PRO协议栈构建的前提条件是IEEE 802.15.4，以此为标准确定了协议的MAC和PHY层。ZigBee设施

应包含IEEE 802.15.4（以此为准则确定RF射频以及其周边设施的通信）的PHY和MAC层，此外还要有ZigBee堆栈层，也就是网络（NWK）和其使用层合并为安全服务提供层[6]。其中Z⁃Stack的协议栈构成展示如图3所示。本体系研发使用TI公司制作的无线传感器芯片CC2531，为了确保其正常使用，本公司在节点通信部位已经预设了相应的协议代码。所以，研发工作人员不必再为节点间的通信问题费心。这样研发者就可以省去很多不必要的手续，开发人员使用中无需关心节点间的通信问题，可以集中于使用层的研发。如此，Z⁃Stack既可以用操作体系的方式完成服务，体系内全部的操作都以命令或者事件的形式完成。

图2　无线传感器节点硬件原理图

图3　Z⁃Stack协议栈结构

3.2网关与上位机之间的通信设计实现

在该监控体系中，通过USB 2.0全速接口的CC2531实现主机和网关节点之间的通信。该接口的数据传输率与通用的串口通信相比大大提高，最大传输速率可达12 MB/s。

CC2531 USB接口通信功能的实现有两种模式：一种模式为HID（Human Interface Device）；另一种是通过设备上下文类（CDC）的USB虚拟端口通信的方式。对于两种模式的完成，TI具备对应的协议栈范本。在应用HID模式，TI公司供给模拟鼠标和键盘的两个标准HID设备的通信过程，用户可以将ZigBee协议栈的程序通过IAR编译和下载CC2531可以被直接使用。该监测体系运用USB数据传输，应用的HID设施不符合标准。因此，对它的程序必须做出相应的调整，在原协议栈调整HID设施端口中使用。

在将设备连接到USB主机时，HID设备描述符需要读取主机发送get_descriptor请求。通信过程中的描述符是非常重要的。HID设施可以供给5种标准的USB设施应用，此外还可以为另外3种指定的描述符提供服务。这些描述符包含：端口、端点、设施、配套设备和字符串描述符。HID独特的描述符包括：HID，Report和Physical描述符。在本体系中，必须对HID描述符进行再次调整。几种重要类型的描述符归纳如下：

（1）设备描述符

deviceDesc：；Device descriptor

DB deviceDescEnd⁃deviceDesc；描述符长度

DB DESC_TYPE_DEVICE；型号

DW 0200H；版本类型

DW 0451H；设施生产商（Texas Instruments）

DW16A9H；产品种类（CC2531 HID）

……

（2）配置描述符

DB configDescEnd⁃configDesc；描述符长度

DB DESC_TYPE_CONFIG；型号

DB 03H；端口数目（3个）

DB 01H；描述符标志

……

（3）接口描述符

DB DESC_TYPE_INTERFACE；型号

DB 02H；端口排号

DB 00H；备用排号

DB 01H；端点数目

DB 03H；端口使用的种类（HID）

……

（4）端点描述符

DB DESC_TYPE_ENDPOINT；型号

DB 83H；端点方位

DB EP_ATTR_INT；响应形式（中断）

DW 0008H；最大数据包字符数

……

（5）报告描述符

报告描述符的功能主要是用来确定执行设施性能的数据样式和运用办法，和其他的描述符对比更加复杂，其每次传输的数据包含8位。

DB 0005H, 0001H；通用桌面

DB 0009H, 0000H；自定义运用

DB 0015H, 0000H；逻辑最低限

DB 0025H, 0001H；逻辑最高限

DB 0095H, 0001H；传输数据数目

DB 0075H, 0008H；数据字符数

……

4　系统性能测试

本系统在室外开阔林地进行了实验，实时监测时间为1 h，各传感器节点的温湿度变化情况，监控主机采集的温湿度数据曲线如图4所示。实验数据表明，本体系在监看周期内，传感器节点传输的温湿度数据、网关节点工作状态正常，没有发生丢包事件。

5　结论

本文使用了最先进的无线传感器网络技术（Zig⁃ Bee PRO）完成对森林火灾的实时监看，规划了以TI公司的CC2531和温湿度传感器SHT11为基础的森林火灾监看体系，并对该体系的硬件、软件的配置原理做了全面的分析。经场地实际测试证明，该系统的工作稳定、可靠，对森林火灾的预防和控制有很大帮助，应用前景广阔。

图4　实时监测温湿度数据曲线

参考文献

[1]唐静，李淼，张建，等.基于ZigBee网络的经济林无线信息监控系统设计[J].仪表技术，2011（3）：22⁃24.

[2]李光辉，赵军，王智.基于无线传感器网络的森林火灾监测预警系统[J].传感技术学报，2006，19（6）：2760⁃2764.

[3]李文仲.ZigBee 2007/PRO协议栈实验与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[4]高峰，俞立，王涌，等.无线传感器网络作物水分状况监测系统的上位机软件开发[J].农业工程学报，2010，26（5）：175⁃181.

[5]陈拥军，袁慎芳，吴键，等.无线传感器网络故障诊断与容错控制研究进展[J].传感器与微系统，2010，29（1）：1⁃5.

[6]李强，王春山，王爱新，等.物联网在农业现代化中的应用[J].电脑知识与技术，2010（24）：5899⁃5901.

Design of forest fire early warning and monitoring system based on ZigBee PRO

WANG Aixin
(College of Information Science and Technology, Agriculture University of Hebei, Baoding 071001, China)

Abstract：The design scheme of forest fire real⁃time monitoring system based on ZigBee PRO is proposed. An forest fire early warning and monitoring system based on chip CC2531 made by TI and sensor chip SHT10 made by Sensirion was de⁃signed, in which the design principles of hardware and software are analyzed. The USB 2.0 universal serial interface owned by chip CC2531 is used to realize the communication between the host computer of forest fire monitoring and ZigBee gateway by the user defined HID equipments. Compared with the traditional serial port communication, the data transmission rate can be im⁃proved greatly, which is helpful for the real⁃time data transmission and acquisition of large data size.

Keywords：ZigBee PRO；CC2531；forest fire；real⁃time monitoring；USB 2.0；HID

作者简介：王爱新（1978—），男，河北保定人，硕士，讲师。研究方向为计算机网络与分布式处理、数据库技术。

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划（2011BAD38B02）；河北省科技项目支撑计划（11237178）；林业公益性行业科研专项（201204105）；河北农业大学非生命学科与新兴学科项目资助（FS20100503）

收稿日期：2015⁃09⁃19

doi：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2016.01.006

中图分类号：TN911⁃34

文献标识码：A

文章编号：1004⁃373X（2016）01⁃0020⁃04