林火前端探测节点设计与实现

2016-11-17武警工程大学信息工程系王子豪

电子世界 2016年20期

武警工程大学信息工程系王子豪

林火前端探测节点设计与实现

武警工程大学信息工程系王子豪

本文针对林火预警困难的现状，分析了国内外对林火监测的手段，给出一种利用无线传感器网络节点监测林火的设计。利用CC2530开发板、热释电红外传感器、烟雾传感器、温度传感器，从软件和硬件上设计了一种基于ZigBee网络的林火前端探测节点原型，并对节点进行了实验。实验表明，本文设计的林火前端探测节点可迅速感知环境变化，准确探测环境信息。

林火监测；ZigBee；CC2530

0　引言

据统计，世界年均发生森林火灾22万次以上，受害森林面积在830万公顷以上。虽然我国森林面积仅占世界的3.2%，但年均森林火灾发生次数、受害森林面积却分别占世界的8%和14%，可见我国森林防火灭火任务十分艰巨［1］。

目前，各国针对森林火灾的预测，采用不同的手段。美国利用“大地”卫星在离地面大约705公里的轨道上绕地球运转［2］，探测地面上的高温地区、浓烟地带以及火灾遗址，并使用无人驾驶林火预警飞机进行24小时监测，虽获得了成功，但耗费了巨额资金。加拿大采用从卫星上发射电磁射线检测林区温度，当检测出某一林区局部温度上升到150℃～200℃，红外线波长达3.7微米时，便是火灾前兆，立即测定具体温度，采取措施及时防火。虽然国外有的技术可靠，但是施工太复杂；有的技术基础设施投资太大，成本高，不适合我国森林火灾预测。

目前，我国的林火监测系统主要由瞭望台监测和人工巡护为主［3］，瞭望台监测范围有限，人工巡护缺乏时效性和人员安全性，急需一种实时监测的方法弥补瞭望台的不足。在林火监测中，利用无线传感器网络辅助瞭望台盲区监测的应用，目前处于起步阶段。

1　林火前端探测节点的主要功能

林火监测前端探测节点的研制，能有效弥补瞭望台监测和人工巡护的不足，明显提升森林火灾预警能力，满足“打早、打小、打了”的扑灭原则。尤其是在应对交通不便、无人生存条件的偏远林区，该区域不宜架设瞭望台，或瞭望范围十分有限，设置人员巡逻效率极低。在此类区域部署多种类型的传感器，能有效解决林火监测的问题。其中，热释电红外传感器尤其适用，其灵敏度可达到0.01℃，能精确探测隐火发生的方位。由此可见，本文的研究具有很强的实用性和推广价值。根据林火监测的需要，林火前端探测节点的主要功能包括：

（1）实现精准的林火探测，具有抗干扰性强、组网快速、能耗低的特点；

（2）该前端探测传感器设备集温度探测模块、烟雾探测模块、火焰探测模块、无线传输模块于一体，具有高灵敏性和低误差性；

（3）通过无线通信模块接入现有的瞭望台监测系统，能够实现GPS定位和与现有通信网络的无缝连接，增加了林区监测面积，提高林火监测的效率。

2　林火前端探测节点的设计

2.1硬件设计

硬件总体设计思想是满足设备通用可靠、经济实用的要求，不影响和改变现有的林火检测系统，只是加入无线接收模块即可。充分考虑森林环境的特点，合理设计传感器的温度、湿度、红外和烟雾浓度的探测范围，调整设备运行参数。在保证设备工作稳定可靠的前提下，同时考虑到经济实用性和样机的性价比，能真正达到广泛应用的需要。

图1　硬件组成

林火前端探测节点的硬件组成如图1所示，林火前端探测节点由主控芯片、电源模块、信号过滤放大系统、无线网络芯片、无线接口、烟雾传感器、热释电红外传感器和温度传感器组成。其中，主控芯片采用搭配51内核的CC2530芯片，CC2530是适用于2.4GHz IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统解决方案［4］，能够以较低的功耗为前端探测节点提供强大的处理和通信能力。

2.2节点工作流程

由于采用的是CC2530开发板，所以在开发板上运行的是Zig-Bee协议，本文采用的是Z-Stack，它是ZigBee协议的一种具体实现［5］。Z-Stack中的操作系统是基于优先级的轮转查询式操作系统，本设计利用轮询机制实现节点采集信息的传递。

如图2所示，当初始化完毕后，前端探测节点加入协调器建立的ZigBee网络，网络组建完毕后，协调器向网络中的各个终端广播信息，当节点接收到广播信息后，节点开始工作，各传感器采集环境信息，然后节点对环境信息进行简单处理后传输至协调器，而后进入睡眠状态以降低能耗，按睡眠周期1分钟周而复始地工作。当接节点收到协调器广播停止工作的信息后，节点结束工作。