基于Zigbee的森林火灾预警防控系统研究

2020-12-24韩美林周佩刘磊

商洛学院学报 2020年6期

韩美林，周佩，刘磊

（1.商洛学院电子信息与电气工程学院，陕西商洛 726000；2.商洛市气象局，陕西商洛 726000）

由于森林的占地面积较大，人力检测很难实现，加上森林火灾破坏性较大，传统监控更不能进行准确预测。目前无线传感器网络技术的快速发展与应用为监测森林火灾提供了有效地解决方案。无线传感器网络在森林参数测量方面发挥着突出的优势，大大减少了许多附加因素的干扰，能够极大地提高森林火灾等自然灾害的预警能力[1]。森林火灾通常受温度、相对空气湿度和烟雾浓度等因素影响[2]。因此本文主要研究通过无线传感网络对森林火灾因子的数据收集反馈来检测是否发生火灾。该设计分为硬件与软件两部分设计，硬件设计是在IAR软件上进行硬件程序下载与驱动，将程序烧入装有CC2530芯片的协调器中，实现DHT11的测量，MQ-2测试烟雾浓度的功能；软件设计主要是通过无线传感通过串口传输将协调器上的数据传输到电脑端或者手机软件上[3]。实验证明，本系统能够完成对相关环境数据的检测，并通无线通信成功传输数据，可以把这一系统应用到现实森林场景中去，提高森林火灾预警能力。

1 系统总体设计

1.1 系统总体框图

基于Zigbee的森林火灾预警防控系统整体框图如图1所示，主要分为三个模块：终端节点、协调器节点以及远程监控系统。终端节点以自组织的方式组网，将采集到的环境信息（包括温湿度、烟雾气体浓度）传送到协调器节点。协调器节点将汇聚的各个节点信息通过者互联网传送至远程监控系统[4]。通过Zigbee建立无线网络，实现终端节点与协调节点之间数据收发，通过串口输出，实现数据在电脑端显示。

1.2 节点部署

常见的节点部署方式主要有两种：随机部署和控制部署。随机部署随机选取节点，适合于节点耗材价位较低且难以对监测区域实现监控的恶劣环境下。

图1 Zigbee的森林火灾预警防控系统整体框图

控制部署的数据采集节点预先确定，多采用基于网格的部署，常见的有三角形、正方形和六边形网格。六边形网格控制部署，具有有效利用面积大、所用节点最少等优点。因此，本文采用六边形的无线传感器网络控制部署技术[5]，无线传感器六边形网格控制的网络拓扑结构如图2所示。

图2 六边形网格控制的网络拓扑结构

传感器的网络节点包括两部分：终端节点和协调器节点。传感器网络中密集的终端节点大多通过网络中唯一的协调器节点将数据信息传送至用户终端或控制中心。为了降低终端节点多跳的能耗、减轻单个协调器节点的负担、保证系统的稳定性，本系统的传感器网络采用多协调器节点。协调器节点负责建立Zigbee无线网络，终端节点根据先前制定的协调器节点设备自动加入该网络，然后终端节点周期性地将采集到的环境参数发至对应的协调器节点，实现终端节点与协调节点之间数据收发，通过串口输出，将数据显示在电脑端[6]。

2 Zigbee芯片及传感器模块设计

常用的无线传输技术比较如表1所示，森林火灾预警防控系统除了要满足实时性和可靠性的要求，考虑到系统还要在森林内布置大量节点和在林内长时间的运行，因此设计中还必须考虑成本和节能问题[7]。综合比较几种无线传输方式，本系统采用Zigbee传输方式。

表1 几种无线传输方式的比较

本次芯片选取的是CC2530单片机，不仅是支持IEEE 802.15.4协议，而且还能与8051完全兼容。CC2530芯片底层电路如图3所示。

图3 CC2530芯片底层电路

从图3中可以看出，CC2530拥有很多外部接口资源，可以承载很多传感器设备，电路底层设计有2个晶振时钟，还可以提供2种常用的时钟信号[8]。

2.1 温湿度模块设计

引起森林火灾的因素有很多，温度是必不可少的因素之一，尤其是在地形复杂，茂密的丛林中。为了实现对森林中温湿度数据的采集，本设计选择DHT11型号的温湿度传感器。

2.2 烟雾浓度模块设计

森林火灾发生往往伴随着浓浓的烟雾，本文采用的烟雾浓度传感器MQ-2可以检测多种可燃性气体，且探测的范围广泛。当待测环境中存在可燃气体时，随着可燃气体浓度的增加，传感器的电导率增加，护林人员就可以直接通过指示灯变化进行火灾预防相关工作安排[9]。

3 Zigbee协议体系结构

Zigbee协议体系结构包含四层，其中每一层为上一层提供特定的服务[10]。协议体系结构如图4所示。

图4 Zigbee协议体系结构

4 实验测试以及结果分析

4.1 温湿度采集

首先通过DHT11对温湿度数据进行采集，然后利用终端节点将数据通过无线传输输送到协调器，最后通过串口显示工具可以看到周围环境的温湿度变化[11]。

程序运行结果串口工具显示如图5所示。

4.2 烟雾浓度采集

通过MQ-2烟雾浓度传感器进行采集，模拟火灾发生时的烟雾，从而得出实验所产生的结果。空气浓度正常时MQ-2指示灯为绿色，当烟雾浓度超过设置的标准浓度时，指示灯将会变成红色。

图5 程序运行结果串口工具显示

5 终端界面设计

5.1 串口通信协议

本设计利用串口通信建立森林火灾终端与监视端节点之间的联系，串口通信是将传感器在林中检测的各项数据，通过串口进行转发。这个协议用于Zigbee模块的管理工具编写，Zigbee模块的管理工具和Zigbee之间数据交互[12]。Zigbee管理系统通信模块如图6所示。

图6 Zigbee管理系统通信图

5.2 Zigbee管理模块

Zigbee管理系统实现界面如图7所示，该界面显示有四个终端节点，本文采用了其中一个终端进行设计，通过实验，护林人员可以实时观察到监测界面的实时数据判断以及做出反应。如图7所示，通过实验可以从图7中得到温度，湿度，烟雾浓度等对森林火灾发生的重要因素。

利用Zigbee管理系统的同一终端，对同一环境持续采集24 h内的温湿度数据，温湿度曲线如图8所示，由图8可知，护林人员应格外注意13:00～16:00时间段，此时间段内林内湿度低且温度高，火灾极易发生。即一旦出现烟雾报警则需考虑火情的存在与防灾措施准备工作。

6 结论

引起森林火灾的发生的关键因素是温度、湿度和烟雾浓度，本文通过Zigbee建立无线网络，实现终端节点与协调节点之间数据收发，通过串口输出，实现数据在电脑端显示。实验表明，可以在Zigbee管理界面观察到温湿度等火灾发生时重要的参数数据，在一定程度上可以相对精确预防和有效地提高森林火灾预警能力。由于本系统的设计和测试过程都是在实验室环境下进行的，还需进一步完善和发展这一系统，最终能够把这一系统应用到现实森林场景中去。