基于Zigbee的森林火灾监控系统设计

曹波 许月妮

ZigBee技术属于一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据传输速率、低成本的无线通信技术，它的应用范围广泛，主要应用于遥控和自动控制领域，并具有地理定位功能。相对于已有的多种无线通信技术而言，ZigBee技术更适合于携带少量的数据流。

（一）MAC层

MAC层是实现特殊业务汇聚与物理层间通信的关键技术。MAC层在概念上还包括一个MLME，它为MAC层提供了一个管理服务界面；另外，MLME还建立了MAC PAN系统的数据库。

IEEE802.15.4标准中的MAC子层，其功能包括：①支持PAN连接和解连接；②协调程序生成网络信标；③一种处理与维持保障槽（GTS）机制；④基于CSMA-CA的通道接入机制；⑤提供两点对点的MAC实体之间的可靠连结。

（二）网络层

网络层必须能够保障MAC层的正常运行，并且能够为应用层提供适当的业务接口。在与应用层连接的过程中，NLDE的主要业务有：①基于应用支持子层PDU，添加适当的协议头产生NPDU；②按照拓扑路由，向通信链路的目的地地址装置或者向通信链路上下一个跳跃装置发送一个NPDU。NLME提供针对应用和协议栈的管理服务。

（三）应用层

ZigBee的应用程序层包括应用程序、应用程序框架、应用程序对象等。APS子层实现了对数据的管理。Binding是一种将两台设备按照业务和需要相匹配的功能。其中，ZDO的任务是确定网络中装置的作用（ZigBee协调器、路由器或终端装置），初始化并响应此绑定请求，并且在网络设备之间建立安全关系。另外，ZDO还负责发现网络设备并理解其提供的服务。

（一）节点的拓扑结构

在WSN中，节点部署（也就是覆盖）是一个非常重要的问题。高效的节点配置，可以在最小的节点数量下，获得最准确和完整的信息，降低冗余信息的处理，减少节点的能耗。节点的部署模式有兩种，即有控制的部署模式和随机的部署模式。随机布点的方法以飞机布点为主，在节点消耗较少、监测区条件较差的情况下，可采用该方法。在此基础上，提出了一种新的数据采集方法。大多数的控制部署都是以栅格为基础，目前随机配置只是一种理论上的配置方法，在实际应用中还有许多问题有待解决；六边形栅格的控制布置更能充分利用空间，占用更少的节点。在传统的传感网络中，大量的终端节点被集中在一个单一的协调者身上，这给传感网络带来了巨大的能量消耗和可靠性等问题。在此基础上，本文提出了一种将多个协作节点贯穿到整个传感网络中的方法，该方法既可减少多个协作节点之间的相互干扰，又可减轻单个协作节点的工作负担，确保系统的稳定运行。无线传感器的网络拓扑结构如图1所示。

（二）硬件电路设计

本研究项目利用ZigBee技术设计了火灾监控系统，并对其硬件进行了详细分析。其中，传感器模块主要负责对森林中各传感器附近的环境参数进行采集，并将这些参数传送到ZigBee控制器中，对其进行相应处理。在此基础上，以网络为中心，向协作节点的ZigBee控制模块发送消息。

1.ZigBee控制模块电路设计

使用CC2530作为ZigBee控制电路模块的主要控制芯片。其核心8051的特点是功耗低，性能好。同时具有5种工作方式，5通道DMA，8通道分辨率，12位定时器，电池监控器，温度传感器，安全协处理器和21个常用的I/O管脚。CC2530系列产品性能稳定，功能全面，使用范围很广。

2.传感器模块电路设计

NIS-05A主要用来检测火灾时产生的浓烟和房屋内的尘埃。该传感器是一种最大供电电压24V，电流消耗15±2pA（9V电压提供时）的低辐射标准传感器。但其阻抗值较高（100左右），极易受到外部电子噪声的影响。因此，在印制电路板时，必须重视对该传感电路的防护。通常在接头处用聚四氟乙烯做支撑，或在空气中用聚四氟乙烯做焊丝，而不接触印刷电路板。调谐电路包括一个VCC1，一个电压输出端2，以及一个接地端3。NIS-05A的阻抗较高，其2脚的输出电流较低，而目前常用的运算放大器输入阻抗较低，无法实现电流的放大。所以，为了保证电流的放大而又不会造成电压的畸变，就需要选用具有极高输入阻抗的运算放大器。烟雾检测报警流程如图2所示。

3.系统节点软件设计

在森林火灾监测系统中，大多数的传感节点都起着终端的作用，主要是收集环境信息。真实的WSN需要将ZigBee中的传感数据和WSN相结合。该系统的软件部分，主要完成了WSN的构造。协作节点负责构建ZigBee无线网络，在此基础上，各协作节点按照事先设定好的协作节点设备，定期向相应的协作节点发送信息，并将所收集到的信息以串行方式传输给用户监测中心。根据事先设定好的协调者节点装置，终端节点会自动加入到这个网络中，将数据以阵列的方式存储，并将其传输到协调节点；该数组为标记节点预留了一个字节。在此基础上，由协调者结点接收并由终端结点发送的报文，会按照预先设定好的“帧”格式发送给上位机。

4.监控软件设计

本研究项目利用VB编写了林火监测系统的监测界面，使监测界面简单，可扩展性好，实用性强。系统的主要功能模块有火灾预警模块、节点参数的显示模块、观察节点的选择按钮。在火警预警模块中，实现了对受火警威胁节点的实时显示，并根据观察点选取菜单，对监控点进行任意选取；通过对节点参数的显示，可以对节点参数进行详细的描述，从而对节点参数进行判断。

本文采用ZigBee技术开发了一套能够采集4种不同环境条件下的火灾监测系统，并实现了可扩充的传感器模块。在无线网络中，我们以六边形的控制布局与多个协作节点取代一对多的传统模式，从而实现大范围、低能耗、高可靠等优势。监控系统具有较高的集成性和较好的扩展性；该系统的各节点软件具有较好的结构，通过多播方式进行数据通讯，在数据传输时添加了鉴别标志，具有较高的传输可靠性。

作者单位：南宁师范大学