摘要： 針對傳統(tǒng)人工巡山的森林防火方式過于簡陋、不能主動實時掌握森林情況的現(xiàn)狀，提出并實現(xiàn)了一種基于ZigBee 技術的無線森林環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案。考慮到森林地形的特殊性，采用網狀網絡拓撲方法，以無線控制器JN5121-000-M02 模塊為監(jiān)測節(jié)點，地擴展了監(jiān)測范圍。詳細介紹了系統(tǒng)硬件各部分組成和軟件流程設計。經分析，該系統(tǒng)可實時監(jiān)測森林的環(huán)境指標，對提高森林防火、滅火的效率具有積極的意義。

　　0 引言

　　森林火災不僅給人類的經濟建設造成巨大損失，破壞生態(tài)環(huán)境，而且還會威脅到人類生命財產安全。

　　傳統(tǒng)的人工巡山的防火方式過于簡陋，只能做一些防備措施，不能主動實時監(jiān)控森林的具體情況。一般認為，晴朗、高溫和大風天氣常使森林中可燃物的含水量下降到40%以下，這時易發(fā)生森林火災。了解森林火災發(fā)生所需的條件，防火系統(tǒng)設計就有跡可循。

　　系統(tǒng)只需要收集森林各個位置的環(huán)境參數(shù)（ 包括溫濕度、降水量和風力等） ，并將數(shù)據傳送到指揮中心，對數(shù)據進行綜合分析處理，即可得出森林火災易發(fā)位置，在時間消除隱患，節(jié)省人力和財力。

　　ZigBee 無線傳感網絡具有功率小、成本低的優(yōu)點，因此，本文基于ZigBee 無線傳感網絡，構建了森林火災監(jiān)測系統(tǒng)，并通過監(jiān)測森林環(huán)境參數(shù)對數(shù)據進行分析，從而使環(huán)境參數(shù)得到實時監(jiān)測。

　　1 ZigBee 技術概述

　　ZigBee 是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術，主要用于近距離的無線連接。它能夠實現(xiàn)多節(jié)點間的相互協(xié)調通信，而需要的能量很少； ZigBee 以自組網多跳的方式進行數(shù)據傳輸，已被認為是較合適的無線傳感網絡的通信協(xié)議。ZigBee 標準是在IEEE 802.

　　15. 4 標準的基礎上發(fā)展而來，旨在使不同應用制造商之間能共享一套標準。IEEE 802. 15. 4 是IEEE 組織制定的低速率、無線個人局域網標準，定義了物理層和介質訪問控制層。ZigBee 聯(lián)盟對網絡層協(xié)議和API 進行標準化，同時開發(fā)了安全層，應用已較成熟。

　　2 系統(tǒng)硬件設計

　　無線傳感網絡用于森林防火系統(tǒng)，需要在森林里人工散布節(jié)點。這些節(jié)點通過自組織方式構成無線網絡，以協(xié)作的方式感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中所需要的信息，實現(xiàn)對任意地點的信息在任意時間的采集、處理和分析。典型的傳感器網絡體系結構由分布式傳感器節(jié)點、路由器節(jié)點、互聯(lián)網和用戶界面等組成。在這個網絡中，傳感器節(jié)點通過多跳中繼方式將數(shù)據傳到路由器上，由路由器將收集的數(shù)據通過Internet或者衛(wèi)星傳到遠程控制中心進行集中處理。

　　2. 1 系統(tǒng)架構

　　在ZigBee 網絡拓撲結構中，協(xié)議定義了3 種Zig-Bee 設備對象，分別是ZigBee 協(xié)調器、ZigBee 路由器和終端設備。ZigBee 網絡根據應用需要可組織成星型網絡、樹狀網絡和網狀網絡。考慮到森林里需要數(shù)據監(jiān)控采集的網點多，地形復雜且要大面積的網絡覆蓋，本系統(tǒng)采用網狀網絡拓撲。

　　2. 2 系統(tǒng)節(jié)點的硬件設計

　　系統(tǒng)所有ZigBee 節(jié)點都采用同樣的電路設計，通過寫入相應的程序來完成不同功能。所有節(jié)點都是由JN5121-000-M02 模塊、RS-232 通信接口模塊、驅動控制輸出模塊、數(shù)據存儲模塊、模擬信號處理電路、實時時鐘模塊、電源處理模塊和太陽能供電單元共同組成。

　　系統(tǒng)硬件框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件

　　系統(tǒng)中的ZigBee 節(jié)點所采用的JN5121-000-M02模塊可以實現(xiàn)較遠距離的無線通信，在空曠地段通信距離超過1 000 m。系統(tǒng)所有節(jié)點采用太陽能供電單元供電，開關電源為DC/DC MAX1837。模擬信號處理模塊具有通用的傳感器接口，無論是模擬信號，還是脈沖數(shù)字信號都能得到很好的處理，可以靈活地經過設置接入具有標準輸出的傳感器。驅動控制電路實現(xiàn)對現(xiàn)場脈沖電磁閥的開閉控制。

　　2. 2. 1 JN5121-000-M02 模塊

　　2006 年，英國Jennic 公司開發(fā)出集成了微處理器和無線收發(fā)器JN5121M0x 系列ZigBee 模塊，其中，JN5121-000-M02 模塊有一個電源放大器和低噪聲放大器，可加大通信距離。JN5121 無線收發(fā)器工作在2. 4 GHz 頻段，內部有128 位AES 加密的安全處理器；可以進行硬件處理MAC 地址加速和報文地址檢查，提升通信報文的產生速度，硬件處理報文自動確認以及報文的CRC 生成； 此外，模塊內部集成了電源管理芯片和晶振休眠，可降低協(xié)同功耗。

　　2. 2. 2 RS-232 通信接口電路

　　通信芯片選用的是MAX3222。MAX3222 使用單一電源電壓Vcc，電壓值在3. 3 ～ 5. 5 V 范圍內都能正常工作，額定電流為300 μA，可完成TTL 與RS-232 兩種電平之間的轉換。另外，它還可以通過引腳控制驅動器和接收器的工作狀態(tài)，啟動或禁止自動降低功能，使其工作在不同的能耗，從而達到降低功耗的目的。本系統(tǒng)MAX3222 的硬件連接電路如圖2所示。RXD0、TXD0、引腳分別與JN5121 模塊的UART0相應管腳和I /O 接口相連，RXD、TXD、CTS 分別連接到系統(tǒng)的RS-232 接線端子上，完成上位機通信以及JN5121 模塊的程序功能。

圖2 MAX3222 硬件連接圖

　　2. 2. 3 驅動控制輸出模塊

　　森林面積大且地形復雜，很難采用有線電源為系統(tǒng)供電，為此選用的電磁閥一般為脈沖式電磁閥。脈沖式電磁閥無需持續(xù)供電，通過瞬間的脈沖信號就能實現(xiàn)電磁閥的開關控制，非常適合在森林中應用。脈沖式電磁閥的工作電壓為直流電壓12 ～ 40 V，它由三線制控制，分別為白線、紅線和黑線。白線為公共端接入線，當白線和紅線之間產生一個12 V 以上的脈沖信號時，電磁閥打開； 當白線和黑線之間產生一個脈沖信號時，電磁閥關閉。

　　2. 2. 4 存儲電路模塊

　　鐵存儲器（ FRAM） 是一種非易失性隨機存取儲存器，它既可以進行非易失性數(shù)據存儲，又可以像RAM一樣操作。在此，系統(tǒng)采用鐵存儲器FM25L256，它是具有先進鐵電技術制造的32 kB 非易失性存儲器。

　　FM25L256 以總線速度進行寫操作，無須延時，僅需幾百納秒； 當數(shù)據寫入芯片后，下一個總線周期可以立即開始而無須進行數(shù)據輪詢。此外，F(xiàn)M25L256 具有無限的讀寫次數(shù)，且操作功耗非常低，工作電壓在2. 7 ～3. 6 V 之間，工作靜態(tài)電流低至5 μA。

　　2. 2. 5 實時時鐘模塊

　　實時時鐘模塊主要器件采用PCF8563 時鐘芯片，它是低功耗的CMOS 實時時鐘/日歷芯片，提供1 個可編程時鐘輸出、1 個中斷輸出和掉電檢測器，所有的地址和數(shù)據通過I2C 總線接口串行傳遞。該芯片為系統(tǒng)提供時間基準，可以根據設置值采集數(shù)據，定時存入數(shù)據存儲器，同時也能喚醒微控制器進行自動采集，滿足對實時時鐘芯片的各種需要。

　　2. 2. 6 太陽能供電單元

　　由于普通電池不能滿足系統(tǒng)長時間的要求，因此，系統(tǒng)采用太陽能供電單元。該單元由太陽能電池組、充電控制器和蓄電池組組成。充電控制器的基本作用是為蓄電池提供的使用壽命，同時保護蓄電池，避免發(fā)生過充電和過放電現(xiàn)象。

　　3 軟件設計與實現(xiàn)

　　JN5121-000-M02 模塊的軟件是在Jennic 公司的Jennic CodeBlocks 環(huán)境下開發(fā)的，采用Jennic 公司已經編寫好的MAC 層軟件，則用戶可通過C 語言編程完成應用層的開發(fā)。系統(tǒng)軟件流程圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

　　系統(tǒng)協(xié)調器設備（ 主節(jié)點協(xié)調器） 的軟件流程如圖3（ a） 所示。主節(jié)點的主要功能是對ZigBee 網絡中的各個子節(jié)點進行管理，將上位機監(jiān)測終端下達的測控信息通過ZigBee 網絡發(fā)送到需要測控的子節(jié)點，接收各個子節(jié)點的狀態(tài)信息并將信息發(fā)回給上位機進行數(shù)據處理和保存。系統(tǒng)的路由設備和數(shù)據采集控制總端（ 子節(jié)點路由器和終端設備） 的軟件流程如圖3（ b）所示。子節(jié)點是整個系統(tǒng)的數(shù)據采集和控制設備的主要執(zhí)行機構，它的主要功能是接收主節(jié)點的采集控制信息，對接入的不同傳感器進行數(shù)據采集，并對電磁閥等設備進行控制。其中，路由設備在完成數(shù)據采集控制的功能外，還具有ZigBee 網絡數(shù)據路由中繼功能。

　　4 結束語

　　ZigBee 無線傳感技術具有低成本、易實現(xiàn)、數(shù)據傳輸可靠和低功耗等特點，非常適合于森林火災監(jiān)測。系統(tǒng)采用網狀網絡拓撲結構，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，以限度地覆蓋需要監(jiān)測的區(qū)域，實時監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境因子，并根據數(shù)據變化及時發(fā)現(xiàn)易著火點的位置，真正為林火防治降低成本，提高效率。

　　但是系統(tǒng)仍存在節(jié)點多、能耗相對較高的缺陷，有待進一步的改進和優(yōu)化。本系統(tǒng)的提出是對無線傳感在林火監(jiān)測方面的應用嘗試，不但為我國林火監(jiān)測研究提出了一種新方向，同時也為無線傳感的應用拓寬了發(fā)展空間。