Zigbee无线传感器网络的森林火灾监测系统的研究

Zigbee无线传感器网络的森林火灾监测系统的研究
摘要:该文在探讨森林起火因素的基础上,构建了I.种Zigbee无线传感器网络的森林火灾实时监测系统.该系统给出了森林火灾无线传感器网络监测系统的体系结构,重点设计了CCIIIVIII0芯片的网络节点硬件电路,详尽的讨论了网络的数据传输流程:该系统能够监测临朐温湿度等相关环境参数的变化,为有关部门采取相应的防火或灭火措施提高决策依据.
关键字:无线传感器网络,火灾检测,网络利息,网络节点,数据传输
I.引言
森林是人类赖以生存及社会发展最重要和不可缺少的资源之I.,更是地球生态平衡的保护着.然而,森林火灾时破坏森林资源安全.威胁人类生存环境最为严重的灾害之I..近年来,由于气候变化,人类活动等因素的影响,森林火灾的频率大为增加.预防和监测森林火灾已成为世界各国森林防火部门的I.个重要研究热点.目前,森林防火方法主要包括的防火人员到林区巡逻,,望塔人工观测以及卫星监测.虽然从望塔观测是很容易的,可行的,但其弊端是需要投入很多财力.物力.劳力;存在防火人员主观麻痹大意.擅离岗位.无法实时监测.覆盖范围有限等诸多不利因数;应用卫星探测系统的适用范围也受限于许多因素,这降低了其在森林火灾探测效果.例如,卫星监测系统的扫描周期长.分辨率低.图像像素点的饱和.扫描期间云层的遮挡以及火灾参数很难实时数量化等原因限制了卫星探测系统的使用范围,降低了森林火灾的监测效果.传统监控的这些缺点,我们建议ZigBee无线传感器网络技术,并解释其作为监控系统的应用.该系统可实时监控相关参数,如温度,相对湿度,并立即将数据发送到监控中心的计算机.所收集的数据将进行分析,并通过计算机来管理.相比与正常的气象信息和基本的森林资源数据,系统可以做出快速评估I.个潜在的火灾危险.然后将分析结果发送给相关部门,为有关部门采取相应的防 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2 
火或灭火措施提供决策依据.
II森林火灾监测的主要参数
森林起火要具备火源.环境因素和林中可燃物III个条件,林火的发生往往是这些因数综合作用的结果.根据加拿大火险天气指数预报模型,导致森林能否期货的I.个重要因数是森林可燃物含水率.因此,森林可燃物含水率是判断森林火灾能否发生,进行森林火灾预测监测的重要因子.而可燃物含水率的大小与大气相对湿度.空气温度以及风等因数有关.大气相对湿度可直接影响可燃物水分的蒸发,空气温度的高低可以通过环境间接改变可燃物的物理性质.因此大气相对湿度.空气温度是影响可燃物含水率的主要因素.因此本文要测量大气相对湿度和空气温度两个参数来间接反映可燃物含水率的大小,作为预报和监测森林火灾发生的重要依据.当然森林火灾的发生还与其他很多因素有关,如林区雷电的活跃程度.人为因素.风速.植被情况等,这些因素暂忽略不予考虑.
IIIZigBee无线传感器的应用
无线传感器网络被人为是影响人类未来生活的X大新兴技术之I.,它是计算机技术.通信技术和传感器网络技术相结合的产物.无线传感器网络是由大量无处不在的.具有通讯和计算功能的微小传感器节点组成的信息采集网络体系,它们能够够协作地实时监测.感知和采集各种环境或监测对象的信息,并对其进行处理.ZigBee是I.种低速率,低成本和低功耗的短程无线网络的通信协议,与其他无线技术相比,ZigBee技术具有数据传输安全可靠.组网简易灵活.设备成本低.电池寿命长等独特的优势.因此,在工业控制领域的中展现了深厚的发展潜力和广阔的市场应用背景.
将Zigbee的无线传感器网络应用在森林火灾监测系统中,可实现对覆盖森林内的任意地点的温湿度等信息在任意时间的采集.处理和分析.而且还能大大提高系统的可扩展性,降低设备维护的成本,优化整个系统.
III.I.ZigBee无线传感器网络的森林火灾监控系统
ZigBee无线传感器网络系统包括传感器节点,网关(路由器)和I.个监控主机.为减少能量损耗和数据包丢失,本文采用簇-树网络拓扑结构(如图I.).在本设计中,传感器节点处理能力较低的微处理器随机分布在森林和附近地区收集火灾监控参数,如相对湿度和大气温度.根据不同的部分,不同的传感器节点在整个网络中,它们被分为III类:普通底部节点,簇头和网络协调员.其中底层普通节点将采集到的数据跳传至本簇的簇头.簇头主要是处理数据融合和数据包传输.通过簇头,由普通底部节点采集的数据群集可融合并传送到最近的由传输网络协调器和数据包网络协调器可以广播到的相关集群.网络协调主要涉及基本网络管理功能,如网络配置,设备登记和访问控制.数据信息可以通过无线通信被发送到路由器.在接收数据时,路由器建立本地数据库,然后通过互联网将数据发送到监控主机,为林业和防火救灾部门提供决策依据.
图I.Zigbee的森林火灾检测系统网络体系结构
III.II传感器节点的结构
传感器节点是无线传感器网络的I.个基本单元和平台.传感器节点通常由传感器模块,处理模块,I.个的无线通信模块和电源模块组成.图II显示了该传感器节点的结构.
传感器模块负责采集森林区域内大气相对湿度.空气温度参数和数据模/数转换.处理器模块是负责控制整个传感器节点的操作,存储和处理从它自身采集来的数据以及其他节点发送来的II进制信息,无线通讯模块负责与其他的节点进行通讯.交换控制信息和收发数 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2 
据.电源部分主要给传感器模块.处理模块.无线通讯模块供电,负责节点的驱动,是决定网络生存期的关键因素.
IV系统硬件设计
无线传感器网络构建的基础性工作是网络节点的硬件设计,包括传感器节点设备的硬件设计和路由器节点设备的硬件设计.
IV.I.传感器节点设计
图III显示了I.个传感器节点的电路原理.节点硬件设计采用的核心芯片是Chipcon公司今年推出的CCIIIVIII0.这是I.个系统芯片的CMOS芯片,嵌入了高性能和低功耗的微控制器芯片VIII0VI.,I.IV位模数转换集成ADC和I.个II.IVGHz的射频无线收发器,符合IEEEVIII0II.I.V.IV标准.该芯片具有良好的无线接收灵敏度和出色的抗干扰性能.当在接收和发射模式,电流损耗小于IIVII或IIV毫安分别.该CCIIIVIII0芯片只需要很短的时间在改变它的模式从睡眠到活动模式,特别适合于森林火灾监测应用的需要持久的电池.传感器模块采用温湿I.体的SHTI.I.,SHTI.I.是瑞士Sensirion公司生产的具有IIIC总线接口的单片全校准数字式相对湿度和温度传感器.该传感器有I.些最先进的功能,例如数字输出,是对准和校准无,具有自动休眠,并且可在水中完全浸没.它的大小超小(VII.VmmVIVmmVIII.V毫米),只有火柴头大小.该SHTI.I.需要的电源电压的II.IV~V.VV.该芯片还具有IV个免费的NC引脚和I.0千伏上拉电阻,VDD和GND加I.个I.00nF的滤波电容.
I.个DSIIIV0I.芯片被视为I.个唯I.的标识符存储硬件节点.使用前,唯I.的VIIV位注册码标记在I.个DSIIIV0I.的ROM,其中包括I.个VIII位家族码,IVVIII位序列码和VIII位CRC校验码.任何DSIIIV0I.芯片,由达拉斯公司生产的,具有不同的序列码.除盛大针,DSIIIV0I.芯片只有I.个功能引脚,可以提供电源及处理输入和输出.该系统的电源由II节高能碱性电池提供电能.为了保证稳定的工作状态,并保持工作的特点,I.个MAXI.VIIIIIVEZKIII0是用在节点保持工作电压的稳定.由产生的TA-XPQIIIV00-IIIDBI橡胶天线ShiDaiChuangXing天线厂的应用制度.该天线是V厘米长,重II0g且容易进行安装.其典型的发射频率为II.IVGHz.
图III传感器节点电路原理图
IV.II网关设计
网关的硬件配置(如图IV)包括:主处理器,存储器单元,RF接收器和传输模块,GPRS通信模块
I/O和以太网和扩展接口.考虑到大量的控制功能和网关,处理器与大数据流量强大的处理能力是必需的.由于VIII0VI.微控制器嵌入在CCIIIVIII0不能满足这些要求,网关微处理器选用的是Intel公司的PXAIIVV处理器芯片,它是I.个高性能.低价格.低能耗的RISC处理器.在RF接收模块,CCIIIVIII0仍在使用,通过它与传感器节点的双向通信得以实现,从节点可以接收数据和向节点发送控制命令等.GPRS模块采用Cellon公司的CMSIXI..GPRS模块作为网关与互联网相连的接口,负责将数据发送到互联网上以及接受互联网的控制信息等.
V数据传输过程
为了在ZigBee网络中设计提供数据传输本,I.个由信息主动请求系统监控主机和被动的回应传感器节点被使用.图V显示了数据发送处理.监控计算机由电信工作人员操作,发送I.个为了打听森林的温度和湿度的状态下,顺序是通过互联网发送到路由器.然后路由器按顺序扫描的路由表,并决定目标协调,然后在广播连接群集分支激活目标簇头.簇头广播针对其成员节点激活休眠的节点进行数据通信.接收和收集的数据发送后节点,簇头集成并返回数据到监控主机循原线.如果没有找到目标网络或不连接,簇头将抛弃该数据包,并生成I.个报告给监控主机.在大多数节点森林火灾探测系统ZigBee无线传感器网络该系统是处于休眠状态,以节省能源和延长网络的生命周期.
图V数据传输流程
VI结论
无线传感器网络中在越来越多场环境和生态监测被应用.特别是在困难和恶劣环境中,它具有优点是传统的监控系统缺乏.此外,在实时森林火灾监测领域,无线传感器技术具有广阔的应用背景.但考虑到复杂性和森林的特殊功能,系统还没有在实际的森林火灾监测中广泛地应用.监测温度和湿度在森林中更及时和更精确的方法,我们指出,安全的数据传输,在建设网络的灵活性和成本低的独特优势对于森林防火监控系统能量要求ZigBee无线传感器技术,我们设计该系统的拓扑结构是I.个适应群集树.用网状相比结构,I.个簇树型结构可以更容易地建立和信息路径占用较少的内存空间.在同时,该链结构必须稳定和其规模是有限的,这需要在将来得到改善.换句话说,我们提出的本系统,作为第I.次尝试和补充现有的森林火灾监测和预防的方法,它提供了I.种固体基础硬件的先进应用条款无线传感器网络技术.为了延长系统的潜力,提高森林火灾监控技术,能源消耗问题,节点位置和时钟同步需要在未来处理.这些都是I.些剩下的问题,必须要考虑到森林火灾监测的电平之前的区域可以得到改善.
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