謝騰，陳壽元，邵增珍

（山東師范大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 山東省分布式計(jì)算機(jī)軟件新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250014）

基于ZigBee和ARM技術(shù)的森林火情監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

謝騰，陳壽元，邵增珍

（山東師范大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 山東省分布式計(jì)算機(jī)軟件新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250014）

介紹了基一種基于ZigBee和ARM技術(shù)的無線森林火情監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)合上位機(jī)數(shù)據(jù)處理中心的框架，采取ZigBee和短波無線通信方案，融合了傳感器網(wǎng)絡(luò)、ARM等工控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了森林環(huán)境參數(shù)采集和傳輸。在系統(tǒng)的總體框架下，重點(diǎn)分析了ZigBee組網(wǎng)的的設(shè)計(jì)方案，包括軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)。最后，對節(jié)點(diǎn)性能和整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了測試，證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和其數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

ARM；ZigBee；短波；無線通信

森林在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，然而，森林火災(zāi)會給森林帶來嚴(yán)重危害。但是，人類在制服森林火災(zāi)上，卻依然尚未取得突破性的進(jìn)展，于是在火災(zāi)還在萌芽狀態(tài)立即撲滅它就顯得尤為重要。因此推廣森林火情監(jiān)測系統(tǒng)具有非常中的價(jià)值和意義。

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)的降水量空間插值對比研究——以甘肅省為例 李純斌,劉永峰,吳 靜，等Ⅳ(12)

森林火情監(jiān)控系統(tǒng)利用預(yù)設(shè)在森里中的各種不同功能的傳感器節(jié)點(diǎn)采集各類森里環(huán)境參數(shù)，傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，利用信息管理軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、顯示、分析處理等操作，對異常情況進(jìn)行預(yù)測和報(bào)警。

目前，我國還有部分的森林火情監(jiān)控還采用興建瞭望塔、建立視頻監(jiān)控等方式。因?yàn)樯只馂?zāi)經(jīng)常發(fā)生在人煙罕至的原始森林中，因此上述方式存在著諸多不足。鑒于此，提出了一種基于ZigBee+短波無線通信的森林火情監(jiān)控系統(tǒng)。ZigBee是一種近距離通信技術(shù)，適合傳感器節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)要求；短波作為一種遠(yuǎn)距離無線通信技術(shù)，在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方面有著獨(dú)到的優(yōu)勢。以上二者的優(yōu)勢互補(bǔ)，在森里火情監(jiān)測系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

1 通信系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

整個(gè)系統(tǒng)由3部分構(gòu)成，如圖1所示。

在外圍設(shè)備接口電路方面，由于TM32F103C8和數(shù)傳電臺以及ZigBee模塊均為串口連接，在電路設(shè)計(jì)方面簡單可靠。TM32F103C8的程序燒寫方式采用在系統(tǒng)（ISP），采用ST的ISP軟件，設(shè)置完芯片的啟動模式為system memory，即可通過串口和ISP軟件來下載Bin文件。程序下載板主要由一塊美信公司MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成。其能夠?qū)C串口標(biāo)準(zhǔn)（RS232）轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為TM32F103C8串口TTL標(biāo)準(zhǔn)。

考慮到具體的硬件電路圖設(shè)計(jì)比較繁雜，在此給出Coor-Node的節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)框圖，STM32F103C8是數(shù)傳電臺和ZigBee模塊的中間層，通過兩個(gè)串口分別連接數(shù)傳電臺和ZigBee，作為模擬電臺數(shù)據(jù)和ZigBee數(shù)據(jù)的交互層，通過對其軟件進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)兩種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化[4]。

2）中繼節(jié)點(diǎn) 一個(gè)帶有為控制器的網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點(diǎn)，具有短波和ZigBee兩種協(xié)議數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換能力，ZigBee模塊部分接受ZigBee網(wǎng)絡(luò)采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后，通過短波數(shù)傳電臺傳送送遠(yuǎn)程上位機(jī)監(jiān)控中心，同時(shí)通過短波數(shù)傳電臺也能夠從上位機(jī)獲得各種控制和設(shè)置指令，并把這些指令傳送到ZigBee網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)對對監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置。

國土資源行政應(yīng)訴的七大技巧（謝偉） ..........................................................................................................9-46

圖1 系統(tǒng)框架圖Fig.1 Structure diagram of the system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要以STM32F103C8為中心設(shè)計(jì)其外圍電路，包括電源電路設(shè)計(jì)、時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)、復(fù)位電路設(shè)計(jì)，存儲電路設(shè)計(jì)和接口電路設(shè)計(jì)等方面。

圖2 Coor-Node節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Structure diagram of Coor-Node hardware design

Coor-Node處在系統(tǒng)的中間層，既要與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，又要與通過數(shù)傳電臺與上位機(jī)監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，這就要求其具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力?；诖丝紤]，本設(shè)計(jì)方案選用了ST公司的STM32F103C8作為微控制器。STM32F103C8是基于一個(gè)實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的32位CortexTM-M3 core CPU的微控制器，并帶有64 kB嵌入的高速 Flash存儲器。采用48腳封裝、極低的功耗，多個(gè)32位定時(shí)器，2路12位的ADC、1個(gè)CAN總線以及多達(dá)7個(gè)的外部中斷。

數(shù)傳電臺模塊選用FY602型號的數(shù)傳電臺，載頻433 MHz ISM頻段，無需申請頻段，接口速率和信道速率可達(dá)到38 400 bps。干擾性強(qiáng)，接收靈敏度高，應(yīng)用廣泛。

3）上位機(jī)監(jiān)控中心 上位機(jī)端，電臺將接收到的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并數(shù)據(jù)由串口輸入上位機(jī)的管理軟件中，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)置和森林環(huán)境參數(shù)的的顯示、查詢、存儲等功能[2]。

ZigBee模塊DIGI公司推出的新型XBP24-BWIT-004，250 kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。1 600 M的通信距離，支持AT和API命令集，工作頻段為868/915 MHz。特別適合遠(yuǎn)距離的組網(wǎng)要求。

9月25日下午，第五屆黃河國際論壇水領(lǐng)導(dǎo)人高層論壇舉行。水利部部長陳雷在論壇講話并回答現(xiàn)場提問。水利部副部長胡四一，聯(lián)合國教科文組織前副總干事、聯(lián)合國教科文組織水教育學(xué)院院長納吉共同主持論壇。水利部副部長李國英，水利部黃河水利委員會主任陳小江，水利部總工程師汪洪、總規(guī)劃師周學(xué)文等出席。

第1步：根據(jù)組別T分層，分別對Y（成功與否）做Logistic回歸，得到兩個(gè)Logistic模型。即當(dāng)T=1時(shí)得到模型A，當(dāng)T=0時(shí)得到模型B。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)有ZigBee網(wǎng)絡(luò)的End-Node和Coor-Node節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)3部分組成。End節(jié)點(diǎn)采用XBee PRO 900 XSC模塊作為無線收發(fā)模塊，Coor-Node節(jié)點(diǎn)采用ARM7+XBee PRO 900 XSC+Pt-205模塊構(gòu)成。中繼節(jié)點(diǎn)采用Pt-205模塊短波傳輸模塊。以下分析Coor-Node節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)方案。Coor-Node節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

在Coor-Node電路板上因很多芯片的工作電壓和電流不同，因此電源部分的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。整個(gè)系統(tǒng)有外部的12 V的太陽蓄電池供電，而TM32F103C8的工作電壓為1.8 V，I/O工作電壓為3.3 V，數(shù)傳電臺的工作電壓為4.5～5.5 V，ZigBee模塊的供電電壓為3.3 V，因此選擇LM2576-5.0，MIC29302及AMS1117系列的電壓轉(zhuǎn)換芯片，得到各芯片相應(yīng)的工作電壓。電源部分的設(shè)計(jì)思想如圖3所示[3]。

圖3 電源轉(zhuǎn)換示意圖Fig.3 Diagram of the power conversion

相對電源部分，時(shí)鐘電路和硬件復(fù)位電路的設(shè)計(jì)相對簡單，時(shí)鐘晶振采用12 MHZ的外部晶振電路，硬件復(fù)位電路采用MAX813復(fù)位芯片實(shí)現(xiàn)。由于TM32F103C8只具有64KB的片內(nèi)Flash存儲器和20 kB的SRAM，只能夠滿足系統(tǒng)的基本需求，有考慮到ZigBee子節(jié)點(diǎn)地址等相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)的存儲問題，所以外擴(kuò)了一塊8 MB的Flash和以一塊32 k的Sram62256.

1）ZigBee網(wǎng)絡(luò) 該網(wǎng)絡(luò)中的ZigBee模塊按功能不同，可分為End-Node和Coor-Node。End，是一種帶有傳感器的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，采集并無線發(fā)送森林環(huán)境信息；Coor-Node的組成，用途。在單個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，所有的End-Node和Coor-Node節(jié)點(diǎn)按照ZigBee協(xié)議組成星型網(wǎng)絡(luò)。

相比TM32F103C8，由于數(shù)傳電臺和XBee都是模塊的封裝，其外圍電路設(shè)計(jì)比較簡單。Xbee模塊的串口與TM32F103C8的串口0直接連接。數(shù)傳電臺的串口與TM32F103C8的串口1直接連接。另外，在實(shí)際應(yīng)用中，為了增加系統(tǒng)可視化，在硬件電路上增加數(shù)碼管顯示和LED指示燈，可通過數(shù)碼管和LED的狀態(tài)了解Coor-Node節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況，如與中繼節(jié)點(diǎn)的連接，芯片正常工作，接受和發(fā)送森林環(huán)境參數(shù)等[5-6]。

3 系統(tǒng)軟甲設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為4部分：XBee模塊的單片機(jī)軟件編程，Coor-Node的節(jié)點(diǎn)TM32F103C8軟件編程，中繼節(jié)點(diǎn)軟件編程，上位機(jī)管理軟件的設(shè)計(jì)。在此只介紹XBee模塊的軟件編程。XBee軟件編程包括采集節(jié)點(diǎn)的XBee模塊上的單片機(jī)編程和Coor-Node節(jié)點(diǎn)的XBee模塊上的單片機(jī)編程。

Coor-Node節(jié)點(diǎn)的XBee模塊上的單片機(jī)編程。Coor-Node節(jié)點(diǎn)的XBee模塊在構(gòu)建的星型網(wǎng)絡(luò)中作為協(xié)調(diào)器，協(xié)議棧初始化，創(chuàng)建PAN CO-ORDINATOR，選擇PAN ID和Coor-Node的短地址，選擇空閑信道，啟動網(wǎng)絡(luò)，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器軟件流程圖如圖4所示。

當(dāng)反常出現(xiàn)后，當(dāng)自然界以某種方式違反支配常規(guī)科學(xué)所做的預(yù)測后，此時(shí)科學(xué)共同體成員則會對反常的現(xiàn)象和領(lǐng)域進(jìn)行一定的研究，以便找出問題所在，通過調(diào)整范式來消解這種反常?！鞍l(fā)現(xiàn)始于意識到反常，即始于認(rèn)識到自然界總是以某種方法違反支配常規(guī)科學(xué)的范式所做的預(yù)測?！盵2]44由此可見，出現(xiàn)反常現(xiàn)象后，調(diào)整范式是關(guān)鍵的一步。范式有能力迫使科學(xué)共同體成員去處理這種反常，因此，范式不僅僅是被動的被利用的，它也有主動的一面。科學(xué)共同體依賴于范式的時(shí)候，范式便由被動的狀態(tài)變?yōu)橹鲃拥臓顟B(tài)，由靜態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)。

圖4 協(xié)調(diào)器軟件流程圖Fig.4 Flow chart the Coor-Node software

End-Node節(jié)點(diǎn)的XBee模塊的編程，首先協(xié)議棧初始化，然后掃描信道發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器Coor-Node節(jié)點(diǎn)，通過相應(yīng)的信道發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)的請求，一旦Coor-Node節(jié)點(diǎn)接受了該設(shè)備，它將發(fā)送一個(gè)16位的短地址給設(shè)備，作為設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中標(biāo)識。

學(xué)校與醫(yī)院共同建立教學(xué)評價(jià)制度，創(chuàng)建“評價(jià)主體多元、形式多元、關(guān)注過程和能力”的考核評價(jià)體系，尤其注重實(shí)習(xí)的“出科”技能考核和帶教教師對學(xué)生綜合素質(zhì)的評價(jià)；共同舉辦全省護(hù)理技能大賽，聘請醫(yī)院護(hù)理專家擔(dān)任評委。目前學(xué)校已與貴州省人民醫(yī)院、貴州省武警醫(yī)院共同舉辦省級護(hù)理技能大賽5次。

系統(tǒng)任務(wù)定時(shí)進(jìn)行喂狗和向上位機(jī)發(fā)送心跳幀。定時(shí)喂狗可以在程序“跑飛”和“死鎖”情況下實(shí)現(xiàn)自動復(fù)位；在數(shù)據(jù)上傳間隔時(shí)間較長的情況下，定時(shí)發(fā)送心跳幀能夠檢測設(shè)備是否正常工作。

4 結(jié) 論

以上提出了一種新的基于ZigBee和ARM的無線森林火情監(jiān)測系統(tǒng)，有機(jī)結(jié)合了ARM高效的處理技術(shù)、短波靈活的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和ZigBee的低成本、低功耗等特點(diǎn)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可靠性強(qiáng)，該系統(tǒng)在森林火情監(jiān)測中有良好的應(yīng)用前景。

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Design of wireless forest fire monitoring communication system based on ZigBee and ARM

XIE Teng，CHEN Shou-yuan， SHAO Zeng-zhen
（Shandong Province Key Laboratory for Distributed Computer Software Novel Technology，Institute of Information Science&Engineering，Shandong Normal University，Jinan250014，China）

A solution of wireless forest fire monitoring system based on ZigBee and ARM technology is introduced.This system combines a framework of wireless sensor network with host data processing center.Wireless sensor networks，ARM and other industrial technologies are involved in the system to achieve the functions of collection and transmission on forest environment parameters.ZigBee and shortwave are respectively used for wireless communication between End-Node， Router-Node，Coordinator-Node and host computer.Under the systemic framework，the design of ZigBee network is mainly analyzed，including its hardware design and software design.Finally，node performance and monitoring system are tested to prove its stability and reliability of transmission.

ARM；ZigBee；shortwave；wireless communiaciton

TN92

A

1674－6236（2012）04-0146-03

2011-11-02 稿件編號：201111010

山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2009GG10001008）；山東省自然科學(xué)基金（ZR2011FQ029，ZR2011FL026）

謝 騰（1986—），男，山東濟(jì)寧人，碩士研究生。研究方向：數(shù)據(jù)通信理論與技術(shù)。