周光發(fā)

(江蘇警官學(xué)院公安科技系，江蘇南京210012)

0 引言

森林防火是林業(yè)管理部門(mén)的一項(xiàng)重點(diǎn)工作［1］。傳統(tǒng)的有線森林防火監(jiān)控設(shè)施需要應(yīng)用復(fù)雜的布線操作，系統(tǒng)復(fù)雜而昂貴;另一方面，市面上的火災(zāi)報(bào)警器大多不能無(wú)線傳輸報(bào)警信號(hào)，不能快速、準(zhǔn)確定位，遠(yuǎn)距離控制。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種集傳感器與致動(dòng)器于一體由無(wú)線媒介連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分布式傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，收集數(shù)據(jù)的傳感器通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信［2］。傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)顯然不能滿足人們對(duì)信息技術(shù)便捷性的要求，相反，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)沒(méi)有線纜的束縛，主要用于中短距離無(wú)線系統(tǒng)連接，能夠滿足對(duì)各種傳感器的數(shù)據(jù)輸出和輸入控制命令和信息的需求，使現(xiàn)有系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、無(wú)線化，特別適用于信息采集與監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用［3］。

隨著地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)技術(shù)的快速發(fā)展，GIS在森林防火中的應(yīng)用已經(jīng)被許多部門(mén)認(rèn)可［4］。GIS基礎(chǔ)軟件平臺(tái)采用面向服務(wù)的設(shè)計(jì)思想、多層體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了面向空間實(shí)體及其關(guān)系的數(shù)據(jù)組織、高效海量空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與索引、三維實(shí)體建模和分析，符合對(duì)森林資源數(shù)據(jù)和森林消防力量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理、查詢、分析的要求，并且能夠?qū)崿F(xiàn)森林防火系統(tǒng)的空間信息分發(fā)與共享、網(wǎng)絡(luò)化空間信息服務(wù)等。建立森林防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，更好地保護(hù)森林資源，不僅能夠滿足森林防火數(shù)據(jù)信息的收集、儲(chǔ)存、分析和維護(hù)，而且可以使管理手段更加趨于規(guī)范化和科學(xué)化［4-5］。

本文使用基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集并傳輸林區(qū)的環(huán)境參量;使用GIS技術(shù)并結(jié)合C#平臺(tái)實(shí)現(xiàn)林區(qū)地理信息的采集與處理;無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與森林防火管理系統(tǒng)結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)林區(qū)信息的監(jiān)控，及時(shí)預(yù)警并準(zhǔn)確定位。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

森林防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由前端參數(shù)采集控制系統(tǒng)與終端預(yù)警及定位控制系統(tǒng)兩大部分組成。

前端參數(shù)采集控制系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)(終端節(jié)點(diǎn))、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)、RS-232C串行總線三部分組成。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。終端的各節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通道實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器的聯(lián)系，協(xié)調(diào)器通過(guò)RS-232C總線與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。考慮到林區(qū)內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)溫濕度不易測(cè)準(zhǔn)，為了提高測(cè)量精度，減少外界干擾，選擇了智能型溫濕度傳感器SHT11作為溫濕度測(cè)量芯片［6］。

圖1 ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總體結(jié)構(gòu)

終端預(yù)警及定位控制系統(tǒng)主要由監(jiān)控上位計(jì)算機(jī)組成。預(yù)警功能主要由上位機(jī)通過(guò)RS-232C總線與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，利用C#平臺(tái)監(jiān)控整個(gè)林區(qū)中溫濕度的狀況，其中包括系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和設(shè)定控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度數(shù)據(jù)的分析與顯示等功能。定位功能主要通過(guò)利用SuperMap Is．Net、SuperMap despro等GIS軟件平臺(tái)建立簡(jiǎn)潔高效的數(shù)據(jù)庫(kù)，將著火點(diǎn)的精確位置顯示在三維電子地圖上，同時(shí)還顯示著火點(diǎn)的地形地貌，建立林區(qū)三維信息平臺(tái)［7-8］，確定節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，并做最佳撲火路徑分析;基于基礎(chǔ)地理信息的利用，對(duì)分布式大數(shù)量監(jiān)測(cè)目標(biāo)的集中監(jiān)測(cè)與系統(tǒng)集成，結(jié)合GIS的空間分析功能，提供空間分析及統(tǒng)計(jì)功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2．1 ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

考慮到林區(qū)的環(huán)境變量比較復(fù)雜，因此要求監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)具有一定的路由和信息融合能力，本系統(tǒng)選用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器作為主節(jié)點(diǎn)，由此展開(kāi)，可采集多個(gè)傳感器終端的數(shù)據(jù)。傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器信息采集模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、無(wú)線收發(fā)模塊和電源模塊組成。節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)由處理器模塊進(jìn)行存儲(chǔ)和處理后，通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊傳遞到主節(jié)點(diǎn)，再由主節(jié)點(diǎn)傳送給PC機(jī)。該節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)采用攜帶2節(jié)1．5 V干電池的電池盒供電［9］。

2．2 數(shù)據(jù)采集模塊

傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電，要求處理器模塊和數(shù)據(jù)采集模塊體積小、低功耗、外圍電路簡(jiǎn)單。因此數(shù)據(jù)采集模塊用的是與傳統(tǒng)的溫濕度傳感器不同的SHT11，SHT11是基于CMOSens技術(shù)的新型智能溫濕度傳感器，具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定、免外圍電路及全互換的特點(diǎn)。它具有二線串行接口的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式新型相對(duì)濕度和溫度傳感器，可用來(lái)測(cè)量相對(duì)濕度、溫度和露點(diǎn)等參數(shù)。它將溫濕度傳感器、信號(hào)放大調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換、二線串行接口全部集成于一個(gè)芯片內(nèi)，融合了CMOS芯片技術(shù)與傳感器技術(shù)，具有超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、極高的性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)［10-11］。SHT11通過(guò)兩線接口與微控制器連接。

2．3 數(shù)據(jù)通信模塊

數(shù)據(jù)通信模塊負(fù)責(zé)與監(jiān)測(cè)中心進(jìn)行無(wú)線通信，發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù)。該模塊功耗相對(duì)比較大，因此采用Chipcon公司的ZigBee芯片CC2530構(gòu)成的無(wú)線通信模塊。ZigBee技術(shù)是一種工作在2．4 GHz和868/915 MHz的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有距離近、復(fù)雜度低、功耗低、數(shù)據(jù)速率低和成本低的優(yōu)點(diǎn)。采用雙向傳輸?shù)臒o(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，將IEEE 802．15．4收發(fā)器技術(shù)與嵌入ZigBee技術(shù)協(xié)議棧相組合，在數(shù)千個(gè)微傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信［12］。CC2530具有極低的功耗，電壓工作范圍為2．0～3．6 V，在接收或發(fā)射模式下，工作電流損耗分別低于27 mA或25 mA，在待機(jī)模式下電流少于0．6 A。在低功耗待機(jī)模式下，2節(jié)1．5 V干電池可以支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24月［13］。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采取的是星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，監(jiān)測(cè)中心節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)，而傳感器節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控中心通過(guò)RS-232C總線相連，通過(guò)PC端的上位機(jī)進(jìn)行林區(qū)內(nèi)溫濕度等數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)。

3 系統(tǒng)主要功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體架構(gòu)如下，各個(gè)子節(jié)點(diǎn)采集森林的溫濕度信息，然后通過(guò)協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)傳遞給運(yùn)行在PC機(jī)上的森林防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)配合數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)森林的防火監(jiān)測(cè)功能(見(jiàn)圖2)。

圖2 森林防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能圖

3．1 林區(qū)火警定位

當(dāng)節(jié)點(diǎn)溫度高于報(bào)警溫度時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)高亮顯示，通過(guò)量算距離菜單可以測(cè)量節(jié)點(diǎn)到任意位置的距離，也可以通過(guò)點(diǎn)選菜單獲得該節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息，同時(shí)可以獲得該節(jié)點(diǎn)附近一些信息。部分代碼如下:

3．2 火災(zāi)預(yù)警

如圖3所示，系統(tǒng)將CC2530采集的溫度信息與人為預(yù)設(shè)的報(bào)警溫度進(jìn)行比較，當(dāng)采集的溫度大于報(bào)警溫度時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)發(fā)出警報(bào)聲告知工作人員，否則系統(tǒng)將繼續(xù)監(jiān)測(cè)森林的溫度信息。

圖3 火災(zāi)預(yù)警流程圖

3．3 最佳路徑分析

森林火災(zāi)發(fā)生后，防火資源的調(diào)配工作非常重要，最佳行進(jìn)路線的確定是撲火的關(guān)鍵［14］，本系統(tǒng)中管理人員可以通過(guò)最佳路徑菜單得到圖上任意兩地間的最佳路徑，該功能采用了Dijkstra算法［11］，該算法部分代碼如下:

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)搭建了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和森林防火監(jiān)控系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的應(yīng)用性。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用CC2530模塊，使用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸?；贕IS技術(shù)的監(jiān)控管理界面使得系統(tǒng)更加精確，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)定位、預(yù)警與撲火路徑分析等功能［15］。但該系統(tǒng)推廣到復(fù)雜環(huán)境條件下的林區(qū)監(jiān)控還可加強(qiáng)以下三方面的研究:①無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)之間和節(jié)點(diǎn)與管理系統(tǒng)之間的傳輸距離應(yīng)該進(jìn)一步增大，并提高數(shù)據(jù)的傳輸速率;②優(yōu)化無(wú)線傳輸速率和林區(qū)預(yù)警管理控制速率的整體結(jié)構(gòu)，以優(yōu)化整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng);③進(jìn)一步優(yōu)化管理界面的可視性，結(jié)合GPS等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)界面的可視化，提高逼真性。

［1］ 沙宗堯，田揚(yáng)戈．森林防火地理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)［J］．地理空間信息，2007，5(4):8-10．

［2］ 宮 鵬．無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)環(huán)境應(yīng)用進(jìn)展［J］．遙感學(xué)報(bào)，2010，14(2):387-395．

［3］ 李 禾．基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)村配電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測(cè)技術(shù)可行性介紹［J］．電工電氣，2011(8):58-59．

［4］ 樊文有，孟 昕，劉小婧．基于MapGIS的森林防火監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．地球科學(xué)-中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，35(3):501-506．

［5］ 顧彤宇，顧彥方．基于GIS的永吉縣森林防火指揮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］．吉林林業(yè)科技，2009，38(2):52-53．

［6］ 賀桂芳．基于SHT11的溫濕度無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．微計(jì)算機(jī)信息，2007，23(8-2):306-307，276．

［7］ 張 巖．ArcGIS在森林防火上的應(yīng)用［J］．河北林業(yè)科技，2009(4):65．

［8］ 趙 海，趙 杰，劉 錚，等．一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，30(6):809-812．

［9］ 宋 迪，程志華，牛 斗，等．基于SHT11的WSN在礦井測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．傳感器世界，2008(6):45-49．

［10］ 袁鳳軍，廖聲熙．地理信息系統(tǒng)(GIS)在我國(guó)林業(yè)上的應(yīng)用［J］．林業(yè)調(diào)查規(guī)劃，2007，27(5):5-8．

［11］ 顧衛(wèi)兵，尹 東，袁平波，等．?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及應(yīng)用算法［M］．合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2008．

［12］ Akyildiz I F，Su W，Sankarasubramaniam Y，et al．Wireless sensor networks:a survey［J］．Computer Networks，2002．38(4):393-422．

［13］ 胡琦逸，胡良崗．基于MEMS和GSM模塊遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)的實(shí)驗(yàn)和研究［J］，實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31(4):37-40，143．

［14］ 董有爾，陳寶明．遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2006，23(7):75-78．

［15］ Karolys A，Swanson B．Network sensor systems-the pressure belt Application［EB/OL］．Endevo Corporation Homepage，http://www．endevco．com/．