【摘 要】介紹一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林防火監(jiān)測技術(shù)。ZigBee是一種低功耗"低速率"短距離的無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，有廣闊的發(fā)展空間與廣泛的應(yīng)用前景，特別適用于構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)可對(duì)森林環(huán)境進(jìn)行信息采集，然后將采集的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送到數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，判斷是否有火災(zāi)的可能，為相關(guān)部門進(jìn)行相應(yīng)的防護(hù)和滅火提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】無線傳感器；ZigBee；森林防火

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一項(xiàng)剛剛興起的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通常是由大量部署在監(jiān)測區(qū)域的微型傳感器節(jié)點(diǎn)，以無線通信方式所組成的一個(gè)自適應(yīng)分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有部署靈活、成本低廉、容錯(cuò)性好等優(yōu)點(diǎn)，在無人值守的環(huán)境監(jiān)測和災(zāi)害撲救等特殊領(lǐng)域作用巨大。ZigBee是一種低功耗、低速率、短距離的無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，適用于構(gòu)建無所不在的傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)可對(duì)森林環(huán)境進(jìn)行信息采集，然后將采集的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送到數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，監(jiān)控中心通過計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，判斷發(fā)生火災(zāi)的可能，為林業(yè)相關(guān)部門進(jìn)行相應(yīng)的防護(hù)和滅火提供依據(jù)。工作人員可以通過手機(jī)、PDA、計(jì)算機(jī)等信息終端，實(shí)時(shí)掌握森林環(huán)境信息，及時(shí)獲取異常報(bào)警信息及預(yù)警信息， 并可以根據(jù)森林環(huán)境監(jiān)測結(jié)果，實(shí)時(shí)調(diào)整控制設(shè)備，構(gòu)建起數(shù)字化森林的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，為森林防滅火提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、科學(xué)的決策。

一、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀

無線網(wǎng)絡(luò)是由許多獨(dú)立的無線節(jié)點(diǎn)之間，通過空氣中的無線電波/光波，構(gòu)成的無線通信網(wǎng)絡(luò)。是由大量微型、智能、低功耗傳感器以某種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)。其目的是協(xié)作的感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)布給觀察者。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)以及無線通信技術(shù)，正成為一個(gè)新興技術(shù)領(lǐng)域，被認(rèn)為是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一。美國《技術(shù)評(píng)論》在預(yù)測未來技術(shù)發(fā)展的報(bào)告中， 將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為21世紀(jì)改變世界的十大新興技術(shù)之首。

我國無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用研究幾乎與發(fā)達(dá)國家同步啟動(dòng)，但從研究問題的深度和投入的科研力量來說，國內(nèi)的水平相對(duì)落后于國外。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展國內(nèi)也有越來越多的企業(yè)開始關(guān)注無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，開始推出針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及Zig——Bee的解決方案。2006年初發(fā)布的《國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》為信息技術(shù)定義了三個(gè)前沿方向，其中二個(gè)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究直接相關(guān)，即智能感知技術(shù)和自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

二、ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。核心是多信道無線裝置微控制器集成在半導(dǎo)體芯片上，目的是為了降低無線終端的成本和功耗，已達(dá)到“無所不在”的目的。主要用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入多種設(shè)備，被業(yè)界認(rèn)為最有可能用在工業(yè)控制、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)等領(lǐng)域的無線技術(shù)。ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)有機(jī)地把ZigBee 技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)從現(xiàn)場到互聯(lián)網(wǎng)的整個(gè)傳輸過程，反之也可以把互聯(lián)網(wǎng)上的控制信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到現(xiàn)場，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。將基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)覆蓋森林內(nèi)的任意地點(diǎn)的溫濕度等信息在任意時(shí)間的采集、處理和分析，而且還能大大提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性， 降低設(shè)備維護(hù)的成本， 優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)。

ZigBee技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）省電：兩節(jié)五號(hào)電池即可實(shí)現(xiàn)長達(dá)6個(gè)月到2年的使用時(shí)間；

（2）可靠：采用了碰撞避免機(jī)制，節(jié)點(diǎn)模塊之間具有自組網(wǎng)的功能，信息在網(wǎng)絡(luò)中采取自動(dòng)路由的方式進(jìn)行傳輸；

（3）時(shí)延短：通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，節(jié)點(diǎn)可以采取空閑休眠；

（4）網(wǎng)絡(luò)容量大：最多可支持65000個(gè)節(jié)點(diǎn)。

三、ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個(gè)設(shè)備，傳感器節(jié)點(diǎn)可大量散布在森林監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，同時(shí)在每隔一定距離范圍內(nèi)設(shè)立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)基站節(jié)點(diǎn)，使得數(shù)據(jù)能有效傳輸，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能覆蓋較大范圍，且在數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐飞喜贾妹芏雀哂趨f(xié)議密度的只具有數(shù)據(jù)傳輸功能的節(jié)點(diǎn)，使數(shù)據(jù)能夠在網(wǎng)格線上沿多條路徑傳遞，在部分節(jié)點(diǎn)失效的情況下仍能正常工作，這樣就大幅擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控范圍，標(biāo)準(zhǔn)配置下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可覆蓋方圓3～9km的范圍，而一般情況下人工觀測的范圍只能在方圓4km左右，且極易受光照、能見度和天氣等環(huán)境因素的影響，存在觀測不到的死角和空白，在惡劣的環(huán)境下有時(shí)根本無法進(jìn)行火災(zāi)監(jiān)測。

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)包括傳感器節(jié)點(diǎn)、路由器以及監(jiān)控主機(jī)三部分。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 1所示：

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

路由器節(jié)點(diǎn)主要是建立網(wǎng)絡(luò)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定后對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，建立ZigBee 網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)管理中心實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)采集森林監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的信息，然后發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中，使用戶可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的管理和設(shè)置。感器節(jié)點(diǎn)是一個(gè)微型嵌入式系統(tǒng)，它主要由數(shù)據(jù)采集模塊、無線通訊模塊和能量供應(yīng)模塊三個(gè)部分構(gòu)成。傳感器節(jié)點(diǎn)又分為固定傳感器節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)，移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)地理位置的不同和空間位置的關(guān)系分成若干個(gè)族，每個(gè)組由一固定傳感器節(jié)點(diǎn)為族首。移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)地部署在森林內(nèi)部或附近區(qū)域，采集大氣相對(duì)濕度、空氣溫度等火災(zāi)監(jiān)測參數(shù)，負(fù)責(zé)檢測現(xiàn)場信息并將檢測的信息發(fā)到族首，再由族首發(fā)到監(jiān)控中心。傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

傳感器模塊負(fù)責(zé)采集森林區(qū)域內(nèi)大氣相對(duì)濕度、空氣溫度參數(shù)和數(shù)據(jù)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換。無線通訊模塊負(fù)責(zé)與其他的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊，交換控制信息和收發(fā)數(shù)據(jù)。電源部分主要給傳感器模塊、無線通訊模塊供電，負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)，是決定網(wǎng)絡(luò)生存期的關(guān)鍵因素。

四、監(jiān)控主機(jī)的主要功能

（1）可以根據(jù)需要進(jìn)行監(jiān)測頻次、報(bào)警指標(biāo)等參數(shù)的設(shè)置，可根據(jù)用戶需要設(shè)置狀態(tài)參數(shù)或故障報(bào)警信號(hào)自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行判斷；

（2）可對(duì)設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，并制作工作日志；

（3）可判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)正常與否，并可根據(jù)狀態(tài)參數(shù)或故障報(bào)警信號(hào)等能自動(dòng)對(duì)分析結(jié)果的有效性進(jìn)行判斷，對(duì)系統(tǒng)異常及參數(shù)超限進(jìn)行報(bào)警；

（4）對(duì)各種數(shù)據(jù)分析、監(jiān)控、瀏覽方便、操作簡單，并可以對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、查詢和編輯歷史數(shù)據(jù)。

五、結(jié)束語

ZigBee無線傳感技術(shù)具有低成本、易實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)傳輸可靠和低功耗等特點(diǎn)，非常適合于森林火災(zāi)監(jiān)測?？荚撓到y(tǒng)采用簇——樹形式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)于網(wǎng)狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，相對(duì)于網(wǎng)狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有組網(wǎng)簡單、 路徑信息占用存儲(chǔ)器容量小等優(yōu)點(diǎn)，但其也要求網(wǎng)絡(luò)的鏈路結(jié)構(gòu)必須穩(wěn)定可靠，另外網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模也受限制，需要在今后的研究中不斷改進(jìn)和優(yōu)化?？傊摲桨傅奶岢鍪巧只馂?zāi)監(jiān)測和預(yù)防方式的一種有益嘗試和補(bǔ)充， 為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這一先進(jìn)技術(shù)在森林火災(zāi)監(jiān)測領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供了切實(shí)可行的硬件基礎(chǔ)。

作者簡介：

張志強(qiáng)（1978～），武警警種學(xué)院森林防火滅火教研室助教。