武警工程大學(xué)信息工程系 王子豪

林火前端探測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

武警工程大學(xué)信息工程系 王子豪

本文針對(duì)林火預(yù)警困難的現(xiàn)狀，分析了國(guó)內(nèi)外對(duì)林火監(jiān)測(cè)的手段，給出一種利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)林火的設(shè)計(jì)。利用CC2530開發(fā)板、熱釋電紅外傳感器、煙霧傳感器、溫度傳感器，從軟件和硬件上設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的林火前端探測(cè)節(jié)點(diǎn)原型，并對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的林火前端探測(cè)節(jié)點(diǎn)可迅速感知環(huán)境變化，準(zhǔn)確探測(cè)環(huán)境信息。

林火監(jiān)測(cè)；ZigBee；CC2530

0　引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界年均發(fā)生森林火災(zāi)22萬次以上，受害森林面積在830萬公頃以上。雖然我國(guó)森林面積僅占世界的3.2%，但年均森林火災(zāi)發(fā)生次數(shù)、受害森林面積卻分別占世界的8%和14%，可見我國(guó)森林防火滅火任務(wù)十分艱巨［1］。

目前，各國(guó)針對(duì)森林火災(zāi)的預(yù)測(cè)，采用不同的手段。美國(guó)利用“大地”衛(wèi)星在離地面大約705公里的軌道上繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)［2］，探測(cè)地面上的高溫地區(qū)、濃煙地帶以及火災(zāi)遺址，并使用無人駕駛林火預(yù)警飛機(jī)進(jìn)行24小時(shí)監(jiān)測(cè)，雖獲得了成功，但耗費(fèi)了巨額資金。加拿大采用從衛(wèi)星上發(fā)射電磁射線檢測(cè)林區(qū)溫度，當(dāng)檢測(cè)出某一林區(qū)局部溫度上升到150℃～200℃，紅外線波長(zhǎng)達(dá)3.7微米時(shí)，便是火災(zāi)前兆，立即測(cè)定具體溫度，采取措施及時(shí)防火。雖然國(guó)外有的技術(shù)可靠，但是施工太復(fù)雜；有的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施投資太大，成本高，不適合我國(guó)森林火災(zāi)預(yù)測(cè)。

目前，我國(guó)的林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由瞭望臺(tái)監(jiān)測(cè)和人工巡護(hù)為主［3］，瞭望臺(tái)監(jiān)測(cè)范圍有限，人工巡護(hù)缺乏時(shí)效性和人員安全性，急需一種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方法彌補(bǔ)瞭望臺(tái)的不足。在林火監(jiān)測(cè)中，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)輔助瞭望臺(tái)盲區(qū)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用，目前處于起步階段。

1　林火前端探測(cè)節(jié)點(diǎn)的主要功能

林火監(jiān)測(cè)前端探測(cè)節(jié)點(diǎn)的研制，能有效彌補(bǔ)瞭望臺(tái)監(jiān)測(cè)和人工巡護(hù)的不足，明顯提升森林火災(zāi)預(yù)警能力，滿足“打早、打小、打了”的撲滅原則。尤其是在應(yīng)對(duì)交通不便、無人生存條件的偏遠(yuǎn)林區(qū)，該區(qū)域不宜架設(shè)瞭望臺(tái)，或瞭望范圍十分有限，設(shè)置人員巡邏效率極低。在此類區(qū)域部署多種類型的傳感器，能有效解決林火監(jiān)測(cè)的問題。其中，熱釋電紅外傳感器尤其適用，其靈敏度可達(dá)到0.01℃，能精確探測(cè)隱火發(fā)生的方位。由此可見，本文的研究具有很強(qiáng)的實(shí)用性和推廣價(jià)值。根據(jù)林火監(jiān)測(cè)的需要，林火前端探測(cè)節(jié)點(diǎn)的主要功能包括：

（1）實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的林火探測(cè)，具有抗干擾性強(qiáng)、組網(wǎng)快速、能耗低的特點(diǎn)；

（2）該前端探測(cè)傳感器設(shè)備集溫度探測(cè)模塊、煙霧探測(cè)模塊、火焰探測(cè)模塊、無線傳輸模塊于一體，具有高靈敏性和低誤差性；

（3）通過無線通信模塊接入現(xiàn)有的瞭望臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)GPS定位和與現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，增加了林區(qū)監(jiān)測(cè)面積，提高林火監(jiān)測(cè)的效率。

2　林火前端探測(cè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

2.1硬件設(shè)計(jì)

硬件總體設(shè)計(jì)思想是滿足設(shè)備通用可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的要求，不影響和改變現(xiàn)有的林火檢測(cè)系統(tǒng)，只是加入無線接收模塊即可。充分考慮森林環(huán)境的特點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)傳感器的溫度、濕度、紅外和煙霧濃度的探測(cè)范圍，調(diào)整設(shè)備運(yùn)行參數(shù)。在保證設(shè)備工作穩(wěn)定可靠的前提下，同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)實(shí)用性和樣機(jī)的性價(jià)比，能真正達(dá)到廣泛應(yīng)用的需要。

圖1　硬件組成

林火前端探測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件組成如圖1所示，林火前端探測(cè)節(jié)點(diǎn)由主控芯片、電源模塊、信號(hào)過濾放大系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)芯片、無線接口、煙霧傳感器、熱釋電紅外傳感器和溫度傳感器組成。其中，主控芯片采用搭配51內(nèi)核的CC2530芯片，CC2530是適用于2.4GHz IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)解決方案［4］，能夠以較低的功耗為前端探測(cè)節(jié)點(diǎn)提供強(qiáng)大的處理和通信能力。

2.2節(jié)點(diǎn)工作流程

由于采用的是CC2530開發(fā)板，所以在開發(fā)板上運(yùn)行的是Zig-Bee協(xié)議，本文采用的是Z-Stack，它是ZigBee協(xié)議的一種具體實(shí)現(xiàn)［5］。Z-Stack中的操作系統(tǒng)是基于優(yōu)先級(jí)的輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)利用輪詢機(jī)制實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)采集信息的傳遞。

如圖2所示，當(dāng)初始化完畢后，前端探測(cè)節(jié)點(diǎn)加入?yún)f(xié)調(diào)器建立的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)組建完畢后，協(xié)調(diào)器向網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)終端廣播信息，當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到廣播信息后，節(jié)點(diǎn)開始工作，各傳感器采集環(huán)境信息，然后節(jié)點(diǎn)對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行簡(jiǎn)單處理后傳輸至協(xié)調(diào)器，而后進(jìn)入睡眠狀態(tài)以降低能耗，按睡眠周期1分鐘周而復(fù)始地工作。當(dāng)接節(jié)點(diǎn)收到協(xié)調(diào)器廣播停止工作的信息后，節(jié)點(diǎn)結(jié)束工作。

圖2　前端探測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

3　實(shí)驗(yàn)

前端探測(cè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)物如圖3所示。

圖3　林火前端探測(cè)節(jié)點(diǎn)

從左至右分別為傳感器模塊、CC2530開發(fā)板和電源模塊，傳感器模塊中集成了煙霧傳感器、熱釋電紅外傳感器和溫度傳感器，并加裝紅外透鏡，大大增加熱釋電紅外傳感器的探測(cè)范圍。

在室外環(huán)境下，在距離前端探測(cè)節(jié)點(diǎn)的1m遠(yuǎn)處放置點(diǎn)燃部分可燃物，熱釋電紅外傳感器能感知紅外線變化點(diǎn)亮LED燈報(bào)警，節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)發(fā)生明顯變化，煙霧傳感器能夠迅速感知煙霧的濃度變化，數(shù)值由007猛增至127；溫度傳感器也能迅速感知溫度升高，溫度由30℃上升至33℃，采集數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4　節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)

4　結(jié)論

本文針對(duì)了林火監(jiān)測(cè)面臨的問題，分析了林火監(jiān)測(cè)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，并根據(jù)我國(guó)實(shí)際情況，研究并設(shè)計(jì)了一種成本較低、監(jiān)測(cè)效果較佳的林火監(jiān)測(cè)前端節(jié)點(diǎn)，對(duì)節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，制作了林火監(jiān)測(cè)前端節(jié)點(diǎn)的原型，節(jié)點(diǎn)原型在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下能迅速感知環(huán)境中的紅外線、溫度和氣體濃度的變化，達(dá)到了預(yù)期的效果。

［1］吳雪瓊，覃先林，李程，等.我國(guó)林火監(jiān)測(cè)體系現(xiàn)狀分析［J］.內(nèi)蒙古林業(yè)調(diào)查設(shè)計(jì)，2010，33（3）：69-72.

［2］邱知，陸亞剛，張紅梅.林火衛(wèi)星監(jiān)測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展［J］.寧夏農(nóng)林科技，2012，53（8）：144-146.

［3］莎仁圖雅.林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之一——瞭望臺(tái)［J］.內(nèi)蒙古林業(yè)，2007（7）：20-20.

［4］章偉聰，俞新武，李忠成.基于CC2530及Ziee協(xié)議棧設(shè)計(jì)無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)［J］.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2011，20（7）：184-187.

［5］夏飛.基于Z-Stack協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)研究［J］.電子元器件應(yīng)用，2009（12）：74-76.

王子豪（1991—），廣東廣州人，武警工程大學(xué)碩士研究生在讀，主要研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。