林火前端探測節(jié)點設計與實現(xiàn)

武警工程大學信息工程系 王子豪

林火前端探測節(jié)點設計與實現(xiàn)

武警工程大學信息工程系 王子豪

本文針對林火預警困難的現(xiàn)狀，分析了國內(nèi)外對林火監(jiān)測的手段，給出一種利用無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點監(jiān)測林火的設計。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，從軟件和硬件上設計了一種基于ZigBee網(wǎng)絡的林火前端探測節(jié)點原型，并對節(jié)點進行了實驗。實驗表明，本文設計的林火前端探測節(jié)點可迅速感知環(huán)境變化，準確探測環(huán)境信息。

林火監(jiān)測；ZigBee；CC2530

0　引言

據(jù)統(tǒng)計，世界年均發(fā)生森林火災22萬次以上，受害森林面積在830萬公頃以上。雖然我國森林面積僅占世界的3.2%，但年均森林火災發(fā)生次數(shù)、受害森林面積卻分別占世界的8%和14%，可見我國森林防火滅火任務十分艱巨［1］。

目前，各國針對森林火災的預測，采用不同的手段。美國利用“大地”衛(wèi)星在離地面大約705公里的軌道上繞地球運轉［2］，探測地面上的高溫地區(qū)、濃煙地帶以及火災遺址，并使用無人駕駛林火預警飛機進行24小時監(jiān)測，雖獲得了成功，但耗費了巨額資金。加拿大采用從衛(wèi)星上發(fā)射電磁射線檢測林區(qū)溫度，當檢測出某一林區(qū)局部溫度上升到150℃～200℃，紅外線波長達3.7微米時，便是火災前兆，立即測定具體溫度，采取措施及時防火。雖然國外有的技術可靠，但是施工太復雜；有的技術基礎設施投資太大，成本高，不適合我國森林火災預測。

目前，我國的林火監(jiān)測系統(tǒng)主要由瞭望臺監(jiān)測和人工巡護為主［3］，瞭望臺監(jiān)測范圍有限，人工巡護缺乏時效性和人員安全性，急需一種實時監(jiān)測的方法彌補瞭望臺的不足。在林火監(jiān)測中，利用無線傳感器網(wǎng)絡輔助瞭望臺盲區(qū)監(jiān)測的應用，目前處于起步階段。

1　林火前端探測節(jié)點的主要功能

林火監(jiān)測前端探測節(jié)點的研制，能有效彌補瞭望臺監(jiān)測和人工巡護的不足，明顯提升森林火災預警能力，滿足“打早、打小、打了”的撲滅原則。尤其是在應對交通不便、無人生存條件的偏遠林區(qū)，該區(qū)域不宜架設瞭望臺，或瞭望范圍十分有限，設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)測的問題。其中，熱釋電紅外傳感器尤其適用，其靈敏度可達到0.01℃，能精確探測隱火發(fā)生的方位。由此可見，本文的研究具有很強的實用性和推廣價值。根據(jù)林火監(jiān)測的需要，林火前端探測節(jié)點的主要功能包括：

（1）實現(xiàn)精準的林火探測，具有抗干擾性強、組網(wǎng)快速、能耗低的特點；

（2）該前端探測傳感器設備集溫度探測模塊、煙霧探測模塊、火焰探測模塊、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)有的瞭望臺監(jiān)測系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)GPS定位和與現(xiàn)有通信網(wǎng)絡的無縫連接，增加了林區(qū)監(jiān)測面積，提高林火監(jiān)測的效率。

2　林火前端探測節(jié)點的設計

2.1硬件設計

硬件總體設計思想是滿足設備通用可靠、經(jīng)濟實用的要求，不影響和改變現(xiàn)有的林火檢測系統(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，合理設計傳感器的溫度、濕度、紅外和煙霧濃度的探測范圍，調(diào)整設備運行參數(shù)。在保證設備工作穩(wěn)定可靠的前提下，同時考慮到經(jīng)濟實用性和樣機的性價比，能真正達到廣泛應用的需要。

圖1　硬件組成

林火前端探測節(jié)點的硬件組成如圖1所示，林火前端探測節(jié)點由主控芯片、電源模塊、信號過濾放大系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡芯片、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應用的一個真正的片上系統(tǒng)解決方案［4］，能夠以較低的功耗為前端探測節(jié)點提供強大的處理和通信能力。

2.2節(jié)點工作流程

由于采用的是CC2530開發(fā)板，所以在開發(fā)板上運行的是Zig-Bee協(xié)議，本文采用的是Z-Stack，它是ZigBee協(xié)議的一種具體實現(xiàn)［5］。Z-Stack中的操作系統(tǒng)是基于優(yōu)先級的輪轉查詢式操作系統(tǒng)，本設計利用輪詢機制實現(xiàn)節(jié)點采集信息的傳遞。

如圖2所示，當初始化完畢后，前端探測節(jié)點加入?yún)f(xié)調(diào)器建立的ZigBee網(wǎng)絡，網(wǎng)絡組建完畢后，協(xié)調(diào)器向網(wǎng)絡中的各個終端廣播信息，當節(jié)點接收到廣播信息后，節(jié)點開始工作，各傳感器采集環(huán)境信息，然后節(jié)點對環(huán)境信息進行簡單處理后傳輸至協(xié)調(diào)器，而后進入睡眠狀態(tài)以降低能耗，按睡眠周期1分鐘周而復始地工作。當接節(jié)點收到協(xié)調(diào)器廣播停止工作的信息后，節(jié)點結束工作。

圖2　前端探測節(jié)點軟件流程圖

3　實驗

前端探測節(jié)點的實物如圖3所示。

圖3　林火前端探測節(jié)點

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范圍。

在室外環(huán)境下，在距離前端探測節(jié)點的1m遠處放置點燃部分可燃物，熱釋電紅外傳感器能感知紅外線變化點亮LED燈報警，節(jié)點采集的數(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)點采集的數(shù)據(jù)

4　結論

本文針對了林火監(jiān)測面臨的問題，分析了林火監(jiān)測的國內(nèi)外現(xiàn)狀，并根據(jù)我國實際情況，研究并設計了一種成本較低、監(jiān)測效果較佳的林火監(jiān)測前端節(jié)點，對節(jié)點的硬件和軟件結構進行了設計，制作了林火監(jiān)測前端節(jié)點的原型，節(jié)點原型在實驗環(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，達到了預期的效果。

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

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

［3］莎仁圖雅.林火監(jiān)測系統(tǒng)之一——瞭望臺［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)議棧設計無線網(wǎng)絡傳感器節(jié)點［J］.計算機系統(tǒng)應用，2011，20（7）：184-187.

［5］夏飛.基于Z-Stack協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點研究［J］.電子元器件應用，2009（12）：74-76.

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