摘 要： 為實現低成本森林遠程火災自動報警，設計了一套基于ZigBee、GPRS和太陽能光伏的森林火災監控報警系統。以CC2430為節點控制傳感器采集圖像和數據，本地通信時，數據通過ZigBee無線傳感網絡實現整片森林之間的通信，ZigBee節點間采用網狀網絡的自組網方式；遠程通信時，協調器將處理好的數據通過GPRS技術傳到監控中心以實現數據的顯示和存儲等；出現異常情況時，監控中心開啟自動報警系統。系統采用太陽能供電，節約能源、減少布線。實驗結果表明，該系統能夠快速準確監控遠程實時狀況，并控制遠程協調器，實現自動監控、報警功能，具有廣泛的應用前景。
關鍵詞： ZigBee；CC2430；太陽能；GPRS；森林火災
森林具有維護生物的多樣性、維護自然界的生態平衡的作用，是人類寶貴的自然財富。每年全球森林覆蓋率銳減，森林火災是最大的災害[1]。目前，森林火災報警系統采用人工防護、視頻監控和衛星遙感，人工防護在偏遠地區可行性較低；視頻監控系統成本較高、數據冗余率大；衛星遙感施工復雜、成本高。多數系統的傳輸采用有線、Wi-Fi、CDMA、GPRS和新興的3G技術[2-3]。在實際運用過程中，有線系統布線困難；在偏遠地區和惡劣的環境，這些技術建立的系統實時性、可靠性降低，受到環境因素的制約，且用戶需要承擔費用，一旦基站出現故障，則整個網絡陷于癱瘓。
ZigBee網絡可以很好地解決以上弊端。ZigBee是符合IEEE 802.15.4標準，具有組網靈活、免執照、低功耗、低成本、時延短、安全可靠等特點的新興通信技術，理論上能提供250 kb/s的傳輸速率[4]，它不依靠任何基站和基礎建設設備。為實現遠程森林火災監控，本文開發出一套基于ZigBee、GPRS和太陽能的森林火災報警系統，該系統能測定著火位置，能連續記錄林火發生、發展并自動報警。
1 系統架構
本系統包括ZigBee無線傳感網絡、監控中心、數據采集和傳輸4部分，其中，遠程傳輸包括GPRS和Internet模塊，如圖1所示。
ZigBee無線傳感網絡可將整片森林各個地方的系統組成一個互相通信的網絡。為確保網絡的穩定性和可靠性，系統采用網狀網絡的組網方式。該網絡包含協調器節點、路由器節點和終端節點。協調器節點負責與監控中心的通信和接收路由器節點、終端節點的數據；路由器節點可采集數據和轉發數據；終端節點只接收數據和采集數據，不能轉發數據，但相對其他節點的功耗更低，故系統中只有邊緣不需要轉發數據的節點配置為終端節點。
監控中心由裝有監控軟件、Internet和連接GPRS1的計算機組成。監控中心通過GPRS與協調器通信。設計的監控中心具有移動性，首先由GPRS1獲取服務器的IP并通過SMS方式發送至GPRS2，GPRS2根據獲取的IP和端口號連接到服務器，實現ZigBee網絡與服務器的連接。
2 系統硬件設計
2.1 路由節點的硬件設計
數據采集節點的硬件系統包括圖像采集模塊、電源模塊、傳感數據采集模塊、控制器及基本外圍電路，如圖2所示。選用TI公司生產的CC2430為控制器，該芯片內置ZigBee射頻前端、內存和微控制器[5]，專門用于IEEE 802.15.4和ZigBee應用程序，且只需簡單的外圍電路即可工作。內置溫度傳感器和電壓傳感器，檢測系統的工作環境。電源模塊為系統提供電源并最大限度降低系統功耗。串口攝像頭采集圖像，采用標準JPEG圖像壓縮算法壓縮圖像數據。控制器通過RS-232控制攝像頭。
2.2 電源模塊
由于森林面積大、地形復雜，有線供電難以實施，同時為節約能源，該系統采用太陽能供電。該模塊由太陽能電池板、蓄電池、防雷擊電路、太陽能電池板和蓄電池的防反接電路組成。太陽能電池板通過保險絲、防反接二極管和壓敏電阻保護后級電路，同時在蓄電池電壓輸出之前加兩片保護二極管，以防止瞬間高壓破壞蓄電池。一旦檢測到蓄電池電壓不足以給系統供電時，啟動備用電池供電。電源模塊的硬件框圖如圖3所示。
2.3 數據采集模塊
煙霧采集選用MQ-2氣敏元件，CO檢測采用MQ-7傳感器，均是表面離子式N型半導體，電阻隨著煙霧或CO濃度的增大而減小，故輸出電壓隨著濃度的增大而增大。為了減小信號的損失和增強電壓的穩定性，傳感器的輸出電壓經過電壓跟隨器后輸入CC2430的A/D采樣端。
溫濕度傳感器是具有I2C總線接口的SHT10，輸出的數字信號經過數據處理為實時溫濕度數據。火焰采集選用紅外火焰探測器，可檢測波長在760 nm～1 100 nm范圍內的熱源，探測角度可達60°，紅外火焰探頭將外界紅外光的強弱變化轉化為電壓的變化，用比較器設定閾值，輸出高低電平，快速檢測火源。
2.4 協調器節點的硬件設計
協調器的硬件系統包括數據采集模塊、GPRS模塊、電源模塊、控制器及基本外圍電路，如圖4所示。GPRS選用華為GTM900-C模塊，并通過串口與協調器通信；ZigBee協調器通過AT指令控制GPRS模塊。
3 系統軟件設計
3.1 協調器的軟件流程
圖5為協調器工作的軟件流程。系統初始化后，協調器根據設定的信道建立網絡，并接收新節點加入該網絡。ZigBee協議棧通過輪詢事件執行任務，根據預設的優先級處理對應事件。協調器的串口工作方式為DMA，比特率為115 200 kb/s，確保數據及時收發。
協調器啟動GPRS模塊，GPRS模塊與ZigBee的串口通信速率為115 200 kb/s。協調器收到服務器的命令并判斷系統的工作模式，確定采集圖像或者采集傳感數據，并判斷控制的節點。為了提高通信數據的準確率，數據的接收與發送采用確認握手機制。
3.2 數據采集節點的軟件流程
數據采集節點軟件流程如圖6所示。數據節點采用關聯的方式加入網絡，子節點通過掃描設定信道搜索它周圍存在的父節點。若其中一個節點斷開網絡，則系統會根據最短跳數算法自動尋找最優路徑，并重新加入該網絡。
數據采集節點串口配置為中斷方式，快速響應傳感器的數據。采集的多參數傳感數據通過A/D采樣后進行閾值判斷，超過設定的閾值則及時將此次數據發送給協調器并傳送到上位機告知監控人員；同時啟動圖片傳輸，采集現場的圖像至監控中心，確保及時告知現場實時狀況，減少誤報。與單純的傳感器報警相比，圖片更直觀準確；與視頻監控相比，確保準確的同時更節約成本。火情的判斷具有優先級，白天由于太陽光的照射選煙霧為優先判斷；室外的黑夜難以檢測煙霧，選擇火焰為優先判斷，提高檢測的準確率。為及時處理大量串口數據，設計雙緩存串口[6]。CC2430內存有限，采取分包傳輸圖片數據。為提高圖像的采集速度，當傳輸命令時，該系統選用的比特率為115 200 kb/s，快速發送數據命令和讀取相應的返回參數；當傳輸大量數據時，選用的比特率為384 00 kb/s，使得CPU有更多的時間處理串口數據。
3.3 服務器軟件流程
監控中心對遠程的現場情況進行實時監控，該平臺是采用Microsoft VC++ 6.0編寫的基于TCP/IP協議的Socket通信軟件[7]。該系統主要包括5個部分：實時顯示遠程圖像的圖像顯示部分，遠程控制協調器的命令發送部分，獲取本機IP和本地端口號的網絡連接部分，查詢每一次控制器發送的數據的數據庫記錄查詢部分以及開啟聲音報警的異常情況報警部分。該系統顯示的數據可以是上位機主動查詢的數據，也可以是下位機根據傳感器參數判斷實時采集傳送的圖像和數據。
4 測試與結果
圖7為監控中心主動查詢遠程現場狀況的測試結果。選擇編號為FFFFFFFFFFFFFF00的節點進行測試，亦可選擇所有的節點。圖7的圖像大小為320×240，壓縮后圖像大小約為12 KB~13 KB。將攝像頭和節點放在模擬實驗室1。GPRS2和協調器連接，監控軟件安裝在已連接公網的模擬實驗室2，GPRS1通過串口和電腦連接，GPRS1通過短消息的方式將IP和端口號發送給GPRS2。點擊主動查詢，即可收到該節點傳送的圖像和火災類型。發送信息框可輸入信息并發送至遠程控制器。
利用ZigBee技術和太陽能技術解決環境惡劣或者人工難以到達的森林環境的監控問題，本文設計和實現了基于ZigBee的森林火災自動監控報警系統，該系統主要對數據采集、網絡傳輸、ZigBee網絡的組網和服務器軟件進行設計與實現。本系統采用網狀網絡的組網方式，某一節點失效時根據多跳技術尋找最優路徑重新加入網絡，提高系統的可靠性。測試結果表明，該系統通過采集火災發生時相關的環境參數，情況異常時將現場實時數據和圖片發送至監控中心，當危險等級較高時，在有條件的地方啟動自動消防系統，組成自動報警滅火系統。這樣在發生火災時，監控中心能根據傳感器節點的地址第一時間知道火災發生地點和火災的情況，大大減少了報警延時，尤其適用將火災撲滅在萌芽狀態下，減少甚至消除火災的發生。同時，根據歷史記錄和地理位置等信息可合理分配消防資源，減少因不了解報警的森林區域與現場情況而導致消防資源調配和組織不合理而產生不必要的損失。
該系統用戶界面友好，不僅可以實時顯示下位機發送的圖片和數據，而且可根據需要主動查詢具體位置的現場情況并顯示。系統采用太陽能電源供電，節約能源、減少布線，尤其是在惡劣環境下，該系統具有傳統監測技術不可比擬的優勢。通過更改相應的傳感參數可將系統應用于油田、電力、井下等環境惡劣的場合，具有廣泛的應用前景。
參考文獻
[1] 鐘德軍.森林火災預防與撲救實用技術指南[M].北京：中國林業出版社，2008.
[2] Yang Guangxue， Liu Zheng. The design of forest fire monitoring system based on wireless sensor network[C]. The 6th International Forum on Strategic Technology， 2011：2111-1214.
[3] SOLIMAN H， SUDAN K， MISHRA A. A smart forest-fire early detection sensory system： another approach of utilizing wireless sensor and neural networks[C]. IEEE Sensors 2010 Conference，2010：1900-1904.
[4] ZigBee Alliance. ZigBee Specification[Z].
[5] TI. CC2430 chip datasheet[Z].
[6] 魏連花，賴松林，程樹英，等.一種靜態圖像的采集傳輸系統[J].電子技術，2013（1）：43-46.
[7] 梁偉.Visual C++網絡編程經典案例詳解[M].北京：清華大學出版社，2010.