田仲富，王述洋，黃英來（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040）

基于無線傳感器的嵌入式森林防火智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

田仲富，王述洋，黃英來
（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040）

針對(duì)傳統(tǒng)林火監(jiān)測(cè)技術(shù)的不足，將先進(jìn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與嵌入式技術(shù)相結(jié)合并應(yīng)用在森林防火監(jiān)測(cè)中，從而提出了一種可增強(qiáng)林火識(shí)別率的智能森林防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議ZigBee來進(jìn)行組網(wǎng)，具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、路徑信息占用存儲(chǔ)器容量小等優(yōu)點(diǎn)，非常適合林區(qū)的監(jiān)測(cè)環(huán)境，且可有效地降低系統(tǒng)的能耗和成本。實(shí)驗(yàn)表明：該系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定及組網(wǎng)靈活等特點(diǎn)，可對(duì)森林監(jiān)測(cè)區(qū)域的環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)火情時(shí)系統(tǒng)采用DV?Hop算法可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位并及時(shí)發(fā)送警報(bào)信息，從而為后續(xù)的林火撲救工作打下良好的基礎(chǔ)，同時(shí)也為林業(yè)智能數(shù)字化建設(shè)工作提供了參考和借鑒。

森林防火；無線傳感器；監(jiān)控中心；智能系統(tǒng)；林火監(jiān)測(cè)；無線協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；定位算法

森林能夠保持生態(tài)環(huán)境的平衡，也是人類賴以生存和發(fā)展的重要資源。但是，隨著社會(huì)的發(fā)展，森林不斷地被蟲害、病害、火災(zāi)等三大自然災(zāi)害破壞，其中森林火災(zāi)的破壞尤為嚴(yán)重，位居三者之首，而且大面積森林火災(zāi)也在聯(lián)合國認(rèn)定的世界八大自然災(zāi)害之列。

森林火災(zāi)是一種在林區(qū)自由蔓延和擴(kuò)展的自然災(zāi)害。它在給人們的生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失的同時(shí)，還會(huì)對(duì)全球的生態(tài)平衡造成一定的破壞。因?yàn)椋只鸨O(jiān)測(cè)是降低林火損失的關(guān)鍵一環(huán)，而且做好防火工作的前提條件是如何提高林火監(jiān)測(cè)技術(shù)，所以為了降低由火災(zāi)造成的森林損失，全球各國都很關(guān)注林火的監(jiān)測(cè)工作。傳統(tǒng)的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)主要有人工巡護(hù)、瞭望塔定點(diǎn)觀測(cè)、飛機(jī)空中巡護(hù)等幾種方式。但是由于森林面積較大，僅靠護(hù)林員巡視火情是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。而靠飛機(jī)空中巡護(hù)不僅成本高，且圖象采集設(shè)備受干擾嚴(yán)重、不能保證在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，當(dāng)發(fā)現(xiàn)火情時(shí)林火已蔓延開來。隨著信息技術(shù)及地理信息系統(tǒng)、遙感和全球定位系統(tǒng)即“3S”技術(shù)的快速發(fā)展，該技術(shù)在林業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。使用“3S”技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)森林火情監(jiān)控及林火信息采集與處理，為森林防火提供早期預(yù)警和強(qiáng)有力的決策支持。然而，上述技術(shù)仍然存在一些不足，如衛(wèi)星遙感受天氣情況影響較大，如無法實(shí)現(xiàn)同一區(qū)域全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)控；遙感圖像分辨率低、掃描周期長(zhǎng)，圖像僅能反映火光、煙霧情況，無法獲取與火災(zāi)密切相關(guān)的溫濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)。上述缺點(diǎn)降低了“3S”技術(shù)在森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)中的實(shí)用價(jià)值。鑒于傳統(tǒng)林火監(jiān)測(cè)方式的不足，本文提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的嵌入式森林火情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)林區(qū)特定區(qū)域環(huán)境信息，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)林火險(xiǎn)情。

1 林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)需求分析

針對(duì)森林防火的實(shí)際應(yīng)用特性，本文提出的基于無線傳感器的嵌入式森林防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具有以下主要功能：

1）林火信息采集。

諸多研究成果及以往的火災(zāi)經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)有林火發(fā)生時(shí)，大氣中的煙霧濃度、光強(qiáng)度、空氣溫濕度、大氣壓力以及風(fēng)向、風(fēng)速等都有明顯的變化，這些信息可作為林火發(fā)展趨勢(shì)的主要判斷依據(jù)。所以，本系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)崟r(shí)采集火災(zāi)頻發(fā)區(qū)域的上述信息。

2）信息存儲(chǔ)及傳輸。

系統(tǒng)的林火監(jiān)測(cè)端采集到的林火相關(guān)信息應(yīng)能夠在本地保存或通過相應(yīng)的傳輸模塊將信息第一時(shí)間傳送給林火監(jiān)控指揮中心，林火監(jiān)控指揮中心可立即組織林火專家進(jìn)行林火分析，當(dāng)確認(rèn)火情后，第一時(shí)間制定林火撲救方案，并進(jìn)行相應(yīng)的指揮、部署工作。

3）林火定位。

當(dāng)林火險(xiǎn)情確定后，系統(tǒng)應(yīng)以最快的速度實(shí)現(xiàn)林火發(fā)生地點(diǎn)的定位工作，同時(shí)還要能夠?qū)α只鸢l(fā)生的時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4）設(shè)備低功耗。

由于森林環(huán)境較惡劣，對(duì)系統(tǒng)經(jīng)常進(jìn)行電池的更換也不太現(xiàn)實(shí)，所以需要設(shè)備具備低功耗的能量自供給能力，以使系統(tǒng)的“壽命”得以延長(zhǎng)。

1.2 系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)主要由無線傳感檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)點(diǎn)、無線通信網(wǎng)絡(luò)以及監(jiān)控指揮中心4部分構(gòu)成，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)點(diǎn)置于林區(qū)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，監(jiān)控中心部署在林區(qū)周邊的林場(chǎng)或派出所，其系統(tǒng)組成及工作原理如圖1所示。

圖1 林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成Fig.1 The com position of forest firemonitoring system

為了有效降低系統(tǒng)設(shè)備的能耗開銷，本系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)利用ZigBee作為無線組網(wǎng)方式，且采用分簇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而現(xiàn)場(chǎng)控制器的主控器采用低功耗、高可靠性的嵌入式微處理器。傳感器節(jié)點(diǎn)一旦接入，立即按照某種自適應(yīng)成簇算法選擇加入附近的簇，并向該簇所在的簇首發(fā)出入簇申請(qǐng)，必須經(jīng)過簇首的確認(rèn)后該節(jié)點(diǎn)方可成為該簇的“合法成員”。簇首與簇內(nèi)各成員節(jié)點(diǎn)之間通過多跳通信方式進(jìn)行通信，各成員節(jié)點(diǎn)將其采集到的信息不間斷地傳送給簇首，直到其所攜帶的電池耗盡或被毀壞。簇首即為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，一般部署在有充足能量供應(yīng)且相對(duì)較安全的地方，諸如林區(qū)觀測(cè)站或氣象站內(nèi)。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)點(diǎn)將各個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)傳送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總后，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送給監(jiān)控指揮中心，監(jiān)控指揮中心將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔。同時(shí)，監(jiān)控中心還將實(shí)時(shí)分析和處理相關(guān)數(shù)據(jù)，從而為林火監(jiān)測(cè)人員提供強(qiáng)大的決策支持。另外，本系統(tǒng)還具有遠(yuǎn)程登陸功能，當(dāng)出現(xiàn)一些特殊情況時(shí)，使身處異地的消防專家或醫(yī)療專家也能夠?yàn)榛馂?zāi)現(xiàn)場(chǎng)提供救災(zāi)和醫(yī)療指導(dǎo)工作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)以主節(jié)點(diǎn)即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主協(xié)調(diào)點(diǎn)為中心，向四周擴(kuò)展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集。無線傳感器節(jié)點(diǎn)主要由4部分構(gòu)成，其中包括處理模塊、傳感器模塊、電源模塊以及無線通訊模塊，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 The hardware configuration of sensor nodes

1）傳感器模塊。

傳感器模塊主要完成林區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫濕度、煙霧濃度等信息的采集以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的A／D轉(zhuǎn)換等功能。

由于林火監(jiān)測(cè)環(huán)境的特殊性，所以系統(tǒng)中采用SHT15作為溫濕度采集傳感器，SHT15是一款符合工業(yè)級(jí)CMOS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的由多個(gè)傳感器模塊構(gòu)成的單片全校準(zhǔn)相對(duì)溫濕度傳感器。系統(tǒng)中的煙霧傳感器則采用MQ?2，它是使用一種在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫的氣敏材料制作而成的煙霧傳感器，其是一款應(yīng)用范圍較廣泛的低成本煙霧檢測(cè)傳感器。

2）處理器模塊和無線通信模塊。

處理器模塊主要完成各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的控制，并存儲(chǔ)和處理傳感器節(jié)點(diǎn)所采集的信息等功能。系統(tǒng)采用GSM通信模塊tc35i作為無線通信模塊，處理器模塊則選用CC2530Zigbee。在選擇處理器模塊時(shí)，還應(yīng)注意無線傳輸距離對(duì)設(shè)計(jì)中的影響問題。

在發(fā)送端，從CC2530的輸出端到射頻接口之間有許多中間環(huán)節(jié)，因此在計(jì)算輻射距離時(shí)須考慮這些電路的傳輸損耗。應(yīng)考慮的損耗主要有：收發(fā)網(wǎng)絡(luò)失配損耗HO1，開關(guān)損耗HO2，功率放大器（PA）增益AO1，收發(fā)開關(guān)損耗HO3和濾波器損耗HO4。因此最大距離計(jì)算公式：

對(duì)于接收端，從天線到處理器模塊的輸入端信號(hào)也要經(jīng)過許多電路，因此在計(jì)算Prs（輻射距離）時(shí)，產(chǎn)生的損耗包括：收發(fā)網(wǎng)絡(luò)失配損耗HI1，開關(guān)損耗HI2，低噪放增益AI1，濾波器損耗HI3以及收發(fā)開關(guān)損耗HI4。設(shè)P為CC2530模塊的靈敏度，經(jīng)過傳輸距離d后，到達(dá)該模塊接收端的功率值為P。

3）供電模塊。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)未能廣泛應(yīng)用的制約因素就是供電問題，因此供電問題是本系統(tǒng)中無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。綜合考慮各種因素，本系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)能量由高性能的大容量堿性電池提供。為了保證節(jié)點(diǎn)工作能夠連續(xù)穩(wěn)定的工作，系統(tǒng)中采用PQ30RV21來穩(wěn)定工作電壓。

2.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)

由于網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)需要協(xié)調(diào)整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作，所以需要其具有運(yùn)算能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快以及存儲(chǔ)空間大的微處理器。因此，本系統(tǒng)中選用了片上資源豐富、功能強(qiáng)大的ARM9嵌入式微處理器S3C2410作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的微處理器。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)主要包括：系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)以及GPRS通信程序設(shè)計(jì)4個(gè)部分。

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體工作流程如圖3所示，系統(tǒng)通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控端的傳感器節(jié)點(diǎn)獲取林區(qū)監(jiān)測(cè)區(qū)域的環(huán)境信息，然后通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)點(diǎn)將其傳遞給監(jiān)控指揮中心端的森林防火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合數(shù)據(jù)庫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)林區(qū)的火險(xiǎn)情況。

圖3 系統(tǒng)主程序工作流圖Fig.3 W ork flow diagram of the system m ain program

3.2 無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)加入無線網(wǎng)絡(luò)后，其MAC地址通過串口輸出，同時(shí)根據(jù)命令向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)點(diǎn)發(fā)送其采集到的數(shù)據(jù)。無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖4。

圖4 無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)程序流程圖Fig.4 Flowchart of the wireless network node

3.3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)端的核心節(jié)點(diǎn)，在完成無線網(wǎng)絡(luò)形成后，其先將接收到的各無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳送來的溫濕度、煙霧等信息，然后將信息進(jìn)行融和、打包等工作，并通過串口經(jīng)無線網(wǎng)關(guān)與GPRS網(wǎng)絡(luò)相連，將數(shù)據(jù)上傳到林火監(jiān)控指揮中心，隨后處于休眠狀態(tài)。監(jiān)控指揮中心將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理后，接著發(fā)送控制信息將網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)點(diǎn)喚醒，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)點(diǎn)將控制數(shù)據(jù)下傳到特定節(jié)點(diǎn)。其程序流程如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)點(diǎn)程序流程圖Fig.5 Flowchart of the network coordination point

3.4 GPRS通信程序設(shè)計(jì)

GPRS通信程序主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)點(diǎn)到監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)，還負(fù)責(zé)監(jiān)控中心到指點(diǎn)節(jié)點(diǎn)命令的轉(zhuǎn)發(fā)工作。轉(zhuǎn)發(fā)信息送入GPRS模塊后，然后分別進(jìn)行一系列的協(xié)議封裝，再以數(shù)據(jù)包的形式將其轉(zhuǎn)發(fā)給GPRS無線基站。GPRS無線基站再將數(shù)據(jù)包發(fā)給SGSN，GGSN通過Gn與其進(jìn)行連接。數(shù)據(jù)包由GGSN處理后被傳送到因特網(wǎng)上。最后通過DNS將數(shù)據(jù)導(dǎo)入特定的服務(wù)器中。GPRS通信程序的流程圖如圖6所示。

圖6 GPRS通信程序流程圖Fig.6 Flow chart of the GPRS communication

4 節(jié)點(diǎn)定位及定位算法

目前常用的定位算法主要有基于距離的定位算法及距離無關(guān)的定位算法2種。但前者對(duì)硬件的要求較高，并且耗能量也相對(duì)較多，所以，本系統(tǒng)采用距離無關(guān)的定位算法對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。

4.1 定位過程

鑒于監(jiān)測(cè)環(huán)境的限制，平時(shí)只允許部分節(jié)點(diǎn)處于活動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)，可通過消息廣播的形式向周圍所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)根據(jù)無線通信協(xié)議和路由協(xié)議發(fā)送、接收信息，節(jié)點(diǎn)在接收到信息后，根據(jù)內(nèi)置的定位算法進(jìn)行定位，最后把定位信息傳送至網(wǎng)關(guān)。

4.2 定位算法

綜合比較后，本系統(tǒng)采用DV?Hop算法進(jìn)行節(jié)點(diǎn)定位。DV?Hop算法是首先計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)和每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的最小跳數(shù)，并根據(jù)它們的實(shí)際跳數(shù)，利用式（4）求出未知節(jié)點(diǎn)和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的平均距離，依據(jù)此方法，未知節(jié)點(diǎn)通過其相鄰信標(biāo)節(jié)點(diǎn)處接收了平均距離，這樣就可以根據(jù)三邊測(cè)量或最大似然定位法的方式計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

式中：（xi，yi）和（xj，yj）是信標(biāo)節(jié)點(diǎn)i和j的坐標(biāo)，hj是信標(biāo)節(jié)點(diǎn)i和j之間的跳數(shù)。

式中：（x，y）為未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，（xa，ya）、（xb，yb）和（xc，yc）為未知節(jié)點(diǎn)周圍相鄰信標(biāo)節(jié)點(diǎn)A、B和C的坐標(biāo)，da、db和dc為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)A、B和C距離未知節(jié)點(diǎn)的距離。

式中：（x，y）為未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，（x1，y1）、（x2，y2）、…、（xn，yn）為未知節(jié)點(diǎn)周圍相鄰n個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，d1、d2、…、dn為n個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)分別與未知節(jié)點(diǎn)之間的距離。

5 系統(tǒng)仿真

在系統(tǒng)仿真中，主要對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)一次連接成功率、節(jié)點(diǎn)平均能耗、系統(tǒng)丟包率、監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)溫濕度采集以及煙霧采集進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。

節(jié)點(diǎn)間一次性連接成功率不僅僅受無線通信網(wǎng)絡(luò)中路由算法的影響，而且還受檢測(cè)環(huán)境中存在的若干干擾因素的影響。由圖7可知，由于節(jié)點(diǎn)數(shù)為12時(shí)應(yīng)用的是單跳路由算法，所以節(jié)點(diǎn)間一次性連接成功率最高，隨后呈現(xiàn)先降后小幅上升的趨勢(shì)。隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，先略有下降，是由于無線網(wǎng)絡(luò)中引入了多跳路由算法導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)間的通信開銷增大所致，但隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的進(jìn)一步增大促進(jìn)了節(jié)點(diǎn)間的相互連接，所以節(jié)點(diǎn)間的一次性連接成功率又呈現(xiàn)小幅上升的趨勢(shì)，最后隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的不斷增加，成功率會(huì)在一個(gè)區(qū)間內(nèi)上下徘徊，最終將穩(wěn)定在95%左右。

圖7 節(jié)點(diǎn)間一次性連接成功率Fig.7 The success rate of one?time connection between nodes

由圖8所示，由于節(jié)點(diǎn)相對(duì)少時(shí)引入的是單跳路由方式，因此，平均能耗相對(duì)較大，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)，當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)不是太大，同時(shí)引入多跳路由時(shí)的無線網(wǎng)絡(luò)的平均能耗相對(duì)較低，而后隨著整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的不斷增加，所以，無線網(wǎng)絡(luò)的通信開銷勢(shì)必會(huì)不斷地增大，從而導(dǎo)致整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的平均能耗也隨之不斷增大。由圖8可知，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為32時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平均能耗最小，大約為65%。

圖8 無線網(wǎng)絡(luò)平均能耗Fig.8 The average energy consumption ofwireless network

圖9 為隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，無線網(wǎng)絡(luò)的平均丟包率曲線。由圖可知，當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為20時(shí)，其丟包率最大，而取其他節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)時(shí)，整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的丟包率幾乎為零。

圖9 無線網(wǎng)絡(luò)的平均丟包率Fig.9 The average packet loss rate of w ireless netw ork

通過以上仿真結(jié)果可見，在10 000m2的范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)為32時(shí)仿真效果較好。但是若林火監(jiān)測(cè)區(qū)域的面積和形狀發(fā)生了變化，或者網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)點(diǎn)的位置發(fā)生了變化，那么最佳節(jié)點(diǎn)數(shù)也會(huì)隨之改變。

溫濕度傳感器SHT15和煙霧傳感器MQ?2均每隔30 s采集一次監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的溫濕度以及煙霧信息，并將信息通過串口實(shí)時(shí)發(fā)送給PC機(jī)的超級(jí)終端顯示。仿真界面如圖10所示。

圖10 溫濕度及煙霧采集仿真界面Fig.10 Temperature，hum idity，and smog acquisition simulation interface

6 結(jié)束語

由于森林的地理環(huán)境非常復(fù)雜，而森林防火監(jiān)控系統(tǒng)需具有較高的智能性和實(shí)時(shí)性，所以，充分考慮后，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合提出了一種智能的森林防火監(jiān)控系統(tǒng)，從而有效地提高了森林防火的智能性和預(yù)警效率。通過大量實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)既能降低林火人工預(yù)警方式的成本，又解決了傳統(tǒng)火情監(jiān)測(cè)方式所存在的不足。本系統(tǒng)不但為我國林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)引入了新的技術(shù)和思路，同時(shí)也拓展了無線傳感技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域。

但是，由于原始森林的地貌廣闊，地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且干擾因素較多。所以，對(duì)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林防火監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行模擬和仿真是一個(gè)比較復(fù)雜和困難的過程。后續(xù)的研究工作除了需要繼續(xù)完善監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)外，還需從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：1）將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署在林區(qū)的特定監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，以便能夠獲取相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；2）對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式及森林防火網(wǎng)絡(luò)路由算法做進(jìn)一步的研究；3）適當(dāng)?shù)脑龃鬅o線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和傳輸距離，并提高無線數(shù)據(jù)的傳輸速率。

［1］段永清.森林防火技術(shù)及措施研究［J］.能源與節(jié)能，2013，89（2）：117?119.DUAN Yongqing.Research on forest fire prevention technol?ogy and measures［J］.Energy and Energy Conservation，2013，89（2）：117?119.

［2］樊文有，孟昕，劉小蜻.基于MapG1S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)－中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，35（3）：501?506.FANWenyou，MENG Xin，LIU Xiaoqing.Design and Real?ization of forest fire monitoring and early warning system based on MapG1S［J］.Earth Science?Journal of China Uni?versity of Geosciences，2010，35（3）：501?506.

［3］牟杰，蔡自興，劉麗玨.ZigBee簇狀網(wǎng)的OMNeT＋＋仿真模型［J］.智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2012，7（1）：56?60.MU Jie，CAIZixing，LIU Lijue.The OMNeT＋＋simulation model of ZigBee cluster network［J］.Journal of Intelligent Systems，2012，7（1）：56?60.

［4］LIU Yuhua，LUO Zhenrong，XU Kaihua，et al.A reliable clustering algorithm based on LEACH protocol in wireless mobile sensor networks［C］／／2nd International Conference onMechanical and Electrical Technology.Singapore，2010：692?696.

［5］趙凡.一種能量均衡的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多跳分簇路由算法［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2014：23?26.ZHAO Fan.Multihop clustering routing algorithm for energy balance in wireless sensor networks［D］.Harbin：Harbin U?niversity of Science and Technology，2014：23?26.

［6］林偉，卿輝，陳文.基于新型電源供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.壓電與聲光，2011，33（3）：498?500.LINWei，QING Hui，CHEN Wen.Design of wireless sen?sor network node based on a new type of power supply［J］.Piezoelectrics and Acoustooptics，2011，33（3）：498?500.

［7］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.HU Qiyi，HU Lianggang.MEMSand GSMmodule of remote monitoring based on experiment and research［J］.Laboratory Research and Exploration，2012，31（4）：37?40.

［8］孫鳳池，宋萌，劉光.一種無線傳感器信號(hào)衰減自適應(yīng)測(cè)距模型［J］.智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2012，7（3）：215?218.SUN Fengchi，SONG Meng，LIU Guang.A wireless sensor signal attenuation adaptive location model［J］.CAAITrans?actions on Intelligent Systems，2012，7（3）：215?218.

［9］余華平，郭梅.面向管道系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)三維節(jié)點(diǎn)部署算法［J］.智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2013，8（4）：332?336.YU Huaping，GUO Mei.Three dimensional node deploy?ment algorithm for pipeline system for Wireless Sensor Net?works［J］.CAAI Transactions on Intelligent Systems，2013，8（4）：332?336.

［10］張亞林.物聯(lián)網(wǎng)中基于ZigBee協(xié)議的安全算法研究［D］.華南理工大學(xué)，2012：26?32.ZHANG Yalin.Research on security algorithm based on ZigBee protocol in Internet of things［D］.South China Uni?versity of Technology，2012：26?32.

［11］LI Xiangyang，WANG Yajun，WANG Yu.Complexity of data collection，aggregation，and selection for wireless sensor networks［J］.IEEE Transactions on Computers，2011，60（3）：386?399.

［12］WU Yue，F(xiàn)ANG Fang，ZHOU Wei，et al.The tempera?ture humidity measurement and control system for radon chamber based on SHT75［J］.Nuclear Electronics Detec?tion Technology，2008，28（4）：783?785.

田仲富，男，1978年生，講師，主要研究方向?yàn)闊o線傳感器技術(shù)、森林防火，發(fā)表學(xué)術(shù)論文20篇，其中EI檢索3篇。

王述洋，男，1958年生，教授，主要研究方向?yàn)樾畔⑴c網(wǎng)絡(luò)安全、森林防火，發(fā)表學(xué)術(shù)論文90篇，其中SCI檢索5篇，EI檢索20篇。

Research on embedded forest fire intelligentmonitoring system based on w ireless sensors

TIAN Zhongfu，WANG Shuyang，HUANG Yinglai
（School of Mechanical＆Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China）

Aiming at the deficiencies of traditional forest fire monitoring techniques，the advanced wireless sensor network technology and embedded technology are combined and applied to the forest firemonitoring system.Thus，this kind of enhanced intelligent forest firemonitoring system that can increase the forest fire recognition rate is put forward in this paper.The system uses thewireless network protocol，ie ZigBee network.The ZigBee network is sim?ple，has small path information occupymemory capacity，is suitable formonitoring the environment of forest，and can effectively reduce the energy consumption and the cost of system.Experimental results showed the system has the characteristics of stable operation and flexible network，which can be used for the real?time monitoring of the environmental information of the forestmonitoring region.When fire is found，the system will use the DV?Hop algo?rithm to automatically realize accurate positioning and timely send the alarm information.This is a good foundation for subsequent fire fighting work and provides a reference for intelligent digitization of forestry construction work as well.

forest fire；wireless sensor；monitoring center；intelligent system；forest fire monitoring；wireless pro?tocol；network node；positioning algorithm

TP21

A

1673?4785（2014）06?0763?06

10.3969／j.issn.1673?4785.201406036

http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1673－4785.201406036.htm l

田仲富，王述洋，黃英來.基于無線傳感器的嵌入式森林防火智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2014，9（6）：763?768.

英文引用格式：TIAN Zhongfu，WANG Shuyang，HUANG Yinglai.Research on em bedded forest fire intelligentmonitoring system based on wireless sensors［J］.CAAI Transactions on Intelligent System s，2014，9（6）：763?768.

2014?06?19.

日期：2014?11?13.

國家自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目（51378096）；黑龍江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（C201244）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（DL12BB01）.

田仲富.E?mail：tzf7802＠163.com.