王愛新

（河北農(nóng)業(yè)大學信息科學與技術(shù)學院，河北保定　071001）

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基于ZigBee PRO的森林火災預警監(jiān)測系統(tǒng)設計

王愛新

（河北農(nóng)業(yè)大學信息科學與技術(shù)學院，河北保定071001）

摘要：提出基于無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)（ZigBee PRO）的森林火險實時監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案，設計了一種基于TI公司的CC2531和Sensirion公司的傳感器芯片SHT10的森林火災預警監(jiān)測系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的硬件、軟件設計原理進行了分析。著重強調(diào)利用CC2531自帶的USB 2.0通用串行接口，通過HID類設備自定義，實現(xiàn)了ZigBee網(wǎng)關(guān)和森林火險監(jiān)控上位機之間的通信。與傳統(tǒng)的串口通信方式相比，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，有利于實時、大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)傳輸和采集。

關(guān)鍵詞：ZigBee PRO；CC2531；森林火災；實時監(jiān)測；USB 2.0；HID

0　引言

所謂森林火災，主要指的是發(fā)生在野外森林中的、人類力量難以挽回且不斷向外蔓延的、對森林生態(tài)環(huán)境和人類生存造成威脅的著火現(xiàn)象。由于森林環(huán)境特殊，其火災的發(fā)生具有突發(fā)性，且災后滅火工程巨大，造成的破壞明顯。鑒于我國國土面積大、各地地形存在明顯差別，氣候條件也大有不同，加之人口較多、各地人口分布不均等原因，導致森林火災發(fā)生的比較頻繁。又因為國家對此缺少嚴格的監(jiān)督，森林火災一旦發(fā)生必將給我國的經(jīng)濟帶來極大損失[1?2]。

森林防火是我國防災減災的一個重要組成部分，其中如何預防火災的發(fā)生，在火災初期及時發(fā)現(xiàn)火情是森林防火的關(guān)鍵。通過近年來對森林火災發(fā)展過程的研究，人們發(fā)現(xiàn)林火發(fā)生前，一些環(huán)境參數(shù)如：環(huán)境溫度、相對濕度、降水量會隨著外部環(huán)境的變化而持續(xù)變化，當積累到一定閾值，才可能引發(fā)林火。因此，如果能夠?qū)α謪^(qū)的環(huán)境參數(shù)做到實時、準確地監(jiān)測，無疑能夠及時發(fā)現(xiàn)火災隱患，從而極大地提高火險報警的主動性和準確性。

最近幾年，信息技術(shù)快速更新，物聯(lián)網(wǎng)如一匹黑馬勢頭猛勁。而物聯(lián)網(wǎng)中最關(guān)鍵的技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡ZigBee，它是建立在IEEE 802.15.4標準基礎(chǔ)上的一種通信范本。該通信協(xié)議具有自動組網(wǎng)、成本低、功耗低、通信協(xié)議簡單、可靠性強等特點，在遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控領(lǐng)域具有不可比擬的優(yōu)勢。目前其最新標準是ZigBee 2007，該標準定義了ZigBee和ZigBee PRO的兩個特性集[3?5]。ZigBee 2007/PRO和ZigBee比較起來，需要在技術(shù)方面做出下面的調(diào)整讓其更加完備：

（1）ZigBee 2007/PRO是更加適用于商業(yè)和工業(yè)級別協(xié)議棧；

（2）ZigBee 2007/PRO適用于規(guī)模較大的網(wǎng)絡（網(wǎng)路容量可以超過1 000個節(jié)點）；

（3）ZigBee 2007/PRO調(diào)整了路由形式，讓路由更加穩(wěn)定且占用內(nèi)存更小；

（4）ZigBee 2007/PRO使用了高級跳頻技術(shù)，供給跳頻沖突規(guī)避技術(shù)，讓其具有更好的抗干擾能力；

（5）ZigBee 2007/PRO可以分包傳輸長數(shù)據(jù)包；

（6）ZigBee 2007/PRO提供商業(yè)級的加密通信。

鑒于ZigBee 2007/PRO具有的相關(guān)特點和優(yōu)勢，該技術(shù)更適合在大范圍復雜環(huán)境條件下的數(shù)據(jù)監(jiān)測，如大范圍農(nóng)田或林區(qū)等。

1　總體設計

森林自然條件多樣，氣候條件不穩(wěn)定，范圍大同時無線干擾源較少，本系統(tǒng)設計基于較大范圍覆蓋，降低傳感器節(jié)點功耗，實現(xiàn)可靠、穩(wěn)定的信息采集和傳輸。按照防范森林火災所需監(jiān)看的參數(shù)特點，本次設計的監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)主要由三大部分組成：用于采集溫、濕度數(shù)據(jù)的無線傳感器監(jiān)控節(jié)點，采集各節(jié)點數(shù)據(jù)的無線傳感器網(wǎng)關(guān)節(jié)點和監(jiān)控數(shù)據(jù)處理中心等，如圖1所示。

圖1　監(jiān)測系統(tǒng)總體設計

其中，使用ZigBee PRO網(wǎng)絡的終端節(jié)點和路由器節(jié)點作為森林火險監(jiān)督網(wǎng)絡的監(jiān)看節(jié)點，將其隨機分布在林區(qū)的被監(jiān)控區(qū)域，用于監(jiān)測并傳輸森林火災預警中的相關(guān)參數(shù)，包括溫度信息、濕度信息以及定位信息等。

此外，在對無線傳感器節(jié)點的設計上，由于林區(qū)環(huán)境復雜，監(jiān)控節(jié)點很難獲得持續(xù)的集中供電，所以提高節(jié)點工作的長久持續(xù)性是著重考慮的問題。

監(jiān)測系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點部分由ZigBee PRO網(wǎng)絡中的協(xié)調(diào)器以及3G通信模塊組成。協(xié)調(diào)器負責通過聚類路由協(xié)議采集各節(jié)點的監(jiān)控數(shù)據(jù)及位置信息，再通過3G通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交馂谋O(jiān)控中心。

監(jiān)控中心把收集好的信息歸集起來，經(jīng)過剖析處理，根據(jù)所得到的相關(guān)參數(shù)，判斷林區(qū)火災預警情況和相關(guān)位置。

2　硬件設計部分

ZigBee PRO網(wǎng)絡中的硬件有以下三種：協(xié)調(diào)器、路由器以及終端節(jié)點等。協(xié)調(diào)器的別稱為網(wǎng)關(guān)節(jié)點，是整個體系內(nèi)的關(guān)鍵設施，其主要職能是構(gòu)建、開啟和管理工作體系。在網(wǎng)絡建立之初，網(wǎng)關(guān)進行網(wǎng)絡初始化，主動發(fā)送信標幀掃描其他節(jié)點，對于新加入網(wǎng)絡的節(jié)點以隨機的形式分配地址，完成建立網(wǎng)絡的過程。網(wǎng)絡處于工作狀態(tài)時，網(wǎng)管負責對不同節(jié)點的工作狀態(tài)進行監(jiān)督，保證數(shù)據(jù)在節(jié)點間可以順利傳輸。路由器指的是網(wǎng)絡中的中繼節(jié)點，它具有中繼節(jié)點和終端雙重角色，既可以實現(xiàn)網(wǎng)絡中個別節(jié)點的路由，又可以作為終端節(jié)點進行數(shù)據(jù)交換。

另外，ZigBee PRO協(xié)議棧規(guī)定了無線定位算法，可以憑借對RSSI（Received Signal Strength Indication）所做的監(jiān)督，結(jié)合三邊定位算法，確定無線傳感器中不同節(jié)點的位置。

在實際應用中，傳感器不同節(jié)點所具有的功能是根據(jù)編譯器分配給不同節(jié)點的程序軟件來確定的。而三種類型節(jié)點的硬件一般在設計時是相同的，這樣可以簡化系統(tǒng)開發(fā)的難度。

在本火災體系的設置中，無線傳感器不同節(jié)點的重點硬件部位保持一致，包括ZigBee（SOC）芯片CC2531以及提供相應支持的外圍電路，這些節(jié)點均由TI公司提供。針對監(jiān)看節(jié)點，增加了用來收集火災參數(shù)的收集板塊，而其主要構(gòu)成部分包含SHT11溫濕度傳感器和周邊環(huán)繞的電路。其中，TI公司的CC2531包括一個高頻率的2.4 GHz射頻收發(fā)器核心，該收發(fā)器核心使用DSSS；還涵括一枚高頻的專業(yè)用8051控制器，此控制器集合了2.4 GHz的RF無線電收發(fā)機，其內(nèi)裝置有128位AES，經(jīng)過加密整理，其條件達到了IEEE 802.15.4的標準。此外，該芯片配置有USB 2.0全速端口，工作電壓為3.3 V。因為其具備全速特征，所以必須增加USB的D+信號線上的電阻才能確保工作狀態(tài)正常。

傳感器的種類則使用SHT11兩線并行端口數(shù)字式相對濕度溫度傳感器?？梢愿袦y的溫度最低為-40℃，最高為128℃，其誤差為±0.4℃，感測到的最低濕度為0 RH,最高濕度為-100 RH，誤差范圍為±0.03％ RH，誤差超出范圍后可自動調(diào)整。

在本系統(tǒng)設計中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點可以直接與監(jiān)控主機進行數(shù)據(jù)傳輸通信，通信通過USB接口實現(xiàn)。監(jiān)控節(jié)點體系內(nèi)硬件設施構(gòu)成如圖2所示。

3　軟件設計部分

3.1監(jiān)控網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信部分的設計實現(xiàn)

本體系的工作基礎(chǔ)是無線傳感器網(wǎng)絡的Z?Stack協(xié)議棧，研發(fā)了各監(jiān)看節(jié)點與無線網(wǎng)關(guān)內(nèi)建立的數(shù)據(jù)通信。ZigBee PRO協(xié)議棧構(gòu)建的前提條件是IEEE 802.15.4，以此為標準確定了協(xié)議的MAC和PHY層。ZigBee設施

應包含IEEE 802.15.4（以此為準則確定RF射頻以及其周邊設施的通信）的PHY和MAC層，此外還要有ZigBee堆棧層，也就是網(wǎng)絡（NWK）和其使用層合并為安全服務提供層[6]。其中Z?Stack的協(xié)議棧構(gòu)成展示如圖3所示。本體系研發(fā)使用TI公司制作的無線傳感器芯片CC2531，為了確保其正常使用，本公司在節(jié)點通信部位已經(jīng)預設了相應的協(xié)議代碼。所以，研發(fā)工作人員不必再為節(jié)點間的通信問題費心。這樣研發(fā)者就可以省去很多不必要的手續(xù)，開發(fā)人員使用中無需關(guān)心節(jié)點間的通信問題，可以集中于使用層的研發(fā)。如此，Z?Stack既可以用操作體系的方式完成服務，體系內(nèi)全部的操作都以命令或者事件的形式完成。

圖2　無線傳感器節(jié)點硬件原理圖

圖3　Z?Stack協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

3.2網(wǎng)關(guān)與上位機之間的通信設計實現(xiàn)

在該監(jiān)控體系中，通過USB 2.0全速接口的CC2531實現(xiàn)主機和網(wǎng)關(guān)節(jié)點之間的通信。該接口的數(shù)據(jù)傳輸率與通用的串口通信相比大大提高，最大傳輸速率可達12 MB/s。

CC2531 USB接口通信功能的實現(xiàn)有兩種模式：一種模式為HID（Human Interface Device）；另一種是通過設備上下文類（CDC）的USB虛擬端口通信的方式。對于兩種模式的完成，TI具備對應的協(xié)議棧范本。在應用HID模式，TI公司供給模擬鼠標和鍵盤的兩個標準HID設備的通信過程，用戶可以將ZigBee協(xié)議棧的程序通過IAR編譯和下載CC2531可以被直接使用。該監(jiān)測體系運用USB數(shù)據(jù)傳輸，應用的HID設施不符合標準。因此，對它的程序必須做出相應的調(diào)整，在原協(xié)議棧調(diào)整HID設施端口中使用。

在將設備連接到USB主機時，HID設備描述符需要讀取主機發(fā)送get_descriptor請求。通信過程中的描述符是非常重要的。HID設施可以供給5種標準的USB設施應用，此外還可以為另外3種指定的描述符提供服務。這些描述符包含：端口、端點、設施、配套設備和字符串描述符。HID獨特的描述符包括：HID，Report和Physical描述符。在本體系中，必須對HID描述符進行再次調(diào)整。幾種重要類型的描述符歸納如下：

（1）設備描述符

deviceDesc：；Device descriptor

DB deviceDescEnd?deviceDesc；描述符長度

DB DESC_TYPE_DEVICE；型號

DW 0200H；版本類型

DW 0451H；設施生產(chǎn)商（Texas Instruments）

DW16A9H；產(chǎn)品種類（CC2531 HID）

……

（2）配置描述符

DB configDescEnd?configDesc；描述符長度

DB DESC_TYPE_CONFIG；型號

DB 03H；端口數(shù)目（3個）

DB 01H；描述符標志

……

（3）接口描述符

DB DESC_TYPE_INTERFACE；型號

DB 02H；端口排號

DB 00H；備用排號

DB 01H；端點數(shù)目

DB 03H；端口使用的種類（HID）

……

（4）端點描述符

DB DESC_TYPE_ENDPOINT；型號

DB 83H；端點方位

DB EP_ATTR_INT；響應形式（中斷）

DW 0008H；最大數(shù)據(jù)包字符數(shù)

……

（5）報告描述符

報告描述符的功能主要是用來確定執(zhí)行設施性能的數(shù)據(jù)樣式和運用辦法，和其他的描述符對比更加復雜，其每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包含8位。

DB 0005H, 0001H；通用桌面

DB 0009H, 0000H；自定義運用

DB 0015H, 0000H；邏輯最低限

DB 0025H, 0001H；邏輯最高限

DB 0095H, 0001H；傳輸數(shù)據(jù)數(shù)目

DB 0075H, 0008H；數(shù)據(jù)字符數(shù)

……

4　系統(tǒng)性能測試

本系統(tǒng)在室外開闊林地進行了實驗，實時監(jiān)測時間為1 h，各傳感器節(jié)點的溫濕度變化情況，監(jiān)控主機采集的溫濕度數(shù)據(jù)曲線如圖4所示。實驗數(shù)據(jù)表明，本體系在監(jiān)看周期內(nèi)，傳感器節(jié)點傳輸?shù)臏貪穸葦?shù)據(jù)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點工作狀態(tài)正常，沒有發(fā)生丟包事件。

5　結(jié)論

本文使用了最先進的無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)（Zig? Bee PRO）完成對森林火災的實時監(jiān)看，規(guī)劃了以TI公司的CC2531和溫濕度傳感器SHT11為基礎(chǔ)的森林火災監(jiān)看體系，并對該體系的硬件、軟件的配置原理做了全面的分析。經(jīng)場地實際測試證明，該系統(tǒng)的工作穩(wěn)定、可靠，對森林火災的預防和控制有很大幫助，應用前景廣闊。

圖4　實時監(jiān)測溫濕度數(shù)據(jù)曲線

參考文獻

[1]唐靜，李淼，張建，等.基于ZigBee網(wǎng)絡的經(jīng)濟林無線信息監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].儀表技術(shù)，2011（3）：22?24.

[2]李光輝，趙軍，王智.基于無線傳感器網(wǎng)絡的森林火災監(jiān)測預警系統(tǒng)[J].傳感技術(shù)學報，2006，19（6）：2760?2764.

[3]李文仲.ZigBee 2007/PRO協(xié)議棧實驗與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[4]高峰，俞立，王涌，等.無線傳感器網(wǎng)絡作物水分狀況監(jiān)測系統(tǒng)的上位機軟件開發(fā)[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2010，26（5）：175?181.

[5]陳擁軍，袁慎芳，吳鍵，等.無線傳感器網(wǎng)絡故障診斷與容錯控制研究進展[J].傳感器與微系統(tǒng)，2010，29（1）：1?5.

[6]李強，王春山，王愛新，等.物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化中的應用[J].電腦知識與技術(shù)，2010（24）：5899?5901.

Design of forest fire early warning and monitoring system based on ZigBee PRO

WANG Aixin
(College of Information Science and Technology, Agriculture University of Hebei, Baoding 071001, China)

Abstract：The design scheme of forest fire real?time monitoring system based on ZigBee PRO is proposed. An forest fire early warning and monitoring system based on chip CC2531 made by TI and sensor chip SHT10 made by Sensirion was de?signed, in which the design principles of hardware and software are analyzed. The USB 2.0 universal serial interface owned by chip CC2531 is used to realize the communication between the host computer of forest fire monitoring and ZigBee gateway by the user defined HID equipments. Compared with the traditional serial port communication, the data transmission rate can be im?proved greatly, which is helpful for the real?time data transmission and acquisition of large data size.

Keywords：ZigBee PRO；CC2531；forest fire；real?time monitoring；USB 2.0；HID

作者簡介：王愛新（1978—），男，河北保定人，碩士，講師。研究方向為計算機網(wǎng)絡與分布式處理、數(shù)據(jù)庫技術(shù)。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃（2011BAD38B02）；河北省科技項目支撐計劃（11237178）；林業(yè)公益性行業(yè)科研專項（201204105）；河北農(nóng)業(yè)大學非生命學科與新興學科項目資助（FS20100503）

收稿日期：2015?09?19

doi：10.16652/j.issn.1004?373x.2016.01.006

中圖分類號：TN911?34

文獻標識碼：A

文章編號：1004?373X（2016）01?0020?04