基于Zigbee的森林火灾监测系统的制作方法

本实用新型属于预警系统技术领域，具体涉及一种基于Zigbee的森林火灾监测系统。

背景技术：

森林资源是世界最宝贵的自然资源之一，森林火灾是森林最危险的敌人，也是林业最可怕的灾害。它会给森林带来最有害，具有毁灭性的后果。尽管当今科技技术正在日新月异地向前发展，但是人类在制服森林火灾上，却依然尚未取得长足的进展。因此，森林火灾预防和发现比扑灭更具现实意义。无线传感器网络具有自组织，部署便捷，抗毁能力强，成本低等特点，在诸多领域得到了广泛的应用，例如，军事、智能家居、环境监测和自然灾害预报以及医疗健康等。目前，无线传感器网络是一种廉价、方便的信息采集方法，尤其是在敌对和恶劣的网络应用环境下，传统的方法代价高昂因而几乎无法使用。因为森林火灾监测具有监测环境恶劣，监测面积大，同时传统的通信方式无法覆盖森林区域等特点，所以本系统采用Zigbee无线传感器网络实现森林火灾的监测。森林火灾监测系统通过控制部署方式向监测区域散布监测节点，以获取现场监测数据。相对于与传统的方式的监测方式具有灵活性，易扩展性以及低成本等优势。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了能实时监测森里里的温度、湿度以及烟雾等环境参数，并将数据通过无线传感器网络传递至远程监控系统，当发现有问题能及时发出报警信息。

本实用新型采用如下技术方案：

一种基于Zigbee的森林火灾监测系统，包括无线通信连接的终端节点、协调器节点和远程监控系统，所述的终端节点包括Zigbee控制模块和传感器模块，协调器节点包括Zigbee控制面板和WIFI模块；传感器模块采集到的森林环境信号无线连接传输至协调器节点的Zigbee控制模块，Zigbee控制模块处理后的输出信号经2.4G通信传输至协调器节点的Zigbee控制面板，Zigbee控制面板进一步处理后的信号通过WIFI模块传输至远程监控系统。

所述终端节点和协调器节点采用六边形无线传感器网格控制部署方式，终端节点在森林监测区域内呈连续的六边形网络布置，六边形的各角及六边形内侧共设置7个终端节点，协调器节点断点式线性设置于六边形终端节点网络中，协调器节点数量远远少于终端节点数量。

所述森林监测区域内的终端节点（1）总数量N=N1+N2，N1为六边形边线上的终端节点数量，N2为六边形内的终端节点数量；

所述N1=k*3*S/S_六= k*（2 /3）S/a²；

N2= N1/6；

其中，k-冗余修正系数，取值为1-1.2，S-森林监测区域面积，a-六边形边长。

所述六边形边长a不大于任意传感器的最短探测距离L，一般取值为最短探测距离L相等，既能保证有效监测范围，又能避免数据的重复采集，造成节点设置浪费。

所述Zigbee控制模块和Zigbee控制面板均采用CC2530作为主控芯片，主控芯片外接的硬件电路包括四个晶振电路，其中两个晶振电路为32M和32.768KHZ的外部晶振电路，另外两个晶振电路为16M和32KHz的内部RC震荡电路。

所述的传感器模块包括空气温湿度传感器、土壤湿度传感器、雨滴传感器和烟雾浓度传感器。

所述的空气温湿度传感器采用DHT11数字温度传感器，包括电阻式感湿元件和一个NTC测温元件。

所述的土壤湿度传感器包括土壤探头和控制接口板，土壤探头采用LM393比较器，控制接口板上设有调节土壤湿度测量阀值的可变电位器R2。

所述烟雾浓度传感器采用MQ-2气体传感器。

所述的MQ-2气体传感器采用具有低导电率的二氧化锡作为气敏材料。

本实用新型具有如下有益效果：

1、本实用新型所述监测系统可同时采集四中环境参数，实现对森林的全方位监测，且传感器模块具有可扩展性；

2、无线网络的拓扑结构采用基于六边形的控制部署和多协调器来代替传统的一对多的方式，保证了系统具有覆盖面子广，低功耗和高可靠性；

3、该系统的硬件电路设计简单、可集成度高和可扩展性强；

4、该系统节点的软件设计结构合理，数据通信采用组播的方式，数据传送的过程中数据加入辨别标识，数据传输的可靠性高；

5、本系统中监控界面具有简洁、适用和可操作性强的特点，适合进行批量制作，推广适用。

附图说明

图1为该系统的整体框图；

图2为传感器网络拓扑结构图；

图3为Zigbee控制电路原理图；

图4为温湿度传感器的电阻式感湿元件的电路图；

图5为NTC测温元件的电路图；

图6为雨滴传感器的电路图；

图7为土壤湿度传感器的土壤探头电路图；

图8为土壤湿度传感器的控制接口板电路图；

图9、10为烟雾浓度传感器的电路图；

图11为终端节点软件设计流程图；

图12为协调器节点软件设计流程图；

图中：1-终端节点、2-协调器节点、3-远程监控系统、4-监测区域。

具体实施方式

结合附图，对本实用新型的具体实施方式作进一步说明：

森林火灾监控系统主要是用来监测森里里的温度、湿度以及烟雾等环境参数，并将数据通过无线传感器网络传递至远程监控系统。如果发现有问题及时发出报警信息。

1系统总体设计

1.1系统总体框图

图1为本实用新型的系统总体框图，该系统主要有终端节点、协调器节点以及远程监控系统三部分组成。终端节点是系统的基础硬件单元。终端节点以自组织的方式组网，将利用各传感器采集到的环境信息（包括空气温湿度、土壤湿度、雨量、烟雾气体浓度）传播到协调器节点。协调器节点（即Zigbee控制面板）将汇聚的各个节点的信息通过卫星或者互联网传送至远程监控系统。用户可以通过手机上或者PC机上安装的上位机软件来监控各个节点的环境信息。

1.2节点的拓扑结构

节点部署即覆盖问题是无线传感器网络研究的关键问题之一。有效的节点部署可以实现用最少的节点采集到最准确完整的信息，并能够减少节点对冗余信息的处理，节省节点的能源损耗。

节点部署方式主要分为控制部署和随机部署两种。随机部署主要通过飞机散播，如果节点比较廉价且监控区域环境比较恶劣可以采用这种方式。控制部署指数据收集区域预先确定，可以通过规则的网格来划分数据收集区域。控制部署多采用基于网格的部署，常见的有三角形、正方形和六边形网格。由于随机部署方式目前仍然是一种理想的部署方式，应用于实践还有很多待解决的问题，同时六边形网格控制部署相对于其他两种控制部署方式，具有有效利用面积大且所用节点最少等优点，因此，本实用新型森林防火系统采用的是基于六边形的无线传感器网络控制部署技术。无线传感器的网络拓扑结构图如图2所示，主要包括终端节点和协调器节点两种。传统的传感器网络中密集的终端节点大多通过网络中唯一的协调器节点将数据信息传送至用户终端或控制中心，使无线传感器网络在能耗均衡性、可靠性等诸多方面均面临着很大的问题。本系统的传感器网络采用多协调器节点贯穿于传感器网络中，不仅减轻了终端节点多跳的能耗，同时也减轻了单个协调器节点的负担，保证了系统的稳定性。

终端节点的探测范围主要由传感器系统决定。包含有多个传感器的终端节点，其探测范围由探测距离最短的那个传感器决定。终端节点的探测距离同时决定了六边形的边长。假设烟雾传感器探测距离为最短的那个传感器为1M，则六边形部署的边长为1m，根据六边形公式就是7个节点可以覆盖约2.6平方米。七个节点中，边线上的每个节点都可以复用。因此1000平方米的森林需要1000/2.6*6/2=1153.8个处于六边形边线上的终端节点。需要1153.8/6=192个六边形。所以总的终端节点个数为 1153.8+192=1345.8。

协调器节点在zigbee网络中相对于终端节点可以称为父节点。当节点设备需要关联或者通信时，每个zigbee模块有个网络地址。网络地址由随机分配和分布式分配两种。本系统中选择随意分配，地位为16位，也就是一个父设备可以带216个子设备即65535个子设备。考虑到协调器节点带的设备越多，功耗越大，通过实验一个协调器节点最多给分配1100个终端节点，因此在这个例子中需要2个协调器节点，约1345.8个终端节点。

其中，六边形公式: ；

则对于面积为S的森林区域，所需要的终端节点数量N= N1+N2，N1为六边形边线上的终端节点数量，N2为六边形内的终端节点数量；

所述N1=k*3*S/S_六= k*（2/3）S/a²；N2== N1/6；其中，k为冗余修正系数、取值为1-1.2。

2硬件电路设计

森林防火监测系统的硬件部分主要有Zigbee控制模块和传感器模块组成。终端节点的传感器模块负责收集森林传感器周围的环境信息，然后将采集的参数传输给终端节点的Zigbee控制模块进行处理。根据路由协议，作为簇首的终端节点将信息传送给协调器节点的Zigbee控制模块。

2.1 Zigbee控制模块电路设计

Zigbee控制电路模块采用CC2530作为主控芯片。CC2530以8051为内核，具有低功耗、高性能等特点。CC2530包括五种运行模式，5通道DMA、8 通道分辨率配置 12 位 ADC、 定时器、MAC 定时器、看门狗定时器、睡眠定时器、电池监视器、温度传感器、安全协处理器、和 21 个通用 I/O引脚。CC2530性能稳定，功能齐全，已得到广泛的应用。

根据图1所示的森林防火系统整体框图可知，本系统中无论终端节点还是协调器节点都有一个Zigbee控制模块，采用统一的硬件电路设计。Zigbee控制电路原理图如图3所示。Zigbee的工作电压为3.3V，有四个晶振电路。晶振电路不仅包括电路图中的32M和32.768KHZ两个外部晶振电路，还包括16M和32KHz的两个内部RC震荡电路。系统时钟可以选择外部的32MHz或内部的16MHz的晶振。当系统时钟RF工作时，上电时16M的RC先工作，因为RC的起振时间短，待正常后，换32MHz用于RF。天线选用外置天线，ANTSMA为天线接口。外置天线较PCB板载天线具有通信距离远、灵敏度高等优点。

2.2 传感器模块电路设计

传感器模块是森林防火系统的关键模块之一，包括空气温湿度传感器、土壤湿度传感器、雨滴（雨量）传感器、烟雾气体浓度传感器。传感器模块接口板作为系统的底板，一方面为传感器提供接口，同时也是传感器和Zigbee控制电路板连接的桥梁。接口板具有易扩展性，如果想增加外部传感器，只需要在CC2530富余的引脚中引出输入引脚即可。

2.2.1温湿度传感器

温湿度传感器采用的是DHT11数字温度传感器，可以用于检测周围环境的温湿度。DHT11是一款含有已校准数字信号输出的温湿度传感器，内部包含一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，应用了温湿度传感技术和数据采集技术，具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。DHT11工作电压为3.3V-5V，有VCC、GND和DATA数据输出三个引脚。

2.2.2雨滴传感器

雨滴传感器主要是测量森林的降雨量，为预测是否有可能发生火灾提供重要的依据。同时，雨滴传感器还可以在火灾发生后还来检测灭火的用水量。本系统采用的雨滴传感器可用于监测各种天气降雨状况，并将其转成数字信号通过输出引脚进行输出至CC2530。感应板大小可调，且具有固定螺栓孔，方便使用和安装。雨滴传感器的电路图如图6所示。

2.2.3土壤湿度传感器

本系统采用四线制土壤温湿度传感器，包括土壤探头和控制接口板两部分组成。通过调节接口板上电位器可以调节土壤湿度测量阈值。湿度低于设定值时输出为高电平，高于设定值时，输出为低电平。探头模块采用LM393比较器，工作稳定。土壤湿度传感器电路图如图7、8所示。

2.2.4烟雾浓度传感器

烟雾浓度传感器选择的是MQ-2气体传感器。MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡，当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随着空气中可燃烧气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-2可检测多种可燃性气体，是一款适用于多种场合的低成本传感器。MQ-2传感器的原理图如图9、10所示。

森林防火系统中，大部分的传感器节点作为终端节点负责环境参数的搜集。真正的无线传感器网络需要实现传感器的数据与Zigbee无线网络结合。系统的软件主要实现无线传感器网络的构建。协调器节点负责建立Zigbee无线网络，终端节点根据先前制定的协调器节点设备自动加入该网络，然后终端节点周期性的将采集到的环境参数发至对应的协调器节点，协调器节点再通过串口将数据传送至用户监控中心。终端节点软件设计流程图如图11所示，协调器节点软件设计流程图如图12所示。终端节点根据先前制定的协调器节点设备自动加入该网络，然后采集温湿度、烟雾浓度、雨量和土壤湿度数据，数据以数组的形式进行存储，然后传送给协调器节点，数组预留一个字节用于标识节点。协调器节点接收终端节点发来的数据包，然后数据根据设计的帧格式传送至监控PC机。

森林火灾监控系统的监控界面是基于VB开发的，具有简单、可扩展性强和适用的特点。主要包括火情警示模块、节点参数显示模块和观测节点选择按钮三个部分。火情警示模块可以实时显示有火灾危险的节点，通过观测节点选择菜单可以自由选择监测的节点，节点参数显示模块可以具体的显示节点的具体参数，为进一步判断是否有火灾发生提供依据。

因本申请主要保护的是一种基于Zigbee的整体监测系统，只要能说明该系统所涉及的模块组成、连接传输关系即可，具体的Zigbee控制模块、各种传感器模块均可选型使用市场标准件（如说明书中所述的CC2530型Zigbee控制模块、DHT11数字温度传感器、采用LM393比较器的土壤湿度传感器、MQ-2气体传感器等），只要满足相应的功能即可，因此，本申请中不再对各模块的具体电路连接等原理作赘述，本领域技术人员可结合本实用新型技术领域获取相关所需内容，未详述的传感器等元件不会影响本领域技术人员对本申请技术方案的理解，也不会影响本申请的保护范围。