基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[圖]

摘要：設(shè)計了一種基于ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)； 描述了該系統(tǒng)的構(gòu)成原理與整體結(jié)構(gòu)，以及基于CC2430 芯片的傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計和系統(tǒng)軟件工作流程。采用的星-簇首-路由的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有低成本、易于部署、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。森林環(huán)境監(jiān)測是森林資源保護(hù)與管理的基礎(chǔ)，是建設(shè)現(xiàn)代林業(yè)、實(shí)現(xiàn)森林科學(xué)經(jīng)營的重要保障。第七次全國森林資源清查結(jié)果顯示，僅森林的固碳釋氧、涵養(yǎng)水源、保育土壤等6 項生態(tài)價值就超過了10.01萬億元。此外，森林是社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可或缺的資源，它作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在減少溫室氣體排放中發(fā)揮著舉足輕重的作用。因此，做好森林環(huán)境監(jiān)測工作對于我國可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能減排具有重要的價值與意義。

本文設(shè)計了一種森林環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network,WSN）,能夠?qū)崟r監(jiān)測林區(qū)的大氣溫濕度及火災(zāi)煙霧濃度等參數(shù)，具有監(jiān)測范圍廣、部署性好、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高、對生態(tài)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，在森林環(huán)境監(jiān)測中有著廣闊的應(yīng)用前景。

1 ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是部署在區(qū)域內(nèi)的大量具有傳感、計算和通信能力的傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成的多跳無線網(wǎng)絡(luò)，是無線通信、嵌入式計算和分布式數(shù)據(jù)處理等多領(lǐng)域技術(shù)的交叉融合。傳感器節(jié)點(diǎn)通常包括處理器、存儲器、傳感器、無線通訊和電源等組件，能夠同時進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理以及無線傳輸，具有低功耗、小體積等優(yōu)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)之間分工協(xié)作，可實(shí)時感知、監(jiān)測和采集分布區(qū)域內(nèi)監(jiān)測對象或周圍環(huán)境的信息。

ZigBee 基于IEEE 802.15.4 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，是一種短距離、低速率的無線通信技術(shù)。ZigBee 采用了直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，可以工作在868MHz、915MHz 或2.4GHz 頻段。與其它無線通信技術(shù)相比，ZigBee 具有架構(gòu)簡單、成本低、可靠性高、組網(wǎng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因此，ZigBee 非常適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2 系統(tǒng)的組成與原理

按照功能的不同，ZigBee 定義了3 種類型的設(shè)備，即終端設(shè)備、協(xié)調(diào)器和路由器。在系統(tǒng)中，終端設(shè)備就是傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在森林內(nèi)，配置有低成本、低功耗的微處理器，可采集大氣相對濕度、空氣溫度等環(huán)境監(jiān)測參數(shù)。若干個相鄰的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個稱為簇的自組織網(wǎng)絡(luò)，簇中的傳感器節(jié)點(diǎn)又可以分為簇首和普通節(jié)點(diǎn)。簇首是全功能設(shè)備，主要用于數(shù)據(jù)的融合及轉(zhuǎn)發(fā)。簇首可以將所轄簇中普通節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上層的協(xié)調(diào)器，也能將協(xié)調(diào)器接收到的信息在簇內(nèi)進(jìn)行廣播； 普通節(jié)點(diǎn)是精簡功能設(shè)備，它只能與簇首通信，即把采集到的數(shù)據(jù)跳轉(zhuǎn)至本簇的簇首。協(xié)調(diào)器的功能是建立網(wǎng)絡(luò)，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和控制，并保存網(wǎng)絡(luò)的一些基本信息； 最終協(xié)調(diào)器將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)關(guān)，經(jīng)過處理后，再由網(wǎng)關(guān)通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心。監(jiān)控中心包括通信服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，通信服務(wù)器與網(wǎng)關(guān)通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)服務(wù)器保存接收到的森林環(huán)境數(shù)據(jù)，并且提供了數(shù)據(jù)的管理、查詢和編輯等服務(wù)。

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)主要有星狀和網(wǎng)狀2 種拓?fù)�。星狀拓�(fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長，但是網(wǎng)絡(luò)覆蓋有限，并且一旦簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，整個簇與網(wǎng)絡(luò)的連接都將中斷。與星狀拓?fù)湎啾�，網(wǎng)狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)覆蓋廣、可靠性高，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用壽命短。通常情況下，森林地區(qū)地形復(fù)雜、氣象多變、植被覆蓋茂密，這些不利因素會縮短ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的有效通信距離，或者造成節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器連接中斷，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。為了提高ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的魯棒性，避免數(shù)據(jù)丟失，系統(tǒng)采用星狀-簇首-路由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種分級的混合拓?fù)渚C合了以上星狀和網(wǎng)狀拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和靈活性。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

3 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計

傳感器節(jié)點(diǎn)是組成ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單位，是構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)平臺。傳感器節(jié)點(diǎn)一般由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊和電源模塊組成。傳感器節(jié)點(diǎn)的組成如圖2 所示。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)的組成

其中，數(shù)據(jù)采集模塊主要由溫度、濕度、煙霧濃度傳感器以及A/D 轉(zhuǎn)換器組成，負(fù)責(zé)采集區(qū)域內(nèi)大氣溫濕度及當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時的煙霧濃度等數(shù)據(jù)，并且完成數(shù)據(jù)的A/D 轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)處理、存儲數(shù)據(jù)采集模塊得到的數(shù)據(jù)。無線通信模塊與簇首節(jié)點(diǎn)或協(xié)調(diào)器交換控制信息，并收發(fā)數(shù)據(jù)以及中轉(zhuǎn)其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)。電源模塊包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及無線通信模塊。

傳感器節(jié)點(diǎn)選用TI 公司生產(chǎn)的CC2430 作為核心器件。CC2430 集成了符合IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器，工作于2. 4 GHz 頻段，內(nèi)置了高性能、低功耗的8051 微控制器，以及14 位的A/D 轉(zhuǎn)換器。

CC2430 的靈敏度為- 91dBm,最大輸出是+ 0.6 dBm,最大傳送速率為250 Kbps,并且具有良好的抗干擾性能。CC2430 采用低電壓（2.0 - 3.6 V）供電，休眠狀態(tài)時電流消耗僅0.9 μA,從休眠模式切換到主動模式只需要15 ms. 這些特性使得CC2430 適合于能量有限但又要求長期連續(xù)工作的森林環(huán)境監(jiān)測。

溫濕度傳感器（SHT11）是Sensirion 公司生產(chǎn)的。它采用I2C 總線的數(shù)字輸出接口，提供全校準(zhǔn)相對溫度和濕度輸出，具有露點(diǎn)值計算輸出功能，可以與微控制器直接連接，具有免調(diào)試、免標(biāo)定、精度高、自動休眠以及可完全浸沒水中等特點(diǎn)。其體積小巧、功耗低，工作電流僅550 μA.

煙霧傳感器采用半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器（MS5100）. 其響應(yīng)時間短、穩(wěn)定性好，在較寬的濃度范圍內(nèi)對煙霧、碳?xì)浠�合物和氧化物等有較高的靈敏度。

傳感器節(jié)點(diǎn)中的模塊均為低功耗器件，并且大部分時間節(jié)點(diǎn)處于休眠模式，因此電源模塊采用2 節(jié)AA 電池即可，通常可供節(jié)點(diǎn)工作6 個月至2 a 不等。由于簇首節(jié)點(diǎn)頻繁轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)需要耗費(fèi)大量的能量，必要時可采用光電池等電源進(jìn)行供電。

3.2 網(wǎng)關(guān)設(shè)計

網(wǎng)關(guān)主要用于將監(jiān)測數(shù)據(jù)由ZigBee 網(wǎng)絡(luò)通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，以及數(shù)據(jù)的處理與存儲。網(wǎng)關(guān)包括控制模塊、電源模塊、存儲模塊、射頻模塊、GPRS 無線通信模塊以及其它I /O 接口（圖3）.

圖3 網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)

網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳感器節(jié)點(diǎn)，需要較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理與控制能力，因此選用Atmel 公司生產(chǎn)的AT91SAM9261 微處理器。該處理器基于ARM926EJ-S 內(nèi)核，是一款高性能、低功耗的32 位RISC 嵌入式處理器，時鐘頻率為190 MHz 時，處理能力高達(dá)210 MIPS; 外設(shè)全部啟動時，工作電流只有65 mA. 射頻收發(fā)模塊是CC2430,負(fù)責(zé)與ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行雙向通信。GPRS 無線通信模塊選用Motorola 公司生產(chǎn)的G20,通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心建立連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線通信。

4 系統(tǒng)工作流程

為了降低能耗，系統(tǒng)采用休眠- 喚醒的工作方式。ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)并不是總處于工作狀態(tài)，只有在接收到監(jiān)控中心發(fā)送的查詢數(shù)據(jù)命令時，節(jié)點(diǎn)被喚醒并轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)，完成數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)發(fā)等工作； 否則，節(jié)點(diǎn)將處于休眠狀態(tài)[9],系統(tǒng)工作流程如圖4 所示。

系統(tǒng)啟動后，首先完成設(shè)備的參數(shù)設(shè)定等初始化工作。ZigBee 協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，并等待其它節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，隨后節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)。監(jiān)控中心通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)向ZigBee 網(wǎng)關(guān)發(fā)出查詢數(shù)據(jù)的命令之后，協(xié)調(diào)器對隸屬于它的簇網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊廣播，喚醒需要查詢數(shù)據(jù)的簇首，簇首再向本簇其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)行廣播并喚醒休眠節(jié)點(diǎn)； 節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)后再發(fā)送到簇首，簇首進(jìn)行數(shù)據(jù)合成處理后沿原路反饋給網(wǎng)關(guān)； 最后，網(wǎng)關(guān)再通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。

圖4 系統(tǒng)工作流程

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，采用星-簇首-路由的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，既延長了網(wǎng)絡(luò)生命周期，又保證了數(shù)據(jù)傳輸效率。傳感器節(jié)點(diǎn)采用的CC2430 芯片具有低功耗、低成本等特點(diǎn)，適用于只能依靠電池供電的場合。系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測大氣相對濕度、溫度等數(shù)據(jù)，并能通過檢測煙霧濃度實(shí)現(xiàn)火災(zāi)預(yù)警，具有很好的實(shí)用性[10].

作者：狄飛 張莉君 來源：《福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)》