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基于ZigBee 无线传感器网络的森林环境监测系统

本文设计了一种森林环境监测系统,该系统是基于ZigBee 无线传感器网络(wireless sensor network,WSN),能够实时监测林区的大气温湿度及火灾烟雾浓度等参数,具有监测范围广、部署性好、数据传输可靠性高、对生态环境影响小等优点,在森林环境监测中有着广阔的应用前景。

1 ZigBee 无线传感器网络技术

无线传感器网络是部署在区域内的大量具有传感、计算和通信能力的传感器节点通过自组织方式构成的多跳无线网络,是无线通信、嵌入式计算和分布式数据处理等多领域技术的交叉融合。传感器节点通常包括处理器、存储器、传感器、无线通讯和电源等组件,能够同时进行数据的采集、处理以及无线传输,具有低功耗、小体积等优点。传感器节点之间分工协作,可实时感知、监测和采集分布区域内监测对象或周围环境的信息。

ZigBee 基于IEEE 802.15.4 协议标准,是一种短距离、低速率的无线通信技术。ZigBee 采用了直接序列扩频技术,可以工作在868MHz、915MHz 或2.4GHz 频段。与其它无线通信技术相比,ZigBee 具有架构简单、成本低、可靠性高、组网能力强等特点,因此,ZigBee 非常适用于无线传感器网络。

2 系统的组成与原理

按照功能的不同,ZigBee 定义了3 种类型的设备,即终端设备、协调器和路由器。在系统中,终端设备就是传感器节点,节点随机部署在森林内,配置有低成本、低功耗的微处理器,可采集大气相对湿度、空气温度等环境监测参数。若干个相邻的传感器节点构成一个称为簇的自组织网络,簇中的传感器节点又可以分为簇首和普通节点。簇首是全功能设备,主要用于数据的融合及转发。簇首可以将所辖簇中普通节点采集到的数据发送到上层的协调器,也能将协调器接收到的信息在簇内进行广播; 普通节点是精简功能设备,它只能与簇首通信,即把采集到的数据跳转至本簇的簇首。协调器的功能是建立网络,对网络进行管理和控制,并保存网络的一些基本信息; 最终协调器将监测到的数据转发到网关,经过处理后,再由网关通过GPRS 网络将数据发送到监控中心。监控中心包括通信服务器和数据服务器,通信服务器与网关通过GPRS 网络进行数据交换,数据服务器保存接收到的森林环境数据,并且提供了数据的管理、查询和编辑等服务。

ZigBee 网络主要有星状和网状2 种拓扑。星状拓扑结构简单、使用寿命长,但是网络覆盖有限,并且一旦簇首节点发生故障,整个簇与网络的连接都将中断。与星状拓扑相比,网状拓扑网络覆盖广、可靠性高,但是结构复杂、使用寿命短。通常情况下,森林地区地形复杂、气象多变、植被覆盖茂密,这些不利因素会缩短ZigBee 网络中传感器节点的有效通信距离,或者造成节点与协调器连接中断,导致数据丢失。为了提高ZigBee 网络的鲁棒性,避免数据丢失,系统采用星状-簇首-路由拓扑结构。这种分级的混合拓扑综合了以上星状和网状拓扑的优点,提高了网络的可靠性和灵活性。系统的整体结构如图1 所示。


图1 系统整体结构

3 硬件结构设计

3.1 传感器节点设计

传感器节点是组成ZigBee 无线传感器网络的基本单位,是构成无线传感器网络的基础平台。传感器节点一般由数据采集模块、数据处理模块、无线通信模块和电源模块组成。传感器节点的组成如图2 所示。


图2 传感器节点的组成

其中,数据采集模块主要由温度、湿度、烟雾浓度传感器以及A/D 转换器组成,负责采集区域内大气温湿度及当有火灾发生时的烟雾浓度等数据,并且完成数据的A/D 转换。数据处理模块负责处理、存储数据采集模块得到的数据。无线通信模块与簇首节点或协调器交换控制信息,并收发数据以及中转其它节点发送的数据。电源模块包括数据采集模块、数据处理模块以及无线通信模块。

传感器节点选用TI 公司生产的CC2430 作为核心器件。CC2430 集成了符合IEEE 802.15.4 标准的射频收发器,工作于2. 4 GHz 频段,内置了高性能、低功耗的8051 微控制器,以及14 位的A/D 转换器。

CC2430 的灵敏度为- 91dBm,最大输出是+ 0.6 dBm,最大传送速率为250 Kbps,并且具有良好的抗干扰性能。CC2430 采用低电压(2.0 - 3.6 V)供电,休眠状态时电流消耗仅0.9 μA,从休眠模式切换到主动模式只需要15 ms. 这些特性使得CC2430 适合于能量有限但又要求长期连续工作的森林环境监测。

温湿度传感器(SHT11)是Sensirion 公司生产的。它采用I2C 总线的数字输出接口,提供全校准相对温度和湿度输出,具有露点值计算输出功能,可以与微控制器直接连接,具有免调试、免标定、精度高、自动休眠以及可完全浸没水中等特点。其体积小巧、功耗低,工作电流仅550 μA.

烟雾传感器采用半导体气体烟雾传感器(MS5100). 其响应时间短、稳定性好,在较宽的浓度范围内对烟雾、碳氢化合物和氧化物等有较高的灵敏度。

传感器节点中的模块均为低功耗器件,并且大部分时间节点处于休眠模式,因此电源模块采用2 节AA 电池即可,通常可供节点工作6 个月至2 a 不等。由于簇首节点频繁转发数据需要耗费大量的能量,必要时可采用光电池等电源进行供电。


(责任编辑:Ioter)


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