无线传感器网络在森林防火中的应用
【摘 要】介绍一种基于ZigBee无线传感器网络的森林防火监测技术。ZigBee是一种低功耗"低速率"短距离的无线技术标准，有广阔的发展空间与广泛的应用前景，特别适用于构建传感器网络，传感器节点可对森林环境进行信息采集，然后将采集的数据通过无线网络传送到数据监控中心，监控中心的计算机对数据进行分析处理，判断是否有火灾的可能，为相关部门进行相应的防护和灭火提供依据。
【关键词】无线传感器；ZigBee；森林防火
无线传感器网络是一项刚刚兴起的网络技术，通常是由大量部署在监测区域的微型传感器节点，以无线通信方式所组成的一个自适应分布式网络系统，具有部署灵活、成本低廉、容错性好等优点，在无人值守的环境监测和灾害扑救等特殊领域作用巨大。ZigBee是一种低功耗、低速率、短距离的无线技术标准，适用于构建无所不在的传感器网络，传感器节点可对森林环境进行信息采集，然后将采集的数据通过无线网络传送到数据监控中心，监控中心通过计算机对数据进行分析处理，判断发生火灾的可能，为林业相关部门进行相应的防护和灭火提供依据。工作人员可以通过手机、PDA、计算机等信息终端，实时掌握森林环境信息，及时获取异常报警信息及预警信息， 并可以根据森林环境监测结果，实时调整控制设备，构建起数字化森林的物联网络，为森林防灭火提供实时、准确、科学的决策。
一、无线传感器网络研究现状
我国无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，但从研究问题的深度和投入的科研力量来说，国内的水平相对落后于国外。随着经济的发展国内也有越来越多的企业开始关注无线传感器网络技术的发展，开始推出针对无线传感器网络及Zig――Bee的解决方案。2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术定义了三个前沿方向，其中二个与无线传感器网络的研究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术。
二、ZigBee技术
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。核心是多信道无线装置微控制器集成在半导体芯片上，目的是为了降低无线终端的成本和功耗，已达到“无所不在”的目的。主要用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入多种设备，被业界认为最有可能用在工业控制、传感器网络、家庭监控、安全系统等领域的无线技术。ZigBee技术的无线网关设计有机地把ZigBee 技术与互联网连接起来，实现了数据从现场到互联网的整个传输过程，反之也可以把互联网上的控制信号通过网络发送到现场，实现对现场设备的远程控制。将基于ZigBee的无线传感器网络应用在森林火灾监测系统中，可实现对覆盖森林内的任意地点的温湿度等信息在任意时间的采集、处理和分析，而且还能大大提高系统的可扩展性， 降低设备维护的成本， 优化整个系统。
ZigBee技术有以下优点：
（2）可靠：采用了碰撞避免机制，节点模块之间具有自组网的功能，信息在网络中采取自动路由的方式进行传输；
（3）时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，节点可以采取空闲休眠；
（4）网络容量大：最多可支持65000个节点。
三、ZigBee无线传感器网络在森林火灾监测系统的设计方案
一个ZigBee网络最多可支持255个设备，传感器节点可大量散布在森林监控区域内，同时在每隔一定距离范围内设立一个网络基站节点，使得数据能有效传输，传感器网络节点能覆盖较大范围，且在数据传输的通路上布置密度高于协议密度的只具有数据传输功能的节点，使数据能够在网格线上沿多条路径传递，在部分节点失效的情况下仍能正常工作，这样就大幅扩大了网络的监控范围，标准配置下网络节点可覆盖方圆3～9km的范围，而一般情况下人工观测的范围只能在方圆4km左右，且极易受光照、能见度和天气等环境因素的影响，存在观测不到的死角和空白，在恶劣的环境下有时根本无法进行火灾监测。
ZigBee无线传感器网络体系结构包括传感器节点、路由器以及监控主机三部分。系统拓扑结构如图 1所示：
图1 系统拓扑结构
路由器节点主要是建立网络时控制网络拓扑结构和网络覆盖范围，网络稳定后对传感器节点发送到网络中的数据进行转发，建立ZigBee 网络；数据管理中心实时显示系统的运行状况和移动传感器节点，实时采集森林监测区域内的信息，然后发送到网络中，使用户可以实现对网络中节点的管理和设置。感器节点是一个微型嵌入式系统，它主要由数据采集模块、无线通讯模块和能量供应模块三个部分构成。传感器节点又分为固定传感器节点和移动传感器节点，移动传感器节点根据地理位置的不同和空间位置的关系分成若干个族，每个组由一固定传感器节点为族首。移动传感器节点随机地部署在森林内部或附近区域，采集大气相对湿度、空气温度等火灾监测参数，负责检测现场信息并将检测的信息发到族首，再由族首发到监控中心。传感器节点结构如图2所示：
图2传感器节点结构
传感器模块负责采集森林区域内大气相对湿度、空气温度参数和数据的模/数转换。无线通讯模块负责与其他的节点进行通讯，交换控制信息和收发数据。电源部分主要给传感器模块、无线通讯模块供电，负责节点的驱动，是决定网络生存期的关键因素。
四、监控主机的主要功能
（1）可以根据需要进行监测频次、报警指标等参数的设置，可根据用户需要设置状态参数或故障报警信号自动对数据的有效性进行判断；
（2）可对设备的监测数据进行保存，并制作工作日志；
（3）可判断系统运行状态正常与否，并可根据状态参数或故障报警信号等能自动对分析结果的有效性进行判断，对系统异常及参数超限进行报警；
（4）对各种数据分析、监控、浏览方便、操作简单，并可以对采集的数据进行统计、查询和编辑历史数据。
五、结束语
ZigBee无线传感技术具有低成本、易实现、数据传输可靠和低功耗等特点，非常适合于森林火灾监测。考该系统采用簇――树形式的网络拓扑结构相对于网状的拓扑结构，相对于网状的拓扑结构具有组网简单、 路径信息占用存储器容量小等优点，但其也要求网络的链路结构必须稳定可靠，另外网络的规模也受限制，需要在今后的研究中不断改进和优化。总之该方案的提出是森林火灾监测和预防方式的一种有益尝试和补充， 为无线传感器网络这一先进技术在森林火灾监测领域的推广应用提供了切实可行的硬件基础。