基于 ZigBee的傳感器網(wǎng)絡(luò)在森林防火系統(tǒng)應(yīng)用

基于ZigBee的傳感器網(wǎng)絡(luò)在森林防火系統(tǒng)應(yīng)用森林是與人類(lèi)生存息息相關(guān)的一種重要的生態(tài)資源。眾所周知,森林火災(zāi)會(huì)造成國(guó)家資源的嚴(yán)重?fù)p失,而面對(duì)大面積的森林,人工的防火方式顯得太簡(jiǎn)陋,且只能做一些防備措施,并不能主動(dòng)實(shí)時(shí)地監(jiān)控森林的具體情況。由于森林多木,地形復(fù)雜且較為廣闊,不易于管理,在干旱高溫季節(jié)極有可能引發(fā)火災(zāi),因此森林防火顯得極為重要。森林防火需要收集位于森林各個(gè)位置的數(shù)據(jù),包括地理位置、空氣的濕度、溫度、氣壓、光強(qiáng)度以及風(fēng)向等等,并定時(shí)把收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)分析中心,以便明確森林的各項(xiàng)指標(biāo),及時(shí)地了解森林的各種情況,防患于未然,能在第一時(shí)刻消除隱患,減少人力、物力的浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。如果運(yùn)用有線的設(shè)備對(duì)森林進(jìn)行監(jiān)控顯然是不符合客觀實(shí)際的,因?yàn)樵谏种写蠓秶夭季€,錯(cuò)綜復(fù)雜,不具備可行性。ZigBee具功率小、成本低等優(yōu)點(diǎn),非常適宜用于森林防火系統(tǒng)。它可以構(gòu)架一個(gè)較大范圍的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),用于監(jiān)測(cè)森林的各項(xiàng)指標(biāo),收集必要的信息,傳到指揮中心,進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,從而對(duì)森林的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。1.ZigBee技術(shù)介紹ZigBee速率的無(wú)線通訊技術(shù)主要適用于自動(dòng)控制、傳輸、傳感、監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域可以嵌入各種設(shè)備中同時(shí)支持地理定位功能。它的物理層、MAC層和鏈路層采用了IEEE802.15.4(個(gè)人無(wú)線局域網(wǎng))協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),并在此基礎(chǔ)進(jìn)2.4GHz、915MHz、868MHz頻段非常適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。ZigBee在森林防火系統(tǒng)中的應(yīng)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于森林防火系統(tǒng),需要在森林中由人工散布節(jié)點(diǎn),這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式構(gòu)成無(wú)線網(wǎng)絡(luò),以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中所需要的信息,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意地點(diǎn)信息在任意時(shí)間的采集、處理和分析。一個(gè)典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)由分布式傳感器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、互聯(lián)網(wǎng)和用戶(hù)界面等組成。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中,傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)多跳中繼的方式將數(shù)據(jù)傳到路由器上,最后由路由器將所收集的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通過(guò)internet或者衛(wèi)星傳到遠(yuǎn)程的控制中心進(jìn)行集中的處理。ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBeeZigBeeZigBee路由器、ZigBee終端設(shè)備組成ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)管理和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)包括路由、安全性、節(jié)點(diǎn)的附著與離開(kāi)等等。ZigBee3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這里采用簇狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，做法是將網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)分為若干個(gè)簇,每個(gè)簇相當(dāng)于是一塊較為固定的自組織網(wǎng)絡(luò)。簇的范圍由網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積的實(shí)際情況決定。ZigBee傳輸范10~75m之間75m。每個(gè)簇選舉一個(gè)簇頭用于接收本簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)送來(lái)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合功能ZigBee協(xié)調(diào)器。同時(shí)ZigBee協(xié)調(diào)器的控制命令,并發(fā)送給本簇內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)。簇頭應(yīng)位于所劃分的簇的較為中心的位置使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)和它的傳輸距離大致相同各個(gè)節(jié)點(diǎn)的功耗分布較為均勻從而避免某些節(jié)點(diǎn)由于傳輸距離較遠(yuǎn)而造成能量的過(guò)多消耗。每當(dāng)加入新節(jié)點(diǎn)或廢棄失效節(jié)點(diǎn),網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將發(fā)生動(dòng)態(tài)的變化絡(luò)的重構(gòu)和自我調(diào)整。數(shù)據(jù)傳輸流程先由監(jiān)控主機(jī)發(fā)出對(duì)森林各項(xiàng)情況指標(biāo)進(jìn)行查詢(xún)的請(qǐng)求命令internet傳到路由器。路由器根據(jù)請(qǐng)求命令的具體要求ZigBee協(xié)調(diào)器接ZigBee協(xié)調(diào)器根據(jù)命令選擇所要查詢(xún)的簇;控制命令以后激活本簇內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。節(jié)點(diǎn)及時(shí)采集數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換后發(fā)送給簇頭再由簇頭傳給ZigBee協(xié)調(diào)器,然后發(fā)回到路由器繼而通過(guò)外部網(wǎng)絡(luò)傳給控制中心?？刂浦行膶?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析,了解這個(gè)區(qū)域ZigBeeMAC層都64IEEE地址16位短地址來(lái)減少數(shù)據(jù)包大小。在放置節(jié)點(diǎn)時(shí)把節(jié)點(diǎn)的編號(hào)和節(jié)點(diǎn)放置的地理位置相對(duì)應(yīng)并輸入控制中心的數(shù)據(jù)庫(kù)。這樣只要記錄下終端地址再根據(jù)節(jié)點(diǎn)編號(hào)就可以很容易確定傳感器的地理位置。在控制中心收到數(shù)據(jù)以后通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析根據(jù)溫度、濕度、氣壓、光強(qiáng)度等信息的計(jì)算可以評(píng)估出是否超過(guò)了火災(zāi)險(xiǎn)情的界限準(zhǔn)確找到發(fā)送危險(xiǎn)信息的地理位置及時(shí)處理險(xiǎn)情。硬件設(shè)備設(shè)計(jì)ZigBee(RFD),它可以和簇頭或者協(xié)調(diào)器直接通信。它由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和電源管理單元4部分組成。數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，包括了森林中空氣的溫度、濕度、光強(qiáng)度、大氣壓傳感器和風(fēng)向測(cè)試設(shè)備以及數(shù)模轉(zhuǎn)換單元;數(shù)據(jù)處理單元負(fù)責(zé)控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理、任務(wù)管理等;數(shù)據(jù)傳輸單元負(fù)責(zé)與簇頭進(jìn)行無(wú)線通信,交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù);電源管理單元選通所用到的傳感器。ZigBee工作在低耗電待機(jī)模式下6個(gè)月到兩年時(shí)間甚至更長(zhǎng)。這是ZigBee的突出優(yōu)勢(shì),特別適合應(yīng)用于低成本的傳感器網(wǎng)絡(luò)。把它放入森林里可以長(zhǎng)時(shí)間對(duì)環(huán)境的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集不需頻繁更換電池?？刂浦行亩〞r(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訪問(wèn)每隔一段時(shí)間接收來(lái)自節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。所以節(jié)點(diǎn)不是一直都處于工作狀態(tài)中當(dāng)需要收集數(shù)據(jù)的時(shí)候就喚醒節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)采集完畢以后令節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)ZigBee的響應(yīng)速度較快在平時(shí)不進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的時(shí)候可以讓其進(jìn)入睡眠狀態(tài)節(jié)約電能。在電源管理方面ZigBee傳感器,就會(huì)比普通的節(jié)點(diǎn)耗能,所以應(yīng)攜帶更大功率的電池。ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)備設(shè)計(jì)需要注意以下幾個(gè)方面:第一,ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)的低耗電量,如果使用紐扣電池或者在陽(yáng)光較為充足的地方直接采用太陽(yáng)能更能延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的使用周期甚至于可以使節(jié)點(diǎn)體積縮小到火柴盒大小。第二是防腐防潮，節(jié)點(diǎn)設(shè)備隨機(jī)地位于森林中由于長(zhǎng)期日曬雨淋,甚至浸泡于水中,防腐防潮是節(jié)點(diǎn)外包裝所必須具備的條件。第三是防震，由于森林中颶風(fēng)、雷電等自然現(xiàn)ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)的震動(dòng)從而影響數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。只有節(jié)點(diǎn)具備一定的防震措施才能更可靠地保證節(jié)點(diǎn)的安全性和數(shù)據(jù)傳輸。安全性安全性對(duì)于個(gè)人無(wú)線局域網(wǎng)來(lái)說(shuō)是極其重要的,ZigBee安全機(jī)制由安全服務(wù)提供層提供。IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)MAC層的安全機(jī)制,MAC命令幀、信標(biāo)幀和MAC層的安全機(jī)制來(lái)做到的(如網(wǎng)絡(luò))的安全機(jī)制來(lái)保證的。ZigBeeMAC、網(wǎng)絡(luò)或應(yīng))CSMA/CA(載波偵/)是一種非常有效的沖突控制方法,可以降低硬件的成本。ZigBee的信道接入方式采用這種方法能有效地減少幀的沖突。為抗干擾多徑衰落ZigBee在物理層采FA技術(shù)。為了保證幀的正確傳輸ZigBeeMAC層采用了兩個(gè)措施ARQ和幀緩存。當(dāng)一幀傳給一個(gè)設(shè)備時(shí)如果接受設(shè)備處于忙或者休眠狀態(tài)而不能接收該幀那么網(wǎng)絡(luò)的主協(xié)調(diào)設(shè)備就暫時(shí)緩存該幀直到收端能接收該幀。這種安全機(jī)制使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有高的穩(wěn)定性和可靠性便于維護(hù)。結(jié)