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)會造成國家資源的嚴重損失,而面對大面積的森林,人工的防火方式顯得太簡陋,且只能做一些防備措施,并不能主動實時地監(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位置的數(shù)據(jù),包括地理位置、空氣的濕度、溫度、氣壓、光強度以及風(fēng)向等等,并定時把收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)分析中心,以便明確森林的各項指標,及時地了解森林的各種情況,防患于未然,能在第一時刻消除隱患,減少人力、物力的浪費和經(jīng)濟損失。如果運用有線的設(shè)備對森林進行監(jiān)控顯然是不符合客觀實際的,因為在森林中大范圍地布線,錯綜復(fù)雜,不具備可行性。ZigBee具功率小、成本低等優(yōu)點,非常適宜用于森林防火系統(tǒng)。它可以構(gòu)架一個較大范圍的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),用于監(jiān)測森林的各項指標,收集必要的信息,傳到指揮中心,進行數(shù)據(jù)分析,從而對森林的情況進行實時監(jiān)控。1.ZigBee技術(shù)介紹ZigBee速率的無線通訊技術(shù)主要適用于自動控制、傳輸、傳感、監(jiān)控和遠程控制等領(lǐng)域可以嵌入各種設(shè)備中同時支持地理定位功能。它的物理層、MAC層和鏈路層采用了IEEE802.15.4(個人無線局域網(wǎng))協(xié)議標準,并在此基礎(chǔ)進2.4GHz、915MHz、868MHz頻段非常適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。ZigBee在森林防火系統(tǒng)中的應(yīng)用無線傳感器網(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,這些節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成無線網(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,可以實現(xiàn)對任意地點信息在任意時間的采集、處理和分析。一個典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)由分布式傳感器節(jié)點、路由器節(jié)點、互聯(lián)網(wǎng)和用戶界面等組成。在這個網(wǎng)絡(luò)中,傳感器節(jié)點通過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網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通過internet或者衛(wèi)星傳到遠程的控制中心進行集中的處理。ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)ZigBeeZigBeeZigBee路由器、ZigBee終端設(shè)備組成ZigBee協(xié)調(diào)器負責(zé)管理和維護網(wǎng)絡(luò)包括路由、安全性、節(jié)點的附著與離開等等。ZigBee3種拓撲結(jié)構(gòu)。在這里采用簇狀的拓撲結(jié)構(gòu)，做法是將網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點分為若干個簇,每個簇相當(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)覆蓋面積的實際情況決定。ZigBee傳輸范10~75m之間75m。每個簇選舉一個簇頭用于接收本簇內(nèi)所有節(jié)點送來的數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合功能ZigBee協(xié)調(diào)器。同時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。簇頭應(yīng)位于所劃分的簇的較為中心的位置使得每個節(jié)點和它的傳輸距離大致相同各個節(jié)點的功耗分布較為均勻從而避免某些節(jié)點由于傳輸距離較遠而造成能量的過多消耗。每當(dāng)加入新節(jié)點或廢棄失效節(jié)點,網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)將發(fā)生動態(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)控主機發(fā)出對森林各項情況指標進行查詢的請求命令internet傳到路由器。路由器根據(jù)請求命令的具體要求ZigBee協(xié)調(diào)器接ZigBee協(xié)調(diào)器根據(jù)命令選擇所要查詢的簇;控制命令以后激活本簇內(nèi)的所有節(jié)點進行通信。節(jié)點及時采集數(shù)據(jù)經(jīng)過數(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外部網(wǎng)絡(luò)傳給控制中心?？刂浦行膶?shù)據(jù)進行處理、分析,了解這個區(qū)域ZigBeeMAC層都64IEEE地址16位短地址來減少數(shù)據(jù)包大小。在放置節(jié)點時把節(jié)點的編號和節(jié)點放置的地理位置相對應(yīng)并輸入控制中心的數(shù)據(jù)庫。這樣只要記錄下終端地址再根據(jù)節(jié)點編號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)以后通過對數(shù)據(jù)的分析根據(jù)溫度、濕度、氣壓、光強度等信息的計算可以評估出是否超過了火災(zāi)險情的界限準確找到發(fā)送危險信息的地理位置及時處理險情。硬件設(shè)備設(shè)計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)采集單元負責(zé)監(jiān)測區(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、光強度、大氣壓傳感器和風(fēng)向測試設(shè)備以及數(shù)模轉(zhuǎn)換單元;數(shù)據(jù)處理單元負責(zé)控制整個節(jié)點的處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理、任務(wù)管理等;數(shù)據(jù)傳輸單元負責(zé)與簇頭進行無線通信,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工作在低耗電待機模式下6個月到兩年時間甚至更長。這是ZigBee的突出優(yōu)勢,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時間對環(huán)境的數(shù)據(jù)進行收集不需頻繁更換電池?？刂浦行亩〞r對網(wǎng)絡(luò)進行訪問每隔一段時間接收來自節(jié)點的數(shù)據(jù)。所以節(jié)點不是一直都處于工作狀態(tài)中當(dāng)需要收集數(shù)據(jù)的時候就喚醒節(jié)點在數(shù)據(jù)采集完畢以后令節(jié)點進入休眠狀態(tài)ZigBee的響應(yīng)速度較快在平時不進行數(shù)據(jù)采集的時候可以讓其進入睡眠狀態(tài)節(jié)約電能。在電源管理方面ZigBee傳感器,就會比普通的節(jié)點耗能,所以應(yīng)攜帶更大功率的電池。ZigBee節(jié)點硬件設(shè)備設(shè)計需要注意以下幾個方面:第一,ZigBee傳感器節(jié)點的低耗電量,如果使用紐扣電池或者在陽光較為充足的地方直接采用太陽能更能延長節(jié)點設(shè)備的使用周期甚至于可以使節(jié)點體積縮小到火柴盒大小。第二是防腐防潮，節(jié)點設(shè)備隨機地位于森林中由于長期日曬雨淋,甚至浸泡于水中,防腐防潮是節(jié)點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)點的震動從而影響數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。只有節(jié)點具備一定的防震措施才能更可靠地保證節(jié)點的安全性和數(shù)據(jù)傳輸。安全性安全性對于個人無線局域網(wǎng)來說是極其重要的,ZigBee安全機制由安全服務(wù)提供層提供。IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)MAC層的安全機制,MAC命令幀、信標幀和MAC層的安全機制來做到的(如網(wǎng)絡(luò))的安全機制來保證的。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層采用了兩個措施ARQ和幀緩存。當(dāng)一幀傳給一個設(shè)備時如果接受設(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)備就暫時緩存該幀直到收端能接收該幀。這種安全機制使得整個網(wǎng)絡(luò)具有高的穩(wěn)定性和可靠性便于維護。結(jié)