基于ZigBee无线传感器网络的森林环境监测系统

摘要：设计了一种基于ZigBee 无线传感器网络的森林环境监测系统； 描述了该系统的构成原理与整体结构，以及基于CC2430 芯片的传感器节点和网关的硬件设计和系统软件工作流程。采用的星-簇首-路由的拓扑结构，具有低成本、易于部署、使用寿命长等优点。森林环境监测是森林资源保护与管理的基础，是建设现代林业、实现森林科学经营的重要保障。第七次全国森林资源清查结果显示，仅森林的固碳释氧、涵养水源、保育土壤等6 项生态价值就超过了10.01万亿元。此外，森林是社会、经济发展不可或缺的资源，它作为陆地生态系统的主体，在减少温室气体排放中发挥着举足轻重的作用。因此，做好森林环境监测工作对于我国可持续发展和节能减排具有重要的价值与意义。

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。

3.2 网关设计

网关主要用于将监测数据由ZigBee 网络通过GPRS 网络传输到监控中心，以及数据的处理与存储。网关包括控制模块、电源模块、存储模块、射频模块、GPRS 无线通信模块以及其它I /O 接口（图3）.

图3 网关的结构

网关的数据流量远远高于传感器节点，需要较强的数据处理与控制能力，因此选用Atmel 公司生产的AT91SAM9261 微处理器。该处理器基于ARM926EJ-S 内核，是一款高性能、低功耗的32 位RISC 嵌入式处理器，时钟频率为190 MHz 时，处理能力高达210 MIPS; 外设全部启动时，工作电流只有65 mA. 射频收发模块是CC2430,负责与ZigBee 无线传感器网络进行双向通信。GPRS 无线通信模块选用Motorola 公司生产的G20,通过GPRS 网络与监控中心建立连接，实现数据的远程无线通信。

4 系统工作流程

为了降低能耗，系统采用休眠- 唤醒的工作方式。ZigBee 无线传感器网络中的节点并不是总处于工作状态，只有在接收到监控中心发送的查询数据命令时，节点被唤醒并转入工作状态，完成数据的采集与转发等工作； 否则，节点将处于休眠状态[9],系统工作流程如图4 所示。

系统启动后，首先完成设备的参数设定等初始化工作。ZigBee 协调器负责建立网络，并等待其它节点加入网络，随后节点进入休眠状态。监控中心通过GPRS 网络向ZigBee 网关发出查询数据的命令之后，协调器对隶属于它的簇网络进行通讯广播，唤醒需要查询数据的簇首，簇首再向本簇其它节点进行广播并唤醒休眠节点； 节点采集数据后再发送到簇首，簇首进行数据合成处理后沿原路反馈给网关； 最后，网关再通过GPRS 网络将数据传输到监控中心。

图4 系统工作流程

5 结论

本文设计了一种基于ZigBee 无线传感器网络的森林环境监测系统，采用星-簇首-路由的拓扑结构，既延长了网络生命周期，又保证了数据传输效率。传感器节点采用的CC2430 芯片具有低功耗、低成本等特点，适用于只能依靠电池供电的场合。系统能够实时监测大气相对湿度、温度等数据，并能通过检测烟雾浓度实现火灾预警，具有很好的实用性[10].

作者：狄飞 张莉君 来源：《福建农林大学学报(自然科学版)》