基于Zigbee的森林火灾监测系统技术方案

本实用新型专利技术属于预警系统技术领域，为了能实时监测森里里的温度、湿度以及烟雾等环境参数，本实用新型专利技术提供了一种基于Zigbee的森林火灾监测系统，包括无线通信连接的终端节点、协调器节点和远程控制系统，所述的终端节点包括Zigbee控制模块和传感器模块，协调器节点包括Zigbee控制面板和WIFI模块；传感器模块采集到的森林环境信号无线连接传输至协调器节点的Zigbee控制模块，Zigbee控制模块处理后的输出信号经2.4G通信传输至协调器节点的Zigbee控制面板，Zigbee控制面板进一步处理后的信号通过WIFI模块传输至远程监控系统。该系统可同时采集四中环境参数，实现对森林的全方位监测，且传感器模块具有可扩展性。

Forest fire monitoring system based on Zigbee

The utility model belongs to the field of warning system, in order to monitor the temperature, humidity and smoke forests and other environmental parameters, the utility model provides a forest fire monitoring system based on Zigbee, including the terminal node, wireless communication connection coordinator node and remote control system, the terminal node includes Zigbee control module the coordinator node and sensor module, including Zigbee control panel and WIFI module; sensor signal acquisition module to the forest environment wireless connection is transmitted to the coordinator node Zigbee control module, Zigbee output signal control module after treatment by 2.4G communications to the coordinator node of the Zigbee control panel, Zigbee signal control panel after further processing through the WIFI module to transmit to remote monitoring system. The system can collect the four environment parameters at the same time, and realize the omni-directional monitoring of the forest, and the sensor module is extensible.

【技术实现步骤摘要】
基于Zigbee的森林火灾监测系统
本技术属于预警系统
，具体涉及一种基于Zigbee的森林火灾监测系统。
技术介绍
森林资源是世界最宝贵的自然资源之一，森林火灾是森林最危险的敌人，也是林业最可怕的灾害。它会给森林带来最有害，具有毁灭性的后果。尽管当今科技技术正在日新月异地向前发展，但是人类在制服森林火灾上，却依然尚未取得长足的进展。因此，森林火灾预防和发现比扑灭更具现实意义。无线传感器网络具有自组织，部署便捷，抗毁能力强，成本低等特点，在诸多领域得到了广泛的应用，例如，军事、智能家居、环境监测和自然灾害预报以及医疗健康等。目前，无线传感器网络是一种廉价、方便的信息采集方法，尤其是在敌对和恶劣的网络应用环境下，传统的方法代价高昂因而几乎无法使用。因为森林火灾监测具有监测环境恶劣，监测面积大，同时传统的通信方式无法覆盖森林区域等特点，所以本系统采用Zigbee无线传感器网络实现森林火灾的监测。森林火灾监测系统通过控制部署方式向监测区域散布监测节点，以获取现场监测数据。相对于与传统的方式的监测方式具有灵活性，易扩展性以及低成本等优势。
技术实现思路
本技术的目的是为了能实时监测森里里的温度、湿度以及烟雾等环境参数，并将数据通过无线传感器网络传递至远程监控系统，当发现有问题能及时发出报警信息。本技术采用如下技术方案：一种基于Zigbee的森林火灾监测系统，包括无线通信连接的终端节点、协调器节点和远程监控系统，所述的终端节点包括Zigbee控制模块和传感器模块，协调器节点包括Zigbee控制面板和WIFI模块；传感器模块采集到的森林环境信号无线连接传输至协调器节点的Zigbee控制模块，Zigbee控制模块处理后的输出信号经2.4G通信传输至协调器节点的Zigbee控制面板，Zigbee控制面板进一步处理后的信号通过WIFI模块传输至远程监控系统。所述终端节点和协调器节点采用六边形无线传感器网格控制部署方式，终端节点在森林监测区域内呈连续的六边形网络布置，六边形的各角及六边形内侧共设置7个终端节点，协调器节点断点式线性设置于六边形终端节点网络中，协调器节点数量远远少于终端节点数量。所述森林监测区域内的终端节点（1）总数量N=N1+N2，N1为六边形边线上的终端节点数量，N2为六边形内的终端节点数量；所述N1=k*3*S/S六=k*（2/3）S/a2；N2=N1/6；其中，k-冗余修正系数，取值为1-1.2，S-森林监测区域面积，a-六边形边长。所述六边形边长a不大于任意传感器的最短探测距离L，一般取值为最短探测距离L相等，既能保证有效监测范围，又能避免数据的重复采集，造成节点设置浪费。所述Zigbee控制模块和Zigbee控制面板均采用CC2530作为主控芯片，主控芯片外接的硬件电路包括四个晶振电路，其中两个晶振电路为32M和32.768KHZ的外部晶振电路，另外两个晶振电路为16M和32KHz的内部RC震荡电路。所述的传感器模块包括空气温湿度传感器、土壤湿度传感器、雨滴传感器和烟雾浓度传感器。所述的空气温湿度传感器采用DHT11数字温度传感器，包括电阻式感湿元件和一个NTC测温元件。所述的土壤湿度传感器包括土壤探头和控制接口板，土壤探头采用LM393比较器，控制接口板上设有调节土壤湿度测量阀值的可变电位器R2。所述烟雾浓度传感器采用MQ-2气体传感器。所述的MQ-2气体传感器采用具有低导电率的二氧化锡作为气敏材料。本技术具有如下有益效果：1、本技术所述监测系统可同时采集四中环境参数，实现对森林的全方位监测，且传感器模块具有可扩展性；2、无线网络的拓扑结构采用基于六边形的控制部署和多协调器来代替传统的一对多的方式，保证了系统具有覆盖面子广，低功耗和高可靠性；3、该系统的硬件电路设计简单、可集成度高和可扩展性强；4、该系统节点的软件设计结构合理，数据通信采用组播的方式，数据传送的过程中数据加入辨别标识，数据传输的可靠性高；5、本系统中监控界面具有简洁、适用和可操作性强的特点，适合进行批量制作，推广适用。附图说明图1为该系统的整体框图；图2为传感器网络拓扑结构图；图3为Zigbee控制电路原理图；图4为温湿度传感器的电阻式感湿元件的电路图；图5为NTC测温元件的电路图；图6为雨滴传感器的电路图；图7为土壤湿度传感器的土壤探头电路图；图8为土壤湿度传感器的控制接口板电路图；图9、10为烟雾浓度传感器的电路图；图11为终端节点软件设计流程图；图12为协调器节点软件设计流程图；图中：1-终端节点、2-协调器节点、3-远程监控系统、4-监测区域。具体实施方式结合附图，对本技术的具体实施方式作进一步说明：森林火灾监控系统主要是用来监测森里里的温度、湿度以及烟雾等环境参数，并将数据通过无线传感器网络传递至远程监控系统。如果发现有问题及时发出报警信息。1系统总体设计1.1系统总体框图图1为本技术的系统总体框图，该系统主要有终端节点、协调器节点以及远程监控系统三部分组成。终端节点是系统的基础硬件单元。终端节点以自组织的方式组网，将利用各传感器采集到的环境信息（包括空气温湿度、土壤湿度、雨量、烟雾气体浓度）传播到协调器节点。协调器节点（即Zigbee控制面板）将汇聚的各个节点的信息通过卫星或者互联网传送至远程监控系统。用户可以通过手机上或者PC机上安装的上位机软件来监控各个节点的环境信息。1.2节点的拓扑结构节点部署即覆盖问题是无线传感器网络研究的关键问题之一。有效的节点部署可以实现用最少的节点采集到最准确完整的信息，并能够减少节点对冗余信息的处理，节省节点的能源损耗。节点部署方式主要分为控制部署和随机部署两种。随机部署主要通过飞机散播，如果节点比较廉价且监控区域环境比较恶劣可以采用这种方式。控制部署指数据收集区域预先确定，可以通过规则的网格来划分数据收集区域。控制部署多采用基于网格的部署，常见的有三角形、正方形和六边形网格。由于随机部署方式目前仍然是一种理想的部署方式，应用于实践还有很多待解决的问题，同时六边形网格控制部署相对于其他两种控制部署方式，具有有效利用面积大且所用节点最少等优点，因此，本技术森林防火系统采用的是基于六边形的无线传感器网络控制部署技术。无线传感器的网络拓扑结构图如图2所示，主要包括终端节点和协调器节点两种。传统的传感器网络中密集的终端节点大多通过网络中唯一的协调器节点将数据信息传送至用户终端或控制中心，使无线传感器网络在能耗均衡性、可靠性等诸多方面均面临着很大的问题。本系统的传感器网络采用多协调器节点贯穿于传感器网络中，不仅减轻了终端节点多跳的能耗，同时也减轻了单个协调器节点的负担，保证了系统的稳定性。终端节点的探测范围主要由传感器系统决定。包含有多个传感器的终端节点，其探测范围由探测距离最短的那个传感器决定。终端节点的探测距离同时决定了六边形的边长。假设烟雾传感器探测距离为最短的那个传感器为1M，则六边形部署的边长为1m，根据六边形公式就是7个节点可以覆盖约2.6平方米。七个节点中，边线上的每个节点都可以复用。因此1000平方米的森林需要1000/2.6*6/2=1153.8个处于六边形边线上的终端节点。需要1153.8/6=192个六边形。所以总的终端节本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于Zigbee的森林火灾监测系统，其特征在于：包括无线通信连接的终端节点（1）、协调器节点（2）和远程监控系统（3），所述的终端节点（1）包括Zigbee控制模块和传感器模块，协调器节点（2）包括Zigbee控制面板和WIFI模块；传感器模块采集到的森林环境信号无线连接传输至协调器节点（2）的Zigbee控制模块，Zigbee控制模块处理后的输出信号传输至协调器节点（2）的Zigbee控制面板，Zigbee控制面板进一步处理后的信号通过WIFI模块传输至远程监控系统（3）。

【技术特征摘要】
1.一种基于Zigbee的森林火灾监测系统，其特征在于：包括无线通信连接的终端节点（1）、协调器节点（2）和远程监控系统（3），所述的终端节点（1）包括Zigbee控制模块和传感器模块，协调器节点（2）包括Zigbee控制面板和WIFI模块；传感器模块采集到的森林环境信号无线连接传输至协调器节点（2）的Zigbee控制模块，Zigbee控制模块处理后的输出信号传输至协调器节点（2）的Zigbee控制面板，Zigbee控制面板进一步处理后的信号通过WIFI模块传输至远程监控系统（3）。2.根据权利要求1所述的基于Zigbee的森林火灾监测系统，其特征在于：所述终端节点（1）和协调器节点（2）采用六边形无线传感器网格控制部署，终端节点（1）在森林监测区域内呈连续的六边形网络布置，六边形的各角及六边形内侧共设置7个终端节点（1），协调器节点（2）断点式线性设置于六边形终端节点（1）网络中，协调器节点（2）数量少于终端节点（1）数量。3.据权利要求2所述的基于Zigbee的森林火灾监测系统，其特征在于：所述六边形边长a不大于任意传感器的最短探测距离L。4.根据权利要求3所述的基于Zigbee的森林火灾监测系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟青，苏鑫，李岩，韩雨龙，郭鹏伟，董严，卢志勇，李德禄，刘佳民，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：新型
国别省市：山西,14