无线传感器网络课程设计-基于ZigBee的森林防火报警系统

1、课程设计说明书（无线传感网课程设计）题目: 基于ZigBee的森林防火报警系统 院 系： 计算机科学与工程学院专业班级： 物联网工程13-2班 学 号： 2013303064 学生姓名： 指导教师： 2015年 12月 11 日 1摘要随着无线网络技术的飞速发展和同益普及，低速、低功耗、低成本的ZigBee无线网络技术，已成为当前传感器网络及自动化控制领域中的一个重要研究课题。本论文对ZigBee技术进行广泛深入的分析和研究，使用ZigBee协议设计应用程序并结合硬件进行实验，主要研究工作如下：(1)介绍了ZigBee相关概念、应用前景和研究现状、体系结构、优缺点以及网络拓扑、设备类型、Zig

2、Bee网络的基本框架、功能、特点等内容。(2)对ZigBee网络层、应用层及ZigBee应用程序框架结构、功能进行了研究。分析了ZigBee协议栈的总体功能结构，着重讨论网络建立、路由机制、数据帧结构和数据传输模式、数据处理模式以及编程接口，展示了整个系统的应用程序编写过程。(3)分析了ZigBee设备组成结构及硬件设计思路。在具体介绍JN5121处理器模块、电源模块、时钟模块、存储器模块以及各个接口模块的基础上给出了硬件设计的整体方案及硬件原理图。(4)讨论了ZigBee网络与因特网的互联及数据交换方式。研究了WindowCE.net嵌入式操作的定制及嵌入式数据库的应用。 (5)组

3、建基于ZigBee技术的无线数据采集系统，以JN5121单片机和数字式温湿度传感器SHT10设计出了传感器网络节点，S3C2440控制器作为ZigBee网关。传感器节点通过无线通信方式将数据发送到ZigBee网关。ZigBee网关通过以太网网络将数据传输给监测中心主机，并对实验结果进行分析。该系统具有良好的人机交互界面和远程访问功能。良好的可移植性和扩展性，可以根据具体要求方便地在数据采集模块上进行传感器的扩充以实现更多功能 关键词：ZigBee技术，IEEE802.15.4，无线网络，WindowsCE.net目录摘要21 系统分析41.1课题背景41.2目的意义42 系统硬件设计52.1

4、FWI系统分析52.2 传感器节点设计62.2.1 无线通信模块62.2.2 传感器模块62.3 RS-232通信模块82.4 节点外围功能模块82.5 电源模块分析93 系统软件设计103.1 数据采集模块103.2 无线网络模块104 小结13参考文献14141 系统分析1.1课题背景森林是人类赖以生存和发展的重要自然资源之一，森林火灾的发生将会给国家财产造成重大损失，同时也对周围人员的生命安全构成威胁。据国家统计局统计，2010年我国发生火灾7723次，其中重大火灾和特别重大火灾26次；火场总面积达116243公顷，受害森林面积45761公顷；伤亡人数高达108人，其中死亡人数65人；其

5、它损失折合人民币11610.7万元。因此，对森林火灾的预警及检测系统的研究具有相当重要的意义。本文通过分析加拿大森林服务部门建立的Fire Weather index(FWI)系统即火险天气等级系统，设计了基于Zigbee无线传感网络的森林防火监控系统。对主要影响因子如温度、湿度、CO和烟雾浓度等环境信息进行数据采集，通过Internet传送给消防部门，实现对重点林区全天不间断监测，并且对采集的数据进行实时处理，对异常情况进行报警，比传统的“3S”方式（地理信息系统GIS、遥感RS、全球定位系统GPS）具有更高的可靠性和实时性。1.2目的意义森林火灾时森林最危险的敌人，也是林业最可怕的灾害，它

6、会给森林带来最有害，最具有毁灭性的后果。森林火灾不但烧毁成品的森林，伤害林内的动物，而且还降低森林的更新能力，引起土壤贫瘠和破坏森林涵养水源的作用，甚至导致生态环境失去平衡。尽管当今世界的科学在日新月异地发展，但是人类在应对森林火灾上，却依然未取得长足的进步。建立森林防火系统能有效的降低森林火灾的发生率，从源头降低火灾发生的可能性。假若火灾已经发生，可以通过森林防火报警系统采集火灾现场温度、风向等数据，能够为消防人员提供准确的火灾现在信息，通过这些数据可以快速有效的扑灭森林火灾，大大降低财产损失。2 系统硬件设计通常来讲，无线传感网络包括传感器节点、汇聚节点和网关节点。本文节点硬件部分采用同一

7、种方式进行设计，无线传感网络节点主要包括以下几个部分组成：RF收发器、MCU和传感器。本文采用的核心芯片是Chipcon公司CC2430。CC2430延用了以往CC2420的架构，在单个芯片上整合了Zigbee射频（RF）前端、内存和微控制器。温度传感器、湿度传感器等器件，讲采集的数据传送给CC2430芯片，由CC2430进行数据处理并通过RS232接口模块发送给上位机。系统硬件结构如图2所示。2.1 FWI系统分析为研究森林火灾发生的可能性以及扩散程度，本文根据Canadian Forest Service(CFS)经过对林区数十年的研究建立的Fire Weather Index(FWI)系

8、统进行设计。FWI系统如图3所示。FWI系统通过气象观测估计出三类不同可燃物中水分含量。然后，根据估计值生成一系列指标，如潜在着火点、燃烧强度和燃烧损耗。 图3 FWI系统图依据FWI系统，本文进行了下列设计。传感器节点完成对环境参数进行数据采集，并通过CC2430控制器对数据进行处理及存储，然后将数据发送给上位机监控系统。2.2 传感器节点设计2.2.1 无线通信模块无线通信模块的好坏直接影响到节点的通信质量和能量利用效率。因此，本文无线通信部分选用Chipcon公司的CC2430。它使用1个8位MCU（8051），具有128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器（ADC）、几

9、个定时器（Timer）、AES128协同处理器、看门狗定时器（Watchdog timer）、32KHZ晶振的休眠模式定时器、上电复位电路（Power On Reset）、掉电检测电路（Brown out detection），以及21个可编程I/O引脚。CC2430芯片采用0.18umCMOS工艺生产，在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间得特性，特别适合那些要去电池寿命非常长的应用。2.2.2 传感器模块通过对加拿大森林服务部门建立的FWI系统分析，本文采用了DS18B20、HS1101和MS5540B分别对相应参数进行数据

10、采集。DS18B20是一种新型数字温度传感器，仅占用一根I/O数据线传输数据。其测量范围为55-125，在10-85之间精度为±0.5，测量数据准确可靠。图4为DS18B20的电路原理图。湿度传感器采用电容式HS1101，精度为2%，具有良好的线性输出。HS1101的响应时间比较短，只有5S左右，其湿度输出受温度的影响较小，量程为1%-99%，可以满足森林环境条件下的应用。图5为HS1101的电路原理图。MS5540B是SMD混合器件包括精确压阻式压力传感器和ADC接口的IC。它是MS5534B气压计/高度计模块的微型版本，并且依靠电压提供了16位的压力和温度参数。MS5540B是低

11、电压，低功耗的器件，且带自动断电开关。3线接口则可满足与微处理器的各种通讯。与MS5534A相比，改进了压力范围（测量降到了10mbar）。2.3 RS-232通信模块通信模块选用MAXIM公司的MAX3232。MAX3232采用低压差发送器输出级，利用双电荷泵在3.0V至5.5V电源供电时能够实现真正的RS-232性能。该芯片在最差工作条件下能够保证120kbps的数据速率。由于本系统的工作环境十分恶劣，因此MAX3232更加确保了通信的稳定性和可靠性。电路的硬件连接如图6所示。DB9是RS-232通信端子，2脚RXD用来接收数据，3脚TXD用来发送数据。两个引脚分别连接MAX3232的14

12、脚和13脚，完成上位机通信和CC2430模块的程序下载。图6 串口硬件连接图2.4 节点外围功能模块AT45DB041是ATMEL公司的新型FLASH芯片。该芯片具有容量大、读写速度快、外围电路少等诸多优点，更为重要的是该芯片可最低工资在2.5V，工作电流仅为4mA，因此在移动通信、便携等场合得到了广泛的应用。节点外部存储模块电路如图7所示。图7 节点外部存储模块电路2.5 电源模块分析对于无线传感网络节点来说，电源模块的设计好坏尤为重要，它决定着传感器网络的寿命。由于本设计针对的是森林防火系统，传感网络节点处于比较复杂的环境下，因此其能源不可能来自于工业电能，只能依赖于自身存储和自然界的给予

13、。本系统要求全天候监测周围环境，又由于无线传感网络节点部署范围较广，因此，常用的干电池供电也不可取。为了解决此问题，本文采用太阳能供电系统。该系统包括太阳能电池组、充电控制器和蓄电池三部分。充电控制器主要作用是提高蓄电池使用寿命，同时保护蓄电池，以免发生过充和过放现象。3 系统软件设计节点的软件分为数据采集和无线网络两个分别设计的模块。3.1 数据采集模块传感器采集的数据通过DATA（定义CC2430的引脚P1.0用于DATA）线直接读取，控制流程如图8所示。首先一组启动传输时序进行数据传输的初始化，然后发送一组测量命令，释放DATA线，等传感器下拉DATA至低电平，表示测量结束。将测量结果通

14、过串口通信商传给控制器，进行数据处理。3.2 无线网络模块无线通信模块的任务是将传感器采集并由控制器存储、处理的数据进行转发。本文采用统一设计的思路，即簇节点与单一节点设计方法采用相同结构。因此，无线传感网络是一个字组织网络，需要对节点进行分级以区分不同节点在网络中的地位。无线网络建立过程如图9所示。系统上电后首先进行初始化，然后节点向基站发送分级请求。节点收到基站的分级后讲自身信息发送回基站，由此确定该节点级别。如果基站没有应答，则向周围节点发送信息从而得出自身级别，然后将自身信息发送给网络成员，完成后将自身信息发送给基站，系统进入低功耗模式等待数据传输。图9 无线通信模块流程图4 小结森林

15、是人类赖以生存和发展的重要自然资源之一，森林火灾的发生将会给国家财产造成重大损失，同时也对周围人员的生命安全构成威胁。据国家统计局统计，2010年我国发生火灾7723次，其中重大火灾和特别重大火灾26次；火场总面积达116243公顷，受害森林面积45761公顷；伤亡人数高达108人，其中死亡人数65人；其它损失折合人民币11610.7万元。因此，对森林火灾的预警及检测系统的研究具有相当重要的意义。本文通过分析加拿大森林服务部门建立的Fire Weather index(FWI)系统即火险天气等级系统，设计了基于Zigbee无线传感网络的森林防火监控系统。对主要影响因子如温度、湿度、CO和烟雾浓度等环境信息进行数据采集，通过Internet传送给消防部门，实现对重点林区全天不间断监测，并且对采集的数据进行实时处理，对异常情况进行报警，比传统的“3S”方式（地理信息系统GIS、遥感RS、全球定位系统GPS）具有更高的可靠性和实时性。通过为期一个月的深入学习，通过构建具有数据融合技术的、通信量小的、实时性强的检测系统，实现了无线传感网络低功耗和长时间工作，为工作带来巨大方便。该系统可以解决传统检测设施建设成本高、安装复杂、维护困难等问题，可以更好的起到森林防火的检测以及及时的处理。