CN102548035A - 一种基于无线传感器网络的森林火灾定位报警系统 - Google Patents

一种基于无线传感器网络的森林火灾定位报警系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于无线传感器网络的森林火灾定位报警系统,涉及到无线传输及火灾监测领域,本发明由终端节点、汇聚节点组成,其中终端节点又分为协调器节点、路由器节点、采集节点三种类型,还公开了一种基于无线传感器网络的森林火灾监测、发现、定位、报警的方法以及终端节点安放的方法,利用终端节点的传感器对森林环境和志火点进行监测。本发明的优点在于:将无线传感器网应用于森林防火之中,并利用无线传感器网中任意终端节点的特征对起火点进行定位,并且整个网络中的所有节点都具有监测和定位的功能。利用zigbee以及嵌入式的优点构建出了一种低成本,低功耗,抗干扰强,实时性高的火灾定位报警系统。

Description

一种基于无线传感器网络的森林火灾定位报警系统
技术领域
[0001] 本发明涉及到无线传输及火灾监测领域,特别涉及到一种基于无线传感器网络的森林火灾定位报警系统。
背景技术
[0002] 无线传感器网络技术是21世纪的一种新型技术,它是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。无线传感器网络是传感器技术,嵌入式计算技术,无线通信技术,分布式信息处理技术的综合,其主要特点是低功耗、低成本、分布式和自组织。在整个无线传感器网络中,数据采集、处理、无线传输是其核心功能。
[0003] 我国无线传感器网络技术在国内起步较晚,目前主要处于理论研究阶段,在森林火灾监测方面并不常见。针对森林火灾的危害性,一旦出现森林火灾便不易控制,并且造成的危害极大。然而目前主要的防火措施主要有瞭望塔、视频监控系统、地面巡护、航空巡护、 卫星遥感等,主要存在不足是需要地面花费大量的人力、物力、财力进行核实,人工监视易造成肉眼疲劳,视频中的火情不易被查觉,造成漏报,并且成本较高。
[0004] 针对以上缺陷,本发明旨在提供一种基于无线传感器网络的森林火灾定位报警系统,能够对森林火灾进行实时的监测、定位及报警,充分利用了无线传感器网络的低成本、 低功耗、分布式、抗干扰性强、实时性的特点。
发明内容
[0005] 本发明的目的是通过组建一个无线传感器网络对森林火灾进行实时监测,快速识别,准确定位。并且具有低成本、低功耗、抗干扰强等特点。从而克服不能准确定位并做出及时反应的缺陷。
[0006] 本发明的目的是这样实现的,整个系统由布放在森林中的大量终端节点和位于监控中心的汇聚节点组成,终端节点直接布放在森林中,实时监测森林中火灾
的发生情况,并及时的向汇聚节点发送信息报告当前所处地域的信息,例如温度、位置等信息。森林中的大量的终端节点可以自组成一个网络,各节点之间可以相互通信,转发数据。而汇聚节点在收到森林中的终端节点的信息后进行分析,标记位置,并进行报警。
[0007] 其中所述的终端节点又可以分为负责环境信息采集的采集终端,负责路由数据的路由节点和负责组建网络的协调器节点。终端节点虽然具有不同的功能,但其硬件构成相同,只是在软件编程上进行控制来实现不同的功能。终端节点的结构框图如图I所示。组成终端节点主要分为四大模块:核心处理器模块,zigbee无线模块,传感器模块,电源模块。
[0008] 其中所述的核心处理器模块主要采用的是具有定位功能的CC2431芯片,依据此款芯片的定位功能可以准确的计算出当前节点相对于参考结点的位置,对发生火灾时准确的确定起火点提供了有力的保证,此处理器模块是基于工业级标准的8051单片机芯片,具有较强的稳定性,性能高,功耗低,接收灵敏度高,抗干扰强等特点。[0009] 其中所述的定位功是通过CC2431内部的定位引擎实现的。定位引擎用于估算无线网络中节点的位置。通常参考节点坐标已知,其他需要估计坐标的节点为“盲节点”。进行定位估计时,定位引擎需要获得31个参考节点的坐标值以及其他测量参数,定位引擎计算后的输出是一个节点的估计坐标。在定位引擎运行之前,必须使能定位引擎寄存器 LOCENG的第4位LOCENG. EN0当要停止定位引擎运行时,应往LOCENG. EN写入0关断引擎的时钟信号,从而降低CC2431的功耗。对定位引擎的操作主要就是对与定位引擎有关的寄存器的操作。
[0010] 其中所述的zigbee无线模块是终端节点能够实现无线传输的核心部件,所谓的 zigbee是IEEE802. 15. 4协议的无线通信标准,是无线传感器网络的支撑。它与蓝牙类似, 是一种短距离无线传输方式,但相比蓝牙来说具有更好的性能。其协议主要分为四层:物理层,媒体访问控制层,网络层和应用层,通过这四层使得位于同一网络环境中的各种设备自由的进行通信。通过zigbee协议栈可以实现三种不同类型的节点。
[0011] 其中所述的传感器模块主要是连接烟雾传感器,温湿度传感器,通过传感器采集环境信息,通过在森林中布置大量这样的节点,组成一个网络形成了对森林
的无缝监测。一旦森林中出现烟雾或者是火源,便会及时的做出响应,达到早发现的目的。并通过处理器模块的定位功能确定着火位置,并反馈到汇聚节点。传感器模块是通过核心处理器的USARTO全功能串口实现的,
其中所述的电源模块主要是采用电池供电,基于终端节点的功耗低的特点,电池更换频率低。
[0012] 其中述的协调器节点负责建立一个新的网络,建成之后路由节点和采集终端便可以加入此zigbee网络中,这些主要是在软件层通过zigbee协议的原语实现的,协调器负责决定组建的网络的类型(例如星型,树型,网状型)。
[0013] 其中所述的路由器节点不能建立一个网络,只能以子结点的方式加入到协调器建立的网络中,当路由节点加入到网络之后便可以进行工作,主要任务包括数据帧路由、路由发现、接收其它设备的入网请求。
[0014] 其中所述的采集终端主要是负责对森林中的环境信息进行采集,如温度,湿度值, 并通过烟雾传感器时实的监测森林中火灾的发生,并将监测到的数据通过路由节点发送到汇聚节点进行处理、报警。
[0015] 其中所述的汇聚节点主要工作是完成对终端节点发送的数据进行响应,并作出相应的反应动作,例如通过对温度和湿度分析,当超过一定值之后便有可以发生自燃的情况。 此时需及时的发出警告信息以对该区域进行严密监控。当终端节点发来着火信息之后立刻发出火灾报警信号。汇聚节点如图2所示。汇聚节点由以下模块组成:核心处理器模块, zigbee模块,GPRS模块,LCD显示模块,SD卡模块。
[0016] 其中的处理器模块采用是一款嵌入式处理器,并在其上移植Iinux操作系统用于处理终端节点发送来的大量的数据,并对数据进行分析,采取相应动作。之所以采用嵌入式处理器是因为它对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求,能达到系统预定的性能。
[0017] 其中所述的嵌入式处理器采用的是PXA270处理器,此款处理器功能强大,数据处理能力强,性能稳定,实时性强,适用于处理紧急事件的发生。并在其上移植Iinux操作系统进行任务调度和管理,使其功能更强大,性能更高,外扩众多GPIO 口可以挂接更多的外部设备。
[0018] 其中所述的GPRS模块主要完成的任务是可以向上一级的控制中心发送数
据,实现远程监控的目的,同时上一级控制中心可以发送命令查询当前汇聚节点的数据。
[0019] 其中所述的IXD显示模块主要是显示终端节点采集的数据,供实时监控。PXA270 处理器分析完成数据之后一方面显示到IXD上,一方面进行存储备份。
[0020] 其中所述的SD卡模块主要的任务是存储终端节点采集的数据,供专家进行分析, 以确定每年的重点监控地域。
[0021] 本发明的优点在于:
I)、通过布放在监测区域的大量的传感器节点对森林进行实时监测,一旦有火灾发生便能及时的通知到汇聚节点而发出报警信息,并能准确快速的确定着火的位置,在得知准确位置之后便可以采取一些紧急措施,可以在起火初期将其扑灭,能避免重大财产损失。
[0022] 2)、对于大量的无线传感器节点,可以将其安放在树上,不但可以防止雨水冲刷, 也可以防止人为破坏,而且在信号有效范围内加大节点间的距离,这样可以节省节点的数量,降低成本。
[0023] 3)、本发明采用成熟的zigbee协议,使无线传输更加稳定,不会因某一节点的故障而影响到其它节点的工作。
[0024] 4)、本发明具有低功耗,高稳定性,实时性,低成本,体积小,抗干扰强等特点,完全适合于森林环境中。
附图说明
[0025] 附图I为终端节点的结构框图;
附图2为汇聚节点结构框图。
具体实施方式
[0026] 本发明的具体工作过程是:
首先,协调器建立一个网络。
[0027] 其次,路由器或采集终端通过信道的能量扫描加入到网络中,加入网络之后
便可以进行工作,路由节点负责管理其它采集终端或者路由节点的加入各路由工作, 终端节点负责采集环境信息,并监控火源的发生,所有的终端节点都通过这种方式加入到网络中,最终形成一个大的无线网络传感器网络。
[0028] 再次,终端节点加入成功之后便采集数据并通过路由节点的路由功能和其它节点的转发功能,将数据最终传递到汇聚节点进行相应处理。
[0029] 最后,汇聚节点在收到终端节点发来的信息之后,对信息进行识别,并标记节点所在的位置,维护一个节点IP地址及对应地理位置以及此区域的环境信息的信息表,当有起火信息发送到来时准确的确定起火的位置进行报警。
[0030] 结合系统的工作流程和附图描述实现系统的过程。
[0031] 在系统的实现过程中各个节点协调工作,因为系统实现的是网状形网络,终端节点数量越多,路由越多,系统越稳定。由于监测的环境原因系统采用了 zigbee协议作为数据发送和接收的方式,而对于zigbee协议节点最大数量可以为65000个,完全满足森林这样大的监测区域。如附图I所示,针对核心处理器模块选用的是CC2431芯片,因为这款芯片很好的支持了 zigbee协议,在开发过程中只需将zigbee协议栈移植到CC2431上即可, 可据不同的宏定义来控制节点的发送或者接收能力,以及实现节点的不同功能,例如协调器节点,路由节点等不同功能的节点,只需对协议栈进行控制便可以实现。如附图I所示, 使用CC2431的全功能引脚实现了 RS232接口,通过RS232接口可以对终端节点进行调试, 程序下载等功能。
[0032] CC2431在芯片上整合了 zigbee射频(RF)前端,节点通过此射频前端对数据进行收发,从而避免了布线难等困难,RF传输距离一般在10到100米之间,芯片核心是一个8位的8051内核,可编程I/O引脚21个。
[0033] 通过附图I中的传感器模块对环境中的数据进行采集,然后经过核心8051的处理,将数据通过RF发送到其父节点,父节点再直接或通过其它节点将数据转发到汇聚节点,汇聚节点同样通过RF端进行接收,如附图2。对于终端节点,数据的发送和接收不能同时进行,但这并不影响整个网络以及实时性。终端节点的定位功能是本发明的核心功能,对于每个终端节点都有与其对应的IP地址,并通过相应的算法便能计算出终端节点距离参考节点的位置,因此在安放节点初期要确定好相关参考节点的位置,一旦确定便不再更改位置,汇聚节点根据IP
地址建立相应的参考节点位置表,根据参考节点构建起邻居节点的位置表。在以后接收到终端节点的信息之后便能准确的定位节点所在的区域。
[0034] 对于汇聚节点核心是处理器模块,因为汇聚节点上移植了 Iinux操作系统,因此能很好的处理从zigbee接收到的数据,并将数据及时的显示到IXD上面,
供监测人员查询,其中数据的显示与存储是同时进行的,对于汇聚节点的Iinux内核是经过剪切的内核,只将系统能用到的模块编译进内核,例如SD卡驱动、LCD驱动。并在汇聚节点上加入了 GPRS模块,实现远程监控,通过GPRS可以在更远的地方对系统进行监控, 数据通过GPRS传送到上一级控制中心。
[0035] 整个系统以汇聚节点为中心组成一个网状网,监控其所在的森林区域,网络中的所有节点都可以相互通信,转发信息,但最终数据都将发送到汇聚节点进行处理。通过此无线传感器网可以实现对森林的实时无缝监测。

Claims (5)

1. 一种基于无线传感器网络的森林火灾定位报警系统,其特征在于,该系统包括: 终端节点:负责森林环境中温湿度的采集,火灾的监测及定位,数据的转发和接收等功汇聚节点:接收终端节点的数据,并对接收的数据进行分类,建立终端节点位置表,将不同终端节点发来的信息记录在对应的位置上,以便在发生火灾时达到准确定位的目的。
2.根据权利要求I所述的基于无线传感器网络的森林火灾定位报警系统,其特征在于,所述终端节点进一步包括:核心处理器模块,负责数据的处理,控制接收和发送数据,支持zigbee协议栈;RS232模块,用于下载程序并调试节点和连接串口打印调试信息的功能;传感器模块,负责采集森林环境的温度和湿度信息,监控并定位火灾的发生; zigbee模块,是zigbee协议栈的载体,对数据进行封装,并实现三种不同类型的节点; 电源模块,负责为终端节点供电。
3.如权利要求2所述的基于无线传感器网络的森林火灾定位报警系统,其特征在于, 所述的三种不同类型的节点是:协调器节点,负责整个无线传感器网络的建立,供其它节点加入;路由器节点,作为采集节点的父节点,维护一个路由表,对数据进行转发;采集节点,负责森林的温度湿度采集,并发送数据到父节点。
4.根据权利要求I所述的基于无线传感器网络的森林火灾定位报警系统,其特征在于,所述汇聚节点进一步包括:核心处理器模块,负责建立终端节点的位置表,并处理终端节点发来的信息,针对不同的数据做出不同的响应,报警的功能;SD卡模块,存储终端节点的数据,提供下载功能,供专业人士下载分析数据,确定重点监测区域;LCD显示模块,负责实时的显示各终端节点的位置及所采集的数据,供管理人员查看; GPRS模块,目的在于实现远程监控,可以使监控的距离更远,有利于对较大的森林的监控;zigbee模块,负责收发终端节点的数据,与终端节点进行通信。
5.根据权利要求I所述的基于无线传感器网络的森林火灾定位报警系统,其特征在于,所述的核心处理器模块进一步包括:PXA270处理器模块,作为一款嵌入式处理器负责数据的处理,主要应用在数据量较大的情况下,对数据进行分类建立地址表;操作系统模块,使用Iinux操作系统进行各种进程的创建和管理。
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