基于-ZigBee的传感器网络在森林防火系统应用

基于ZigBee的传感器网络在森林防火系统应用森林是与人类生存息息相关的一种重要的生态资源。众所周知,森林火灾会造成国家资源的严重损失,而面对大面积的森林,人工的防火方式显得太简陋,且只能做一些防备措施,并不能主动实时地监控森林的具体情况。由于森林多木,地形复杂且较为广阔,不易于管理,在干旱高温季节极有可能引发火灾,因此森林防火显得极为重要。森林防火需要收集位于森林各个位置的数据,包括地理位置、空气的湿度、温度、气压、光强度以及风向等等,并定时把收集到的相关数据传给数据分析中心,以便明确森林的各项指标,及时地了解森林的各种情况,防患于未然,能在第一时刻消除隐患,减少人力、物力的浪费和经济损失。如果运用有线的设备对森林进行监控显然是不符合客观实际的,因为在森林中大范围地布线,错综复杂,不具备可行性。ZigBee具功率小、成本低等优点,非常适宜用于森林防火系统。它可以构架一个较大范围的无线传感器网络,用于监测森林的各项指标,收集必要的信息,传到指挥中心,进行数据分析,从而对森林的情况进行实时监控。1.ZigBee技术介绍ZigBee是一种短距离、架构简单、低消耗功率和低传输速率的无线通讯技术,主要适用于自动控制、传输、传感、监控和远程控制等领域,可以嵌入各种设备中,同时支持地理定位功能。它的物理层、MAC层和链路层采用了IEEE802.15.4(个人无线局域网)协议标准,并在此基础进行了进一步的完善。它工作在2.4GHz、915MHz、868MHz频段,非常适用于无线传感器网络。2.ZigBee在森林防火系统中的应用无线传感器网络用于森林防火系统,需要在森林中由人工散布节点,这些节点通过自组织方式构成无线网络,以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中所需要的信息,可以实现对任意地点信息在任意时间的采集、处理和分析。一个典型的传感器网络的体系结构由分布式传感器节点、路由器节点、互联网和用户界面等组成。在这个网络中,传感器节点通过多跳中继的方式将数据传到路由器上,最后由路由器将所收集的整个网络的数据通过internet或者卫星传到远程的控制中心进行集中的处理。3.ZigBee网络拓扑结构ZigBee网络由ZigBee协调器、ZigBee路由器、ZigBee终端设备组成,且必须包括一台ZigBee协调器,负责管理和维护网络,包括路由、安全性、节点的附着与离开等等。ZigBee明确定义了星形、簇状和网状3种拓扑结构。在这里采用簇状的拓扑结构，做法是将网络中的所有节点分为若干个簇,每个簇相当于是一块较为固定的自组织网络。簇的范围由网络覆盖面积的实际情况决定。ZigBee传输范围一般介于10~75m之间,因此每两个相邻的簇节点之间的距离大约在75m。每个簇选举一个簇头,用于接收本簇内所有节点送来的数据,实现数据融合功能,并发送到ZigBee协调器。同时,也可以接收ZigBee协调器的控制命令,并发送给本簇内的所有节点。簇头应位于所划分的簇的较为中心的位置,使得每个节点和它的传输距离大致相同,各个节点的功耗分布较为均匀,从而避免某些节点由于传输距离较远而造成能量的过多消耗。每当加入新节点或废弃失效节点,网络的拓扑结构将发生动态的变化,因此这种结构也利于网络的重构和自我调整。数据传输流程:先由监控主机发出对森林各项情况指标进行查询的请求命令,通过卫星或者internet传到路由器。路由器根据请求命令的具体要求,选择ZigBee协调器,;接着ZigBee协调器根据命令选择所要查询的簇;当该簇头收到控制命令以后,激活本簇内的所有节点,进行通信。节点及时采集数据,经过数模转换后发送给簇头,再由簇头传给ZigBee协调器,然后发回到路由器,继而通过外部网络传给控制中心。控制中心对数据进行处理、分析,了解这个区域的森林实时情况。网络中所有设备的ZigBee的MAC层都拥有一个64位的IEEE地址,一般使用16位短地址来减少数据包大小。在放置节点时,把节点的编号和节点放置的地理位置相对应,并输入控制中心的数据库。这样只要记录下终端地址,再根据节点编号就可以很容易确定传感器的地理位置。在控制中心收到数据以后,通过对数据的分析,根据温度、湿度、气压、光强度等信息的计算,可以评估出是否超过了火灾险情的界限,准确找到发送危险信息的地理位置,及时处理险情。4.硬件设备设计ZigBee无线传感器网络的节点是削减功能设备(RFD),它可以和簇头或者协调器直接通信。它由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源管理单元4部分组成。数据采集单元负责监测区域内信息的采集和数据转换，包括了森林中空气的温度、湿度、光强度、大气压传感器和风向测试设备以及数模转换单元;数据处理单元负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理、任务管理等;数据传输单元负责与簇头进行无线通信,交换控制消息和收发采集数据;电源管理单元选通所用到的传感器。ZigBee工作在低耗电待机模式下,一块普通的碱性电池可支持一个节点工作6个月到两年时间,甚至更长。这是ZigBee的突出优势,特别适合应用于低成本的传感器网络。把它放入森林里,可以长时间对环境的数据进行收集,不需频繁更换电池。控制中心定时对网络进行访问,每隔一段时间接收来自节点的数据。所以节点不是一直都处于工作状态中,当需要收集数据的时候,就唤醒节点;在数据采集完毕以后,令节点进入休眠状态,减少耗能。ZigBee的响应速度较快,在平时不进行数据采集的时候可以让其进入睡眠状态,节约电能。在电源管理方面,簇头因为要较远的距离传输到ZigBee传感器,就会比普通的节点耗能,所以应携带更大功率的电池。ZigBee节点硬件设备设计需要注意以下几个方面:第一,鉴于ZigBee传感器节点的低耗电量,如果使用纽扣电池或者在阳光较为充足的地方直接采用太阳能,更能延长节点设备的使用周期,甚至于可以使节点体积缩小到火柴盒大小。第二是防腐防潮，节点设备随机地位于森林中,由于长期日晒雨淋,甚至浸泡于水中,防腐防潮是节点外包装所必须具备的条件。第三是防震，由于森林中飓风、雷电等自然现象和动物们随机的运动都有可能引起ZigBee传感器节点的震动,从而影响数据的接收和发送。只有节点具备一定的防震措施,才能更可靠地保证节点的安全性和数据传输。5.安全性安全性对于个人无线局域网来说是极其重要的,ZigBee安全机制由安全服务提供层提供。IEEE802.15.4/ZigBee协议使用MAC层的安全机制,来保证MAC命令帧、信标帧和响应帧的安全性。单跳的数据消息是通过MAC层的安全机制来做到的,而多跳的消息报文一般是通过更上层(如网络层)的安全机制来保证的。ZigBee每一层(MAC、网络或应用层)都能被保护。在无线传感器网络中CSMA/CA(载波侦听多址/冲突避免)是一种非常有效的冲突控制方法,可以降低硬件的成本。ZigBee的信道接入方式采用这种方法,能有效地减少帧的冲突。为抗干扰多径衰落,ZigBee在物理层采用直接序列扩频和频率捷变FA技术。为了保证帧的正确传输,ZigBee在MAC层采用了两个措施:自动请求重传ARQ和帧缓存。当一帧传给一个设备时,如果接受设备处于忙或者休眠状态而不能接收该帧,那么网络的主协调设备就暂时缓存该帧,直到收端能接收该帧。这种安全机制使得整个网络具有高的稳定性和可靠性,便于维护。6.结语采用ZigBee技术实现森林防火系统,是充分考虑到了ZigBee网络系统具有低成本、易实现、可靠的数据传输、低功耗以及各层次的安全性等特点。在由ZigBee组成的无线传感器网络中,运用层次化路由协议,提高了整个网络的数据融合能力,并节约了能量,提高了宽带利用率。随着传感器网络在日常生活和科学研究等方面的广泛应用,ZigBee必将得到更大的发展空间。