專利名稱：一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林火災(zāi)定位報警系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到無線傳輸及火災(zāi)監(jiān)測領(lǐng)域，特別涉及到一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林火災(zāi)定位報警系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是21世紀(jì)的一種新型技術(shù)，它是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是傳感器技術(shù)，嵌入式計算技術(shù)，無線通信技術(shù)，分布式信息處理技術(shù)的綜合，其主要特點是低功耗、低成本、分布式和自組織。在整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)采集、處理、無線傳輸是其核心功能。我國無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在國內(nèi)起步較晚，目前主要處于理論研究階段，在森林火災(zāi)監(jiān)測方面并不常見。針對森林火災(zāi)的危害性，一旦出現(xiàn)森林火災(zāi)便不易控制，并且造成的危害極大。然而目前主要的防火措施主要有瞭望塔、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、地面巡護(hù)、航空巡護(hù)、 衛(wèi)星遙感等，主要存在不足是需要地面花費大量的人力、物力、財力進(jìn)行核實，人工監(jiān)視易造成肉眼疲勞，視頻中的火情不易被查覺，造成漏報，并且成本較高。針對以上缺陷，本發(fā)明旨在提供一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林火災(zāi)定位報警系統(tǒng)，能夠?qū)ι只馂?zāi)進(jìn)行實時的監(jiān)測、定位及報警，充分利用了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低成本、 低功耗、分布式、抗干擾性強、實時性的特點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過組建一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對森林火災(zāi)進(jìn)行實時監(jiān)測，快速識別，準(zhǔn)確定位。并且具有低成本、低功耗、抗干擾強等特點。從而克服不能準(zhǔn)確定位并做出及時反應(yīng)的缺陷。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，整個系統(tǒng)由布放在森林中的大量終端節(jié)點和位于監(jiān)控中心的匯聚節(jié)點組成，終端節(jié)點直接布放在森林中，實時監(jiān)測森林中火災(zāi)
的發(fā)生情況，并及時的向匯聚節(jié)點發(fā)送信息報告當(dāng)前所處地域的信息，例如溫度、位置等信息。森林中的大量的終端節(jié)點可以自組成一個網(wǎng)絡(luò)，各節(jié)點之間可以相互通信，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。而匯聚節(jié)點在收到森林中的終端節(jié)點的信息后進(jìn)行分析，標(biāo)記位置，并進(jìn)行報警。其中所述的終端節(jié)點又可以分為負(fù)責(zé)環(huán)境信息采集的采集終端，負(fù)責(zé)路由數(shù)據(jù)的路由節(jié)點和負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點。終端節(jié)點雖然具有不同的功能，但其硬件構(gòu)成相同，只是在軟件編程上進(jìn)行控制來實現(xiàn)不同的功能。終端節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖如圖I所示。組成終端節(jié)點主要分為四大模塊核心處理器模塊，zigbee無線模塊，傳感器模塊，電源模塊。其中所述的核心處理器模塊主要采用的是具有定位功能的CC2431芯片，依據(jù)此款芯片的定位功能可以準(zhǔn)確的計算出當(dāng)前節(jié)點相對于參考結(jié)點的位置，對發(fā)生火災(zāi)時準(zhǔn)確的確定起火點提供了有力的保證，此處理器模塊是基于工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)的8051單片機(jī)芯片，具有較強的穩(wěn)定性，性能高，功耗低，接收靈敏度高，抗干擾強等特點。
其中所述的定位功是通過CC2431內(nèi)部的定位引擎實現(xiàn)的。定位引擎用于估算無線網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的位置。通常參考節(jié)點坐標(biāo)已知，其他需要估計坐標(biāo)的節(jié)點為“盲節(jié)點”。進(jìn)行定位估計時，定位引擎需要獲得31個參考節(jié)點的坐標(biāo)值以及其他測量參數(shù)，定位引擎計算后的輸出是一個節(jié)點的估計坐標(biāo)。在定位引擎運行之前，必須使能定位引擎寄存器 LOCENG的第4位LOCENG. EN0當(dāng)要停止定位引擎運行時，應(yīng)往LOCENG. EN寫入0關(guān)斷引擎的時鐘信號，從而降低CC2431的功耗。對定位引擎的操作主要就是對與定位引擎有關(guān)的寄存器的操作。其中所述的zigbee無線模塊是終端節(jié)點能夠?qū)崿F(xiàn)無線傳輸?shù)暮诵牟考?，所謂的 zigbee是IEEE802. 15. 4協(xié)議的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐。它與藍(lán)牙類似， 是一種短距離無線傳輸方式，但相比藍(lán)牙來說具有更好的性能。其協(xié)議主要分為四層物理層，媒體訪問控制層，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，通過這四層使得位于同一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的各種設(shè)備自由的進(jìn)行通信。通過zigbee協(xié)議?？梢詫崿F(xiàn)三種不同類型的節(jié)點。其中所述的傳感器模塊主要是連接煙霧傳感器，溫濕度傳感器，通過傳感器采集環(huán)境信息，通過在森林中布置大量這樣的節(jié)點，組成一個網(wǎng)絡(luò)形成了對森林
的無縫監(jiān)測。一旦森林中出現(xiàn)煙霧或者是火源，便會及時的做出響應(yīng)，達(dá)到早發(fā)現(xiàn)的目的。并通過處理器模塊的定位功能確定著火位置，并反饋到匯聚節(jié)點。傳感器模塊是通過核心處理器的USARTO全功能串口實現(xiàn)的，
其中所述的電源模塊主要是采用電池供電，基于終端節(jié)點的功耗低的特點，電池更換頻率低。其中述的協(xié)調(diào)器節(jié)點負(fù)責(zé)建立一個新的網(wǎng)絡(luò)，建成之后路由節(jié)點和采集終端便可以加入此zigbee網(wǎng)絡(luò)中，這些主要是在軟件層通過zigbee協(xié)議的原語實現(xiàn)的，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)決定組建的網(wǎng)絡(luò)的類型(例如星型，樹型，網(wǎng)狀型)。其中所述的路由器節(jié)點不能建立一個網(wǎng)絡(luò)，只能以子結(jié)點的方式加入到協(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)路由節(jié)點加入到網(wǎng)絡(luò)之后便可以進(jìn)行工作，主要任務(wù)包括數(shù)據(jù)幀路由、路由發(fā)現(xiàn)、接收其它設(shè)備的入網(wǎng)請求。其中所述的采集終端主要是負(fù)責(zé)對森林中的環(huán)境信息進(jìn)行采集，如溫度，濕度值， 并通過煙霧傳感器時實的監(jiān)測森林中火災(zāi)的發(fā)生，并將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過路由節(jié)點發(fā)送到匯聚節(jié)點進(jìn)行處理、報警。其中所述的匯聚節(jié)點主要工作是完成對終端節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)，并作出相應(yīng)的反應(yīng)動作，例如通過對溫度和濕度分析，當(dāng)超過一定值之后便有可以發(fā)生自燃的情況。 此時需及時的發(fā)出警告信息以對該區(qū)域進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控。當(dāng)終端節(jié)點發(fā)來著火信息之后立刻發(fā)出火災(zāi)報警信號。匯聚節(jié)點如圖2所示。匯聚節(jié)點由以下模塊組成核心處理器模塊， zigbee模塊，GPRS模塊，LCD顯示模塊，SD卡模塊。其中的處理器模塊采用是一款嵌入式處理器，并在其上移植Iinux操作系統(tǒng)用于處理終端節(jié)點發(fā)送來的大量的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采取相應(yīng)動作。之所以采用嵌入式處理器是因為它對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求，能達(dá)到系統(tǒng)預(yù)定的性能。其中所述的嵌入式處理器采用的是PXA270處理器，此款處理器功能強大，數(shù)據(jù)處理能力強，性能穩(wěn)定，實時性強，適用于處理緊急事件的發(fā)生。并在其上移植Iinux操作系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度和管理，使其功能更強大，性能更高，外擴(kuò)眾多GPIO 口可以掛接更多的外部設(shè)備。其中所述的GPRS模塊主要完成的任務(wù)是可以向上一級的控制中心發(fā)送數(shù)
據(jù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的，同時上一級控制中心可以發(fā)送命令查詢當(dāng)前匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)。其中所述的IXD顯示模塊主要是顯示終端節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，供實時監(jiān)控。PXA270 處理器分析完成數(shù)據(jù)之后一方面顯示到IXD上，一方面進(jìn)行存儲備份。其中所述的SD卡模塊主要的任務(wù)是存儲終端節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，供專家進(jìn)行分析， 以確定每年的重點監(jiān)控地域。本發(fā)明的優(yōu)點在于
I)、通過布放在監(jiān)測區(qū)域的大量的傳感器節(jié)點對森林進(jìn)行實時監(jiān)測，一旦有火災(zāi)發(fā)生便能及時的通知到匯聚節(jié)點而發(fā)出報警信息，并能準(zhǔn)確快速的確定著火的位置，在得知準(zhǔn)確位置之后便可以采取一些緊急措施，可以在起火初期將其撲滅，能避免重大財產(chǎn)損失。2)、對于大量的無線傳感器節(jié)點，可以將其安放在樹上，不但可以防止雨水沖刷， 也可以防止人為破壞，而且在信號有效范圍內(nèi)加大節(jié)點間的距離，這樣可以節(jié)省節(jié)點的數(shù)量，降低成本。3)、本發(fā)明采用成熟的zigbee協(xié)議，使無線傳輸更加穩(wěn)定，不會因某一節(jié)點的故障而影響到其它節(jié)點的工作。4)、本發(fā)明具有低功耗，高穩(wěn)定性，實時性，低成本，體積小,抗干擾強等特點，完全適合于森林環(huán)境中。


附圖I為終端節(jié)點的結(jié)構(gòu)框附圖2為匯聚節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施例方式本發(fā)明的具體工作過程是
首先，協(xié)調(diào)器建立一個網(wǎng)絡(luò)。其次，路由器或采集終端通過信道的能量掃描加入到網(wǎng)絡(luò)中，加入網(wǎng)絡(luò)之后
便可以進(jìn)行工作，路由節(jié)點負(fù)責(zé)管理其它采集終端或者路由節(jié)點的加入各路由工作， 終端節(jié)點負(fù)責(zé)采集環(huán)境信息，并監(jiān)控火源的發(fā)生，所有的終端節(jié)點都通過這種方式加入到網(wǎng)絡(luò)中，最終形成一個大的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)。再次，終端節(jié)點加入成功之后便采集數(shù)據(jù)并通過路由節(jié)點的路由功能和其它節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)功能，將數(shù)據(jù)最終傳遞到匯聚節(jié)點進(jìn)行相應(yīng)處理。最后，匯聚節(jié)點在收到終端節(jié)點發(fā)來的信息之后，對信息進(jìn)行識別，并標(biāo)記節(jié)點所在的位置，維護(hù)一個節(jié)點IP地址及對應(yīng)地理位置以及此區(qū)域的環(huán)境信息的信息表，當(dāng)有起火信息發(fā)送到來時準(zhǔn)確的確定起火的位置進(jìn)行報警。結(jié)合系統(tǒng)的工作流程和附圖描述實現(xiàn)系統(tǒng)的過程。在系統(tǒng)的實現(xiàn)過程中各個節(jié)點協(xié)調(diào)工作，因為系統(tǒng)實現(xiàn)的是網(wǎng)狀形網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點數(shù)量越多，路由越多，系統(tǒng)越穩(wěn)定。由于監(jiān)測的環(huán)境原因系統(tǒng)采用了 zigbee協(xié)議作為數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的方式，而對于zigbee協(xié)議節(jié)點最大數(shù)量可以為65000個，完全滿足森林這樣大的監(jiān)測區(qū)域。如附圖I所示，針對核心處理器模塊選用的是CC2431芯片，因為這款芯片很好的支持了 zigbee協(xié)議，在開發(fā)過程中只需將zigbee協(xié)議棧移植到CC2431上即可， 可據(jù)不同的宏定義來控制節(jié)點的發(fā)送或者接收能力，以及實現(xiàn)節(jié)點的不同功能，例如協(xié)調(diào)器節(jié)點，路由節(jié)點等不同功能的節(jié)點，只需對協(xié)議棧進(jìn)行控制便可以實現(xiàn)。如附圖I所示， 使用CC2431的全功能引腳實現(xiàn)了 RS232接口，通過RS232接口可以對終端節(jié)點進(jìn)行調(diào)試， 程序下載等功能。CC2431在芯片上整合了 zigbee射頻(RF)前端，節(jié)點通過此射頻前端對數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)，從而避免了布線難等困難，RF傳輸距離一般在10到100米之間，芯片核心是一個8位的8051內(nèi)核，可編程I/O引腳21個。通過附圖I中的傳感器模塊對環(huán)境中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后經(jīng)過核心8051的處理，將數(shù)據(jù)通過RF發(fā)送到其父節(jié)點，父節(jié)點再直接或通過其它節(jié)點將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點同樣通過RF端進(jìn)行接收，如附圖2。對于終端節(jié)點，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收不能同時進(jìn)行，但這并不影響整個網(wǎng)絡(luò)以及實時性。終端節(jié)點的定位功能是本發(fā)明的核心功能，對于每個終端節(jié)點都有與其對應(yīng)的IP地址，并通過相應(yīng)的算法便能計算出終端節(jié)點距離參考節(jié)點的位置，因此在安放節(jié)點初期要確定好相關(guān)參考節(jié)點的位置，一旦確定便不再更改位置，匯聚節(jié)點根據(jù)IP
地址建立相應(yīng)的參考節(jié)點位置表，根據(jù)參考節(jié)點構(gòu)建起鄰居節(jié)點的位置表。在以后接收到終端節(jié)點的信息之后便能準(zhǔn)確的定位節(jié)點所在的區(qū)域。對于匯聚節(jié)點核心是處理器模塊，因為匯聚節(jié)點上移植了 Iinux操作系統(tǒng)，因此能很好的處理從zigbee接收到的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)及時的顯示到IXD上面，
供監(jiān)測人員查詢，其中數(shù)據(jù)的顯示與存儲是同時進(jìn)行的，對于匯聚節(jié)點的Iinux內(nèi)核是經(jīng)過剪切的內(nèi)核，只將系統(tǒng)能用到的模塊編譯進(jìn)內(nèi)核，例如SD卡驅(qū)動、LCD驅(qū)動。并在匯聚節(jié)點上加入了 GPRS模塊，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過GPRS可以在更遠(yuǎn)的地方對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控， 數(shù)據(jù)通過GPRS傳送到上一級控制中心。整個系統(tǒng)以匯聚節(jié)點為中心組成一個網(wǎng)狀網(wǎng)，監(jiān)控其所在的森林區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都可以相互通信，轉(zhuǎn)發(fā)信息，但最終數(shù)據(jù)都將發(fā)送到匯聚節(jié)點進(jìn)行處理。通過此無線傳感器網(wǎng)可以實現(xiàn)對森林的實時無縫監(jiān)測。
權(quán)利要求
1.一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林火災(zāi)定位報警系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括 終端節(jié)點負(fù)責(zé)森林環(huán)境中溫濕度的采集,火災(zāi)的監(jiān)測及定位,數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和接收等功匯聚節(jié)點接收終端節(jié)點的數(shù)據(jù)，并對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，建立終端節(jié)點位置表，將不同終端節(jié)點發(fā)來的信息記錄在對應(yīng)的位置上，以便在發(fā)生火災(zāi)時達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林火災(zāi)定位報警系統(tǒng)，其特征在于，所述終端節(jié)點進(jìn)一步包括核心處理器模塊，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理，控制接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，支持zigbee協(xié)議棧；RS232模塊，用于下載程序并調(diào)試節(jié)點和連接串口打印調(diào)試信息的功能；傳感器模塊，負(fù)責(zé)采集森林環(huán)境的溫度和濕度信息，監(jiān)控并定位火災(zāi)的發(fā)生； zigbee模塊,是zigbee協(xié)議棧的載體,對數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝,并實現(xiàn)三種不同類型的節(jié)點； 電源模塊，負(fù)責(zé)為終端節(jié)點供電。
3.如權(quán)利要求2所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林火災(zāi)定位報警系統(tǒng)，其特征在于， 所述的三種不同類型的節(jié)點是協(xié)調(diào)器節(jié)點，負(fù)責(zé)整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立，供其它節(jié)點加入；路由器節(jié)點，作為采集節(jié)點的父節(jié)點，維護(hù)一個路由表，對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；采集節(jié)點，負(fù)責(zé)森林的溫度濕度采集，并發(fā)送數(shù)據(jù)到父節(jié)點。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林火災(zāi)定位報警系統(tǒng)，其特征在于，所述匯聚節(jié)點進(jìn)一步包括核心處理器模塊，負(fù)責(zé)建立終端節(jié)點的位置表，并處理終端節(jié)點發(fā)來的信息，針對不同的數(shù)據(jù)做出不同的響應(yīng)，報警的功能；SD卡模塊，存儲終端節(jié)點的數(shù)據(jù)，提供下載功能，供專業(yè)人士下載分析數(shù)據(jù)，確定重點監(jiān)測區(qū)域；LCD顯示模塊，負(fù)責(zé)實時的顯示各終端節(jié)點的位置及所采集的數(shù)據(jù)，供管理人員查看； GPRS模塊，目的在于實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，可以使監(jiān)控的距離更遠(yuǎn)，有利于對較大的森林的監(jiān)控；zigbee模塊，負(fù)責(zé)收發(fā)終端節(jié)點的數(shù)據(jù)，與終端節(jié)點進(jìn)行通信。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林火災(zāi)定位報警系統(tǒng)，其特征在于，所述的核心處理器模塊進(jìn)一步包括PXA270處理器模塊，作為一款嵌入式處理器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理，主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)量較大的情況下，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類建立地址表；操作系統(tǒng)模塊，使用Iinux操作系統(tǒng)進(jìn)行各種進(jìn)程的創(chuàng)建和管理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林火災(zāi)定位報警系統(tǒng)，涉及到無線傳輸及火災(zāi)監(jiān)測領(lǐng)域，本發(fā)明由終端節(jié)點、匯聚節(jié)點組成，其中終端節(jié)點又分為協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點、采集節(jié)點三種類型，還公開了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林火災(zāi)監(jiān)測、發(fā)現(xiàn)、定位、報警的方法以及終端節(jié)點安放的方法，利用終端節(jié)點的傳感器對森林環(huán)境和志火點進(jìn)行監(jiān)測。本發(fā)明的優(yōu)點在于將無線傳感器網(wǎng)應(yīng)用于森林防火之中，并利用無線傳感器網(wǎng)中任意終端節(jié)點的特征對起火點進(jìn)行定位，并且整個網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都具有監(jiān)測和定位的功能。利用zigbee以及嵌入式的優(yōu)點構(gòu)建出了一種低成本，低功耗，抗干擾強，實時性高的火災(zāi)定位報警系統(tǒng)。
文檔編號G08B25/10GK102548035SQ20121004688
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月28日
發(fā)明者宋立偉 申請人:浪潮電子信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司