基于拓扑结构的森林防火预警系统的设计与研究.doc

Design and Research of fire early warning System Based on Topological Structure for forestJ.-F. Wang1, P.-F. Chen3, 1) Department of Computer, Hebei Normal University of Science and Technology, Qinhuangdao, Hebei, China ()2)Electrical and Mechanical Engineering college,Hebei Normal University of Science and Technology, Qinhuangdao, Hebei, China ()AbstractIn order to heighten composing flexible performance and capability-price ratio, the forest fire early warning system, which adopts the wireless communication methods combined with wired one based on topological structure, was designed. The characteristics of structure, working principle and design method of the system was introduced. The field experiments proved that developed topology-based forest fire warning system is stable and reliable system with low power consumption characteristic.Keywordstopological structures; forest fire prevention; wired data communication; wireless data communication; nRF905基于拓扑结构的森林防火预警系统的设计与研究王剑锋1 陈攀峰3 1河北科技师范学院计算机系，秦皇岛，河北，中国3河北科技师范学院机电工程学院，秦皇岛，河北，中国摘 要 为提高系统的构成灵活性和性能价格比, 设计了具有拓扑结构、由有线数据通信与无线数据通信相结合具有拓扑结构的森林防火预警系统。介绍了系统的结构特点、工作原理和设计方法。经现场实验证明,研制的基于拓扑结构的森林防火预警系统具有低功耗、工作稳定可靠、系统组建灵活等特点。关键词：拓扑结构；森林防火；有线数据通信；无线数据通信；nRF9051引言森林是与人类生存息息相关的一种重要的生态资源。森林火险预报对于加强森林防火工作、保护森林资源具有重要意义。当前我国各级气象部门发布的森林火险天气预报和一些地区发布的森林火险天气预报的空间位置较粗略、时效性较差，不能满足各级森林防火工作的实际需求1。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，并不能主动的实时的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。森林防火预警系统需要收集位于森林各个位置的数据，包括空气的湿度、温度、气压、烟雾以及二氧化碳等，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，防范于未然，能在第一时刻消除隐患，减小人力、物力的浪费和经济损失。如果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的布线，错综复杂，不具备可行性。相比之下，无线网络技术就能设计成传感器网络，在这方面发挥很好的功效2。针对这些情况，设计并研制了了基于无线网络技技术的具有拓扑结构、由有线数据通信与无线数据通信相结合的森林防火预警系统。2.系统的硬件设计图2 监测仪表结构框图PWR_UPTRX_CETX_EN nRFCSN 905SCK 无线MOSI 收发MISO 模块AM DRCDP1.0 P1.4 P1.5 P1.1 P1.6 P1.7 STC12C P3.0 5410AD P3.1 P1.2 P3.2 P3.3 P1.3 P3.4 P3.5放大器传感器放大器放大器传感器传感器传感器放大器。图1 系统的硬件拓扑结构图终端检测仪表 11RXD P1.7 TXD中继站1 B AMAX485RO RE/DE DIRXD P1.7 TXD中继站2 B AMAX485RO RE/DE DI RXD P1.7 TXD中继站N B AMAX485RO RE/DE DIRRS-48工控机RS-485串行通讯卡。终端检测仪表 1m终端检测仪表 21终端检测仪表 2m终端检测仪表 N1终端检测仪表Nm系统的硬件拓扑结构如图1所示。由于工控机3的分析处理能力较强，处理速度快，界面显示信息丰富，便于在中央监控室集中管理，所以该系统中的中央监控机采用工控机。该系统中的中继站既是相对独立的森林防火预警系统中的监测仪表，也是整个系统信息流的集散处，多个中继站以有线通信的方式与工控机连接，每个中继站又都以无线通信的方式与若干个单机监测仪（下位从机）相连。整个系统拓扑结构的各个环节硬软件都采取了模块化结构，用户可以根据实际情况，选用合理的资源配置。2.1 监测仪表监测仪表既是整个系统的终端，又是相对独立的监测仪4，它既能对所在的森林区域实施参数检测，又能将检测到的数据以无线通信的方式传输到中继站，进而以有线通信的方式传输到中央监测室。监测仪硬件结构框图如图2所示。本设计使用了高性能的单片机STC12C5612AD5，与另一种高性能价格比的单片机AT89C52相比，它片内具有4路10位的A/D转换器，可以用于检测与处理温度、湿度、烟雾以及二氧化碳这些直接或间接与火警相关的信息。这进一步提高了监测仪表的可靠性和微型化。它一个机器周期仅占用一个时钟周期，这使它的运行速度提高到后者的812倍，从而使传送庞大的数据流有条不紊。另外，STC12C5612AD系列单片机，有多种引脚（20、28、32、40、44）封装，可以根据需要灵活选用既满足使用，又使系统最小化。承担无线通信的器件是nRF905 6收发器等。nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器，工作电压为1.93.6V，32引脚QFN封装(55mm)，工作于433/868/915MHz三个ISM(工业、科学和医学)频道，频道之间的转换时间小于650us。nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加声表滤波器， ShockBurstTM工作模式，自动处理字头和CRC(循环冗余码校验)，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便。典型的 nRF905收发器的外围电路及其与单片机的连接电路如图2所示，其中，nRF905与单片机通信的10个引脚的定义如表1所示。在独立的监测仪表中，要用到14个I/O口， 20引脚的STC12C5612AD是满足要求的最小封装。2.2中继站中继站首先它本身是一个相对独立的监测仪表，同时它以无线通信的方式主动收集下一层次的各监测仪表的数据，以有线通信和中断的方式将自身的和收集到的数据捆绑在一起传送给工控机。它与工控机的通信需要串行口， 通过nRF905无线收发芯片接收它的下位监测仪的数据。再加上需要4个I/O口作A/D转换接口，总共需要17个I/O口，再考虑到它比最前端的监测仪表需要更多的内存，于是就选用了28引脚的STC12C5630AD，是满足要求的最小封装，如图3所示。图3 中继站结构框图RS-485接口电路 工控机nRF905无线收发模块P1.0 P1,P2P1.1STC12C5630ADP1.2 P3.0-2P1.3放大器传感器放大器放大器传感器传感器放大器传感器2.3 工控机与中继站串行通信接口的设计 工控机内一般都有RS-232串行接口，但其所传送的距离不超过15m，这对于森林防火预警系统来说显然是不够的，所以本系统为工控机设计一个RS-485串行通信卡，从而实现由RS-232串行接口标准到RS-485串行接口标准的转换。中继站的STC12C5630AD串行口加上转换电路MAX485芯片可以实现RS-485串行通信，进行长达1000米的远距离传送。3. 系统的软件设计该系统硬件的模块化结构，决定了该系统软件的模块化结构，分为末端节点仪表、中继站、工控机三个层次的程序组成。3.1 监测仪表的监测程序设计该仪表的应用程序主要由主程序及中断服务程序等组成。其主程序周而复始地进行四个参数的采集、处理和按约定储存。主要中断服务子程序是响应中继站的中断请求，将本节点采集到的四个参数按约定结构发送给中继站。3.2 中继站的程序设计无论是工控机与中继站还是中继站与监测仪表，都是以主从工作模式进行通信，上位机作为主机，下位机作为从机。在通信中，尽管在硬件上有无线通信和有线通信的差别，但软件流程却是一样的。主机在主程序中以主动的方式按照固定顺序周而复始地呼唤从机而取得数据，而从机以中断的方式应答主机从而传送数据。3.3 工控机的程序设计 工控机采用Visual Basic编程7。VB支持面向对象的程序设计，具有结构化的事件驱动编程模式，提供了可视化设计工具，开发人员不必为界面设计而编写大量程序代码，只需要按设计要求的屏幕布局，用系统提供的工具，在屏幕上画出各种“部件”，即图形对象，并设置这些图形对象的属性，Visual Basic便自动产生界面设计代码，从而可以十分简便地作出良好的人机界面，并通过串行口将所需的各种预置信号(数字信号)以有线通信的方式传给中继站，再由中继站以无线通信的方式传给监测仪表现场。3.4 无线通信程序在本系统中，除了工控机之外，各个层次的中继站之间、中继站与最外层次的节点监测仪表之间，都要使用无线通信。无线通信包括无线发送程序设计和无线接收程序设计。3.4.1 无线发送程序设计发送端的单片机将接收机的地址和要发送的数据写完后，就要控制nRF905模块将数据信息发送出去，nRF905模块在发送模式时会自动产生字头和CRC校验码。当发送过程结束后，nRF905模块的数据传输完成管脚会通知单片机数据发送完毕。 下面为典型的nRF905模块数据发送流程：（1）当微控制器要发送数据时，将接收机的地址和发送数据通过SPI接口传输给nRF905模块； （2）微控制器设置TRX_CE 和TX_EN管脚同时置为高电平，启动发送端的nRF905模块为发送模式；（3）发送端的nRF905模块发送过程处理： a）射频寄存器开启； b）数据打包（加字头和CRC校验码）； c）数据包发送； d）当数据包发送结束，将数据发送完成管脚（DR管脚）置为高电平；（4）如果AUTO_RETRAN被设置为高，nRF905模块将连续地发送数据包，直到TRX_CE被设置为低；（5）TRX_CE被设置为低时，nRF905模块数据包发送过程结束并回到待机模式。3.4.2 无线接收程序设计 接收端的单片机控制nRF905模块进入接收模式后，当nRF905模块监测到有同一频段的载波信号且接收到相匹配的地址时，就开始数据包接收。当数据包正确接收完毕后，接收端的单片机在nRF905模块处于待机状态时通过SPI接口提取数据包中的有效接收数据。下面为典型的nRF905模块数据接收流程： （1）微控制器控制TRX_CE为高电平、TX_EN为低电平，nRF905模块进入接收模式；（2）650us后，nRF905模块监测信息，等待接收数据；（3）当nRF905模块检测到与接收频率相同的载波时，设置载波检测管脚（CD管脚）为高电平；（4）当nRF905模块接收到有效的地址时，设置地址匹配管脚（AM管脚）为高电平；（5）当一个正确的数据包接收完毕后，nRF905模块自动去掉数据包的字头、地址和CRC校验码，然后将数据接受完成管脚置为高电平；（6）微控制器将TRX_CE设置为低电平；（7）微控制器通过SPI接口以一定的速率提取数据包中的有效接收数据；（8）当所有的有效数据接收完毕，微控制器控制nRF905模块数据接收完成管脚（DR管脚）和地址匹配管脚（AM管脚）为低电平；（9）nRF905进入待机模式。 4. 结束语具有拓扑结构、由有线通信与无线通信相结合所构成的森林防火预警系统，硬软件及各层次均采用模块化结构，使其灵活地组成系统，以适应不同规模、不同情况、不同要求的森林防火预警系统；在整个系统中截取某一部分都可以构成一个完整的系统。总之，用户可以根据实际情况，选用最合理的硬软资源配置，从而实现较高的性能价格比，这对产业化是极其重要的。本系统的设计还处在实验研究阶段，在四个层次的树型拓扑结构中，基本解决了森林防火预警系统的监测与通信的可靠性问题，还须自更多层次上、更大系统中做相关实验，以尽快走出实验室服务社会。参考文献1 易浩若，纪平，覃先林全国森林火险预报系统的研究与运行J.林业科学,2004（3）：203-207.2 金纯，罗凤.基于ZigBee的传感器网络在森林防火系统中的应用J.林业科技开发