基于ZigBee的森林火灾监测设计

2．2 信息采集处理模块
信息采集模块由烟雾传感器、温湿度传感器、风力传感器、传感器信号调理电路、AD7998单元电路组成。烟雾传感器是将空气中的烟雾浓度变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置，本文选用SS-668离子型烟雾传感器探测林区的烟雾浓度，SS-668适用于安装在少烟、禁烟场所，用来探测烟雾有无，当一定量烟雾进入SS-668烟雾传感器的反应腔，传感器发出声光警报，并向采集器输出告警信号，通过SS-668能够准确地检测到烟雾，为火灾预防和早期发现提供帮助。温湿度传感器采用温湿度一体化的SHT10传感器，SHT10具有数字式输出、免调试、免标定、精度高、体积小、能耗低、自动休眠及可完全浸没水中的特点，其将温度感测、湿度感测、信号变换、A／D转换和加热器等功能集成到一个芯片上；提供二线数字串行接口SCK和DATA，接口简单，只需要2个普通的JN5139芯片的I／O口就可以对其进行采集。风力传感器采用EC9-1型高动态性能测风传感器，EC9-1由风向传感器、风速传感器和传感器支架组成，风速传感器的轴上吊有磁性圆盘，用霍尔开关器件将轴的转速转换成电信号，其输出信号频率与风速的大小成正比，风向传感器的轴带动一个七位格雷码盘，应用红外发光二极管和光电三极管组成变换电路将风向变换成7位格雷码，EC9-1具有动态性能好，线性精度高，灵敏度高，测量范围宽，抗风强度大等特点。传感器信号调理电路将传感器采集的模拟信号进行放大、滤波、缓冲或定标等处理，使其适合于模／数转换器(ADC)的输入。AD7998是8通道，12bit，低功耗的模数转换器，具有兼容I2C的接口，它将传感器采集的模拟信号进行数字化，然后通过I2C总线传送给微控制器JIN5139。
2．3 无线微控制器JFN5139
系统采用Jennic公司生产的符合ZigBee技术的芯片JN5139，JN5139是低成本低功耗无线微控制器，它是能使使用者在最短的时间内、以最低的成本实现IEEE802．15．4或ZigBee等应用的无线通信模块。JN5139集成了16 MHz 32 bit的RISC处理器，配置有2．4 GHz频段的IEEE80 2．15．4标准的无线收发器，192 kB的ROM，96 kB的RAM，模块提供了开发无线传感器网络所需要的丰富的外围器件和接口(GPIO、SPI、UAR T、I2C等)，为外接各种传感器和控制电路提供了便利。内置的ROM存储集成了多种丰富的软件协议栈，可以根据应用需求，灵活选择802．1 5.4、ZigBee、jenNet、ATZJenie、6LoWPAN等多种网络协议栈，方便快速地组建星形、树状、网状网络等。芯片集成了MAC和AES硬件编码加速器，节省功耗的休眠模式，安全键的机制和程序加密。所有以上的强大特征都集成于单一芯片，可以降低功耗，提高稳定性，减小体积。 JN5139芯片没有集成程序存储器，故本系统采用芯片自带SPI接口外扩程序存储器，程序存储器采用2 Mbit串行闪存M25P20，该芯片集成标准的4线SPI总线和最大50 MHz数据传输时钟，通过SPI接口将M25P20连接至JN5139上来读写片上数据。UART单元主要由Max232及其辅助电路构成，用于微控制器的编程与程序升级。声光报警电路主要负责林区环境参数超标火险因子较高或发现着火点时发出报警信息。
2．4 供电模块
JN5139的工作电压是2．7～3．6 V，温湿度传感器SHT10的工作电压是2．4～5．5 V，风力传感器EC9-1的供电电压为5～12 V，烟雾传感器SS-668的供电电压为12 V，A／D转换芯片AD7998正常工作电平为3．3 V，为移动方便和减少换电池的次数系统采用12 V的蓄电池供电，通过开关稳压器件ASM1117-5．0将12 V转变成5 V给风力传感器供电，5 V电压经过ASM1117-3．3转换成3．3 V电压，给主芯片JN5139和温湿度传感器供电。
由于森林面积大，环境恶劣，所以电池不方便经常更换，而普通电池不能长时间为系统供电，因此，系统采用太阳能供电单元，该单元由太阳能电池板、充电控制器和蓄电池组组成。充电控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命；同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。

3 结论
提出了一种基于ZigBee的森林火灾监测系统设计，采用烟雾传感器、温湿度传感器、风力传感器采集各林区的环境参数，基于JN5139无线微控制器实现无线通信，并对采集数据进行处理与分析，当火险因子超标时，监控中心进行火灾预报；当发现着火点时，监控中心进行火灾报警和火情监测，并制定应急预案。基于ZigBee的森林火灾监测系统可以根据实时采集到林区环境参数信息监澍森林火灾情况，从而及时地预防森林火灾的发生或高效地实施火灾救援工作，保护生态环境，保障人民的财产和生命安全。