用ZigBee/IEEE 802.15.4预防和控制森林火灾

2007年， 800多平方英里的加州森林被大火吞噬，给周围环境及生物圈造成极大破坏。森林是地球的主要空气过滤器，它吸收空气中的二氧化碳和温室气体，减缓全球变暖。无论是自然原因、香烟、野营、农业技术还是由任何其它原因引起的火灾，都会造成森林面积的大量丢失，现在是使用技术帮助大自然母亲保护这些森林面积的时候了。

当今的现代技术，例如红外线扫描仪和卫星照片，正被用于监测火灾，但它们有其自身的缺点。卫星不但复杂且非常昂贵，而红外线扫描仪存在被茂密植被遮挡住可视性的问题。在全世界的很多地方，仍在使用陈旧的 “瞭望塔”，但它需要很大的人力投资，且必须始终处于高度戒备状态。

利用新的、低成本技术，低功耗无线传感器网络几乎可以在火灾发生的瞬间监测到它。扑灭森林火灾，时间至关重要，因为风可以迅速地把一团火演变成一场大火灾。传感器网络可以提供必要的早期预警，让消防资源尽快集中到火源地。

按照定义，传感器网络是一套定期向协调员报告数据(以便进行处理)的节点。在森林里，数百个低成本、低功率烟雾监测节点可以分布在中心或协调员节点的无线发射范围内(见图 2)。

　　图1 每年发生的森林火灾                                                                                  　图2 无线传感器网络

　　图3 MC1322x框图

协调员节点通过兼容ZigBee的无线网络，从邻近传感器节点收集信息和处理数据，如果监测到烟雾，就使用大型无线网络(例如3G或GPRS)发出警报。这种警报可以直接发送到消防站，警报不仅包括火灾位置信息，而且包括监测时间。类似解决方案已经在意大利实施，取得了巨大成功。

要确定每个节点的放置位置，以达到最佳覆盖，必须进行可行性研究。由于 ZigBee/IEEE 802.15.4协议定义了每个节点的MAC地址，因此可以关联到固定GPS点，以确定受影响区域的位置。采用 ZigBee协议的一个最大优势是可以实施网状网络，扩大网络范围，用路由器而非协调员。

电池寿命不再是一个问题，因为一块电池可以使ZigBee器件运行长达20年时间。如果外置组件(例如电力放大器、烟雾传感器或紧急照明灯)需要额外电源，那么可以实施带太阳能电池的电池充电器。

使用低功耗IEEE 802.15.4片上系统解决方案(如 MC1322X，见图 3)，可以很轻松地实施无线网络。它包含一个 ARM7内核，发射和接收过程只消耗约 20mA的电流。

封装 MC1322X ZigBee Platform in Package(PiP)包括一个双 8信道、 12位模数转换器，可以连接几个传感器，以收集不同数据。网络系统只需再增加一个 24MHz晶体和天线，因为其它组件(如不平衡变压器和交换器)已经包括在封装中。高度集成的 MC1322X PiP的多功能性还为 “forest watch(森林监察) ”节点提供一些其它功能，通过收集气象信息(例如湿度、温度和降水)，协助消防员的工作。作为一种额外优势，当有人在丛林中迷路时， forest watch节点甚至可以用作应急站。

根据论文 “美国火灾产生的二氧化碳估计：碳管理的意义 ”，美国火灾每年产生约 2.9亿公吨的二氧化碳，相当于全国矿物燃料燃烧所排放的二氧化碳总量的4~6%。使用简单的无线传感器网络，这些二氧化碳的大部分都可以避免，例如本文的描述。