基于无线网温湿度传感器的设计于应用Word格式文档下载.docx
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项目名称：
项目简介：
自黑龙江省大兴安岭1987-05-06大火后,1989年末由国家计委、林业部和黑龙江省共同筹措资金3×
107元,建立了大兴安岭森林防火灭火研究专项基金;
同时得到加拿大赞助和世界银行贷款,增加火灾管理及研究防火理论的资金投入。
10多年来,虽然世界森林火灾次数和受灾面积呈上升趋势,但我国国有林地区的森林火灾次数及受灾面积却呈下降趋势,防火工作已逐步由经验型向科学管理型转变,如建立了卫星防火监测网;
开发了地理信息和资源信息系统;
开展了森林防火的内业建设,重点进行火险预测预报系统、监测系统、林火跟踪定位系统、地理与资源信息系统、辅助决策系统、通讯信息系统等6个系统的现代化建设;
制定了全国森林火灾评估办法;
完成了全国森林火险等级区划;
试验和应用了飞机化学灭火;
生物防火等。
森林是人类赖以生存及社会发展最重要和不可缺少的资源之一。
但是,由于人们在社会活动中的某些失控及异常自然因素影响等原因,森林火灾时有发生,对人类的生命财产、地球资源及生态环境造成了巨大的危害森林防火的理论和实践的研究一直是伴随着林业的发展而形成一个专门的科学研究领域。
当今世界科学技术的发展进入了一个崭新的阶段,空间及遥感技术、计算机技术、通信与网络技术等高科技领域的迅猛发展,使我们的社会进入了一个信息时代。
与此同时,全球性的生态环境、资源、可持续发展等成为人们最关注的热点,所有这一切都对建立现代森林防火科技体系提出了新的要求。
我国森林防火系统的研究已卓有成效。
森林火灾的影响因素分析对森林火灾的影响因素分析,有助于深入的了解森林火灾的发生规律和致灾原因。
森林可燃物首先,森林植物体内的含水量是影响火灾能否发生以及燃烧后蔓延速度大小的重要因素,而植物体内含水量大小既和自身的理化性质、生态学特性有关,又与气象条件密切相关。
其次,林区林分的结构和植被群落的特点也影响着火灾的和发展。
如单纯林或同龄林区,抵御火灾的能力差,一根烟头就有可能引发严重的大火。
气候气象因素
气候条件是火灾发生区域和发生阶段的决定因素。
在不同气候区域中所出现的火灾季节是相同的,并且对某一特定气候区域来说,火灾季节是相对稳定的。
就我国而言,以秦岭为界的南、北方火灾季节有一定差异。
秦岭以北地区火灾主要发生在春夏两季,由于春夏气候干燥,植物含水率低,易燃烧;
在秦岭以南地区,火灾多发生在气候较干燥的冬季和春季。
再往南四季之分不明显,只有干、湿季之分,火灾主要发生在干季。
所以气候背景是决定某一地区火灾发生情况的重要因素,其中空气湿度有决定性作用。
气象因素主要指:
①湿度,空气湿度的大小直接影响可燃物体的水分蒸发。
当空气中相对湿度低时,可燃物失水多,火灾易发生和蔓延。
在一般情况下,相对湿度>
75%时不会发生火灾,75%~55%则可能发生火灾,<
55%容易发生火灾,<
30%时可能发生特大火灾。
②温度,气温升高使得可燃物本身的温度也升高,使可燃物易点燃。
据黑龙江省的统计资料,月平均气温在-10℃时,一般不发生火灾;
-10~0℃时,可能发生火灾,0~10℃时发生火灾的次数最多,危害也最严重,11~15℃时,草木复苏返青,火灾次数逐渐减少。
③风不但能降低林中的空气温度,加速可燃物的水分蒸发,同时促使空气流畅。
一旦火源出现,就会发生“火借风势、风助火威”的局面,所以风是造成火灾损失的最主要因子。
据大兴安岭林区15年的统计资料,大火和特大火灾的发生,有80%
以上是在5级以上大风天气下出现的。
风对火灾蔓延主要有三方面的作用:
第一,风能改变热对流,增加热平流,从而加速火灾蔓延;
第二,风能补充氧气,改进助燃条件,提高燃烧强度和蔓延速度;
第三,大风会造成“飞火”,将燃烧物带到火场外部,产生新的火源,甚至使几处火相连成片,迅速扩大林火面积。
应该强调的是,各气象要素之间是相互联系和影响的,它对火灾的影响也是综合性的,因此,用单一气象要素去研究火灾是不够的,所以人们在实践中预测火险等级时总是考虑各要素的综合影响。
项目功能分析：
本文提出一种将ZigBee无线传感器网络技术引入到森林火灾监测系统中来的方案，构建了一个基于ZigBee无线传感器网络的森林火灾实时监测系统。
该系统可以实时监测林区的相关参数，如空气湿度、温度及有林火产生时林区的烟雾浓度变化情况等，为相关部门采取相应的预警或灭火措施提供重要的决策依据。
2森林火灾监测的关键参数森林起火要具备火源、环境因素和林中可燃物3个条件，林火的发生往往是这些因素综合作用的结果［2］。
首先，林中空气温度是一个重要影响条件，因为林中空气温度的高低会直接影响可燃物的着火情况，它也是影响林火产生的最大气象参数，是森林火险变化重要指标之一［3-4］，因此在森林火灾监测中空气温度是一个重要监测参数。
其次，空气的相对湿度可直接影响可燃物水分的蒸发，空气温度的高低可以通过环境间接改变可燃物的物理性质，它也是森林火灾的一个重要参数［5-6］。
当有林火产生时，林中的烟雾浓度是火灾蔓延的标志，对森林火灾的影响十分重大，及时掌握林中的烟雾稠密浓度变化情况会给救援部门的救援工作带来很大的帮助，因此空气的相对湿度、温度及有林火发生时的烟雾稠密浓度参数是森林火灾监测系统监测的关键参数，当然森林火灾的发生还与其他很多因素有关，如林区雷电的活跃程度、人为因素、风速、植被情况等，这些因素在系统设计中暂不考虑。
3基于ZigBee无线传感器网络的森林火灾监测系统无线传感器网络是由大量广泛分布，具有通信与计算能力的微小传感器节点构成的自治网络系统，能根据环境自主完成指定任务的“智能”系统，是计算机技术、通信技术和传感器网络技术相结合的产物，被认为是影响人类未来生活的十大新兴技术之一。
由于其部署方便、自治力强，在军事领域、环境监测、灾难预防、生物医学等方面具有十分广阔的应用前景，尤其是无人值守的环境监测、灾害扑救等特殊领域，具有传统技术无可比拟的优势［7］。
3.1ZigBee技术［8-9］ZigBee是一种采用直接序列扩频技术的新兴的短距离、低速率、低成本、低功耗的双向无线通信技术或无线网络技术，基于IEEE802.15.4无线标准，工作频率为868～915MHz或2.4GHz的ISM频段。
与其他无线网络技术相比，该技术的突出特点是应用简单、耗能低、组网能力强、可靠性高以及成本低。
在安全性方面，ZigBee提供了一套基于128位高级加密标准的安全类软件，并集成了IEEE802.15.4的安全元素。
将低功耗的ZigBee技术应用到无线传感器网络中来对森林火灾进行实时监测，给不方便能量更换且需要在恶劣的户外环境下维持长时间工作的无线传感器网络的森林监测系统带来了极大的便利，大大提高了系统的整体性能。
3.2森林火灾监测系统体系一般森林覆盖地形奇特、环境复杂，无线传感器网络的通讯会受到茂密丛林、低洼地段等多种环境因素的影响，导致网络通讯受到阻碍，缩小单个无线传感器节点的通讯范围，为保持各个数据采集节点的能量相对均衡消耗，防止出现死点及因某个路由节点通信量过大，而过度消耗能量造成部分区域通信中断而影响整个系统的监测性能，因此，本系统的数据采集子系统（无线传感器网络）采用星状-簇首-路由（Star-Clusterfirst-Route，SCR）拓扑结构，如图1所示。
当某个采集节点或者簇首、路由节点等出现问题，网络通过查找路由表记录的相关信息，再根据这些信息从SCR拓扑结构记录表中查找出现故障节点的信息，便能迅速定位到出现问题的节点位置，为及时排除问题争取时间、降低损失。
整个系统结构体系划分如图1所示。
图1基于ZibBee的森林火灾监测系统网络体系3.3系统功能结构划分根据森林火灾监测的具体需求:
实时获取林区的各种气象和环境变化信息，林业管理部门根据得到的这些林区信息进行实时的数据分析处理，并在官方网站发布处理的结果，供消防部门或用户查询，当有紧急情况时马上报警通知应急响应的消防部门进行处理，消防部门接到报警信息根据系统分析立即制定合理的响应方案根据相应的警报等级进行消防调度处理，进行消防救援。
将整个森林火灾监测系统分为3个子系统［10］:
数据采集子系统（无线传感器网络）、控制中心子系统（林业监控部门）和应急响应子系统（消防部门及用户），如图1、2所示。
图2森林火灾监测系统功能结构
（1）数据采集子系统。
负责网络的建立，根据带GPS的节点（称为锚节点）获取的位置信息帮助网络内未带GPS的节点（称为未知节点）进行定位，通过建立好的无线传感器网络采集林中空气温度、湿度及烟雾浓度等现场数据并进行初步处理，通过网关节点及50实验室研究与探索,移动网络将数据传送到林业部门监控服务器，供监控中心实时分析处理。
（2）控制中心子系统。
处理来自数据采集子系统的所有信息，对这些信息进行分析、处理及存储，与正常的信息进行比较，当有异常情况发生时及时做出预警。
当有火情发生时系统自动发出警报，控制中心通过这些数据信息进行林火行为分析，预测火灾蔓延方向，并将所有分析结果发布到Web服务器上，供用户和消防人员查询。
（3）应急响应子系统。
使得远程用户包括管理部门能够通过Web浏览器实时掌握控制中心的火险监测信息，并制定相应的应急措施，快速有效地确定资源配置方案;
当有灾情发生时，制定合理的响应方案，迅速做出应急对策，合理进行资源调度。
4系统硬件设计4.1数据采集节点设计4.1.1传感器节点结构传感器节点是组成无线传感器网络的基本单位，是构成无线传感器网络的基础平台。
传感器节点一般由传感器模块、处理模块、无线通讯模块、定位模块和电源模块5部分组成，如图3所示。
节点采用JN5139SoC芯片做内核，其内部结构设计如图4所示。
图3传感器节点组成图4微控制器内部结构
（1）传感器模块。
负责采集林区空气湿度、温度及有林火产生时的烟雾浓度参数，进行模/数转换。
（2）处理模块。
负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理从它自身采集来的数据、中转其他节点的信息。
（3）无线通讯模块。
负责与簇首节点或者协调器进行通讯，交换控制信息和收发数据。
（4）定位模块。
首先指令锚节点通过GPS系统获取精确的位置信息，再向周围未知节点广播获取到的位置信息，未知节点根据接收到锚节点的位置信息进行相对定位，定位完毕将位置信息发送到簇首节点，簇首节点再通过协调器、网关等将位置信息传输到林业部门监控服务器。
（5）电源部分。
主要给传感器模块、处理模块、无线通讯模块和定位模块供电［11］，负责节点的驱动，是决定网络生存期的关键因素。
4.1.2传感器节点设计传感器节点电路原理如图5所示。
传感器节点硬件设计采用的核心芯片是Jennic公司近期推出的JN5139。
JN5139SoC芯片属于JN513x系列，是JN5121升级的第二代，适用于IEEE802.15.4和Zig-Bee的软件应用。
芯片集成了1个32位RISC处理器，可充分兼容2.4GHzIEEE802.15.4收发器，192KB的ROM，RAM的型号可在8～96KB范围内选择，提供丰富的模拟量和数字外围电路设备接口。
全集成、单芯片，给传感器监测节点的微型化带来很大的空间。
内建128位AES安全协处理器，在数据传输上带来很高的安全性。
内建高效的电源管理器，电池寿命在100天～1000天左右。
在工作与睡眠模式之间的转换时间短，一般睡眠激活时间只有15ms，而装置搜索时间为30ms。
休眠模式转换到主动模式超短的时间特性，特别适合应用到森林火灾监测当中。
温湿度传感器芯片采用温湿度一体化的SHT10，它是Sensirion公司生产的具有I2C格式的单片全校准数字式相对湿度和温度传感器。
该传感器具有数字式输出、免调试、免标定、精度高、超低能耗、自动休眠及可完全浸没水中的特点。
尺寸超小，底面3mm×
3mm，高度1.1mm，真正的微型化传感器芯片。
烟雾传感器采用一种半导体气体烟雾传感器MS5100，该传感器体积小、感应灵敏度高、稳定性良好、响应时间快，对烟雾、碳氢化合物和氧化物有着很强的灵敏度等诸多优点。
节点采用普通的2节5号碱性电池提供电能即可，无需加另外的电源稳定器。
实验测试天线采用时代创兴天线厂生产的TA-XPQ806-960-2dBi橡皮天线。
该天线小巧，尺寸只有8cm，重量约35g，它的发射频率典型值为2.4GHz。
4.2网关设计网关是接入外界网络的关键部件，设计的不合理或者功能满足不了需求，会直接影响数据的传输甚至造成数据包中途丢失。
网关的硬件体系包括微处理器、存储器、JN5139无线射频模块和移动网络接入模块，另外配有I/O端口及扩展端口。
网关的数据流量第6期汤文亮，等:
基于ZigBee无线传感器网络的森林火灾监测系统51,传感器节点电路原理图大、功能多，需采用功能较强的嵌入式处理器，本网关选用英特尔公司2003年底推出的PXA270嵌入式处理器，该处理器基于ARMv5E的Xscale核心，源用WirelessMMX技术和SpeedStep动态电源管理技术，主频在26～624MHz（最高）之间自由调节，是一款性能极其强劲的嵌入式低功耗处理器。
JN5139无线射频模块负责与协调器节点、传感器节点双向通讯，接收采集节点发送过来的数据，向节点发送控制命令。
移动网络接入模块采用GPRS芯片，作为网关与移动网络相连接的接口，负责将数据发送到移动网络并接收控制台从移动网络发来的控制信息等。
5数据传输流程5.1系统组网与定位锚节点、协调器节点和未知节点通过飞机空中撒播到林区后，协调器开启进行组网，其他节点选择加入网络。
网络组建完毕，锚节点通过GPS系统自动获取自身的位置信息，位置获取完毕，再把自身的位置信息向周围未知节点广播。
网络内未知节点，根据接收到锚节点广播的位置信息数量和定位算法进行定位计算，定位完毕把定位信息传输至远程监控服务器。
如果未知节点接收到锚节点的位置信息个数小于定位算法的参数要求，那么未知节点根据定位的其他定位处理方式再进行二次定位。
二次定位失败，将定位失败的节点信息发送到远程监控服务器，服务器再进行其他处理。
数据采集子系统组网与定位过程见图6。
5.2系统数据传输数据采集子系统能自动定位，林业部门监控服务器也可以通过发送命令对节点进行位置更新与定位，数据采集子系统采用主动监控与被动响应服务器指令的方式完成数据在整个ZigBee网络内的传输。
整个数据传输流程如图6、7所示。
图6系统组网与定位过程工作人员可以通过互联网远程操作监控林业部门服务器，对数据进行管理，对空气温湿度、林区烟雾情52实验室研究与探索.
项目硬件模块选择：
1.协调器一个；
2.带温湿度、光照传感器的传感器节点一个；
3.电脑一台，装有VisualStudio2010软件、串口调试助手软件；
4.USB数据线两根。
项目软件开发：
1.协调器及传感器节点连接
按照上一节中介绍的协调器和传感器节点的连接方式进行连接，连接效果图如图1-1，图1-2所示。
2.连接状态判断
节点与协调器的连接判断及使用串口调试助手软件进行通信调试的方法跟上一节中相似，在此就不再重复描述。
3.按项目1步骤建立一个项目，命名为WSInPut。
4.界面设计
（1）控件选择
从工具箱中依次拖入表1-1所列控件，并按照表中的内容修改控件属性。
表1-1控件属性设置
控件名
控件属性
属性值
备注
Form1
Text
温湿度光照信息采集
窗体标题文本
Size
500，500
窗体宽，高
label1
选择串口
标签文本
label2
波特率
label3
数据返回
label4
温度
label5
℃
label6
湿度
label7
%
label8
光照度
label9
Lux
groupBox2
温湿度信息
容器标题文本
button1
Name
对象名称
打开串口
按钮标题文本
button2
退出系统
button3
数据采集
chart1
Series
点击
添加成员，如图1-3所示
ChartType
Spline
图表类型
comboBox1
空
获取的串口名称
comboBox2
获取的串口波特率
textBox1~
textBox4
获取显示数据
上述这些控件的添加完成，还需要添加timer与SerialPort控件，这两个控件在最后的程序运行界面上是不显示的。
程序中我们采用是自动的获取温湿度及光照等信息，事件间隔为1S。
完成设计界面如图1-4所示：
图1-3Chart1添加成员
图1-4程序界面
（2）代码编写
本程序中代码主要分为两部分，一部分是串口通信代码，另一部分是温湿度、光照数据采集代码。
串口通信代码跟上一个任务中的代码一样。
在进行数据采集时，通过“数据采集”按钮来控制timer控件，当timer的Enabled属性为True时，就执行温湿度、光照数据采集功能。
窗体加载From1_load事件代码：
privatevoidForm1_Load（objectsender,EventArgse）
{
//获取计算机当前串口，并显示
获取计算机当前串口，并显示
string[]ports=SerialPort.GetPortNames（）;
comboBox1.Items.AddRange（ports）;
comboBox1.SelectedIndex=comboBox1.Items.Count>
0?
0:
-1;
comboBox2.Text="
57600"
;
chatShow（0,0）;
}
“打开串口”按钮相应的代码：
获取计算机当前串口，并显示
else
try
//设置串口名称，波特率
sPort1.PortName=comboBox1.Text;
sPort1.BaudRate=Convert.ToInt32（comboBox2.Text）;
sPort1.Open（）;
}
catch
MessageBox.Show（"
串口打开失败"
）;
button1.Text=sPort1.IsOpen?
"
关闭串口:
打开串口"
sPort1_DataReceived事件：
StringBuilderbuilder=newStringBuilder（）;
privatevoidsPort1_DataReceived（objectsender,SerialDataReceivedEventArgse）
intn=sPort1.BytesToRead;
byte[]buf=newbyte[n];
sPort1.Read（buf,0,n）;
this.Invoke（（EventHandler）（delegate
foreach（bytebinbuf）
builder.Append（b.ToString（"
X2"
）+"
}））;
catch（ExceptionEX）
MessageBox.Show（EX.Message,"
提示"
双击“数据采集”按钮，添加button3_Click事件：
if（button3.Text=="
数据采集"
）
timer1.Enabled=true;
timer1.Interval=1000;
button3.Text="
停止采集"
timer1.Enabled=false;
本段程序设置button3的显示文本，并通过文本的不同来控制定时器的运行情况。
双击timer1，添加timer1_Tick事件：
stringM="
"
doubleWD=0.0;
doubleSD=0.0;
doubleGZ=0.0;
privatevoidtimer1_Tick（objectsender,EventArgse）
//温湿度控制指令3A30376600002F十六进制
if（sPort1.IsOpen）
byte[]WS={0x3A,0x30,0x37,0x66,0x00,0x00,0x2F};
sPort1.Write（WS,0,7）;
M=builder.ToString（）;
if（builder.Length==66）
byte[]by=newbyte[24];
by[0]=Convert.ToByte（M.Substring（18,2）,16）;
by[1]=Convert.ToByte（M.Substring（21,2）,16）;
by[2]=Convert.ToByte（M.Substring（24,2）,16）;
by[3]=Convert.ToByte（M.Substring（27,2）,16）;
by[4]=Convert.ToByte（M.Substring（30,2）,16）;
by[5]=Convert.ToByte（M.Substring（33,2）,16）;
by[6]=Convert.ToByte（M.Substring（36,2）,16）;
by[7]=Convert.ToByte（M.Subs
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