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森林在國民經濟中占有重要地位，然而，森林火災會給森林帶來嚴重危害。但是，人類在制服森林火災上，卻依然尚未取得突破性的進展，于是在火災還在萌芽狀態(tài)立即撲滅它就顯得尤為重要。因此推廣森林火情監(jiān)測系統(tǒng)具有非常中的價值和意義。
森林火情監(jiān)控系統(tǒng)利用預設在森里中的各種不同功能的傳感器節(jié)點采集各類森里環(huán)境參數，傳輸到上位機，利用信息管理軟件，進行數據存儲、顯示、分析處理等操作，對異常情況進行預測和報警。
目前，我國還有部分的森林火情監(jiān)控還采用興建瞭望塔、建立視頻監(jiān)控等方式。因為森林火災經常發(fā)生在人煙罕至的原始森林中，因此上述方式存在著諸多不足。鑒于此，提出了一種基于ZigBee+短波無線通信的森林火情監(jiān)控系統(tǒng)。ZigBee是一種近距離通信技術，適合傳感器節(jié)點的組網要求；短波作為一種遠距離無線通信技術，在遠程數據傳輸方面有著獨到的優(yōu)勢。以上二者的優(yōu)勢互補，在森里火情監(jiān)測系統(tǒng)中具有廣闊的應用前景。
1 通信系統(tǒng)總體設計方案
整個系統(tǒng)由3部分構成，如圖1所示。
1）ZigBee網絡該網絡中的ZigBee模塊按功能不同，可分為End-Node和Coor-Node.End,是一種帶有傳感器的數據采集節(jié)點，采集并無線發(fā)送森林環(huán)境信息；Coor-Node的組成，用途。在單個網絡內，所有的End-Node和Coor-Node節(jié)點按照ZigBee協(xié)議組成星型網絡。
2）中繼節(jié)點一個帶有為控制器的網絡中繼節(jié)點，具有短波和ZigBee兩種協(xié)議數據的轉換能力，ZigBee模塊部分接受ZigBee網絡采集到的數據，經過處理后，通過短波數傳電臺傳送送遠程上位機監(jiān)控中心，同時通過短波數傳電臺也能夠從上位機獲得各種控制和設置指令，并把這些指令傳送到ZigBee網絡，從而實現對對監(jiān)測網絡的設置。
3）上位機監(jiān)控中心 上位機端，電臺將接收到的模擬信號轉化為數字信號，并數據由串口輸入上位機的管理軟件中，從而實現整個監(jiān)測網絡系統(tǒng)的設置和森林環(huán)境參數的顯示、查詢、存儲等功能。
2 系統(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)硬件設計有ZigBee網絡的End-Node和Coot-Node節(jié)點與中繼節(jié)點3部分組成。End節(jié)點采用XBee PRO 900XSC模塊作為無線收發(fā)模塊，Coot-Node節(jié)點采用ARM7+XBee PRO 900 XSC+Pt-205模塊構成。中繼節(jié)點采用Pt-205模塊短波傳輸模塊。以下分析Coor-Node節(jié)點的硬件設計方案。Coor-Node節(jié)點硬件設計框圖如圖2所示。
Coor-Node處在系統(tǒng)的中間層，既要與無線傳感器網絡進行通信，又要與通過數傳電臺與上位機監(jiān)控中心進行數據交互，這就要求其具有較強的數據處理能力。基于此考慮，本設計方案選用了ST公司的STM32F103C8作為微控制器。STM32F103C8是基于一個實時仿真和跟蹤的32位CortexTM-M3 core CPU的微控制器，并帶有64 kB嵌入的高速Flash存儲器。采用48腳封裝、極低的功耗，多個32位定時器，2路12位的ADC、1個CAN總線以及多達7個的外部中斷。
數傳電臺模塊選用FY602型號的數傳電臺，載頻433MHz ISM頻段，無需申請頻段，接口速率和信道速率可達到38 400 bps.干擾性強，接收靈敏度高，應用廣泛。
ZigBee模塊DIGI公司推出的新型XBP24-BWIT-004.250 kbps的數據傳輸速率。1 600 M的通信距離，支持AT和API命令集，工作頻段為868/915 MHz.特別適合遠距離的組網要求。
考慮到具體的硬件電路圖設計比較繁雜，在此給出Coor-Node的節(jié)點的硬件設計框圖，STM32F103C8是數傳電臺和ZigBee模塊的中間層，通過兩個串口分別連接數傳電臺和ZigBee,作為模擬電臺數據和ZigBee數據的交互層，通過對其軟件進行編程，實現兩種網絡數據的轉化。
系統(tǒng)硬件設計主要以STM32F103C8為中心設計其外圍電路，包括電源電路設計、時鐘電路設計、復位電路設計，存儲電路設計和接口電路設計等方面。
在Coor-Node電路板上因很多芯片的工作電壓和電流不同，因此電源部分的設計非常關鍵。整個系統(tǒng)有外部的12 V的太陽蓄電池供電，而TM32F103C8的工作電壓為1.8 V,I/O工作電壓為3.3 V,數傳電臺的工作電壓為4.5~5.5 V,ZigBee模塊的供電電壓為3.3 V,因此選擇LM2576-5.0,MIC29302及AMS1117系列的電壓轉換芯片，得到各芯片相應的工作電壓。電源部分的設計思想如圖3所示。
相對電源部分，時鐘電路和硬件復位電路的設計相對簡單，時鐘晶振采用12 MHZ的外部晶振電路，硬件復位電路采用MAX813復位芯片實現。由于TM32F103C8只具有64KB的片內Flash存儲器和20 kB的SRAM,只能夠滿足系統(tǒng)的基本需求，有考慮到ZigBee子節(jié)點地址等相關系統(tǒng)參數的存儲問題，所以外擴了一塊8 MB的Flash和以一塊32 k的Sram62256.
在外圍設備接口電路方面，由于TM32F103C8和數傳電臺以及ZigBee模塊均為串口連接，在電路設計方面簡單可靠。TM32F103C8的程序燒寫方式采用在系統(tǒng)（ISP），采用ST的ISP軟件，設置完芯片的啟動模式為system memory,即可通過串口和ISP軟件來下載Bin文件。程序下載板主要由一塊美信公司MAX3232電平轉換芯片構成。其能夠將PC串口標準（RS232）轉轉換為TM32F103C8串口TTL標準。
相比TM32F103C8,由于數傳電臺和XBee都是模塊的封裝，其外圍電路設計比較簡單。Xbee模塊的串口與TM32F103C8的串口0直接連接。數傳電臺的串口與TM32F103C8的串口1直接連接。另外，在實際應用中，為了增加系統(tǒng)可視化，在硬件電路上增加數碼管顯示和LED指示燈，可通過數碼管和LED的狀態(tài)了解Coor-Node節(jié)點的運行情況，如與中繼節(jié)點的連接，芯片正常工作，接受和發(fā)送森林環(huán)境參數等。
3 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件設計分為4部分：XBee模塊的單片機軟件編程，Coor-Node的節(jié)點TM32F103C8軟件編程，中繼節(jié)點軟件編程，上位機管理軟件的設計。在此只介紹XBee模塊的軟件編程。XBee軟件編程包括采集節(jié)點的XBee模塊上的單片機編程和Coor-Node節(jié)點的XBee模塊上的單片機編程。
Coor-Node節(jié)點的XBee模塊上的單片機編程。Coor-Node節(jié)點的XBee模塊在構建的星型網絡中作為協(xié)調器，協(xié)議棧初始化，創(chuàng)建PAN CO-ORDINATOR,選擇PAN ID和Coor-Node的短地址，選擇空閑信道，啟動網絡，轉發(fā)數據。協(xié)調器軟件流程圖如圖4所示。
End-Node節(jié)點的XBee模塊的編程，首先協(xié)議棧初始化，然后掃描信道發(fā)現網絡中的協(xié)調器Coor-Node節(jié)點，通過相應的信道發(fā)送加入網絡的請求，一旦Coor-Node節(jié)點接受了該設備，它將發(fā)送一個16位的短地址給設備，作為設備在網絡中標識。
系統(tǒng)任務定時進行喂狗和向上位機發(fā)送心跳幀。定時喂狗可以在程序"跑飛"和"死鎖"情況下實現自動復位：在數據上傳間隔時間較長的情況下，定時發(fā)送心跳幀能夠檢測設備是否正常工作。
4 結論
以上提出了一種新的基于ZigBee和ARM的無線森林火情監(jiān)測系統(tǒng)，有機結合了ARM高效的處理技術、短波靈活的遠程數據傳輸技術和Zig Bee的低成本、低功耗等特點，經實驗表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可靠性強，該系統(tǒng)在森林火情監(jiān)測中有良好的應用前景。
作者：謝騰 陳壽元 邵增珍 來源：電子設計工程
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