基于ZigBee的传感器网络在森林防火系统应用 金纯 [1、2] 、罗凤[1] (1重庆邮电学院，(400065) 重庆金瓯科技发展有限责任公司(2) 重庆( 400039) 地址：重庆市石桥铺科园三路106#高新区留学人员创业园208# 邮政编码：400039 电话：（023）60603888 E-mail：wxbcqu@163.com    【择  要 】本文将介绍一项新的无线技术――ZigBee在森林防火系统中的应用。由于ZigBee功率小、成本低等优点，非常适宜用于森林防火系统。它可以构架一个较大范围的无线传感器网络，用于监测森林的各项指标，收集必要的信息，传到指挥中心，进行数据分析，从而对森林的情况进行实时监控。
	该论发表于《林业科技开发》2006年第20卷第6期 国内统一刊号 ISSN1000-8101 CN32-1160/S

【关键词】 森林防火  ZigBee  无线传感器网络

Wireless sensor network based on ZigBee with Applications for forest fire prevention

JIN Chun [1、2]、LUO Feng [1]
（1 Chongqing university of posts and telecommunications, Chongqing, 400065,China,
2 Chongqing JINOU science and technology development co..Ltd, Chongqing,400039,China）

  Abstract: This paper is mainly about the application of ZigBee in forest fire prevent .we use ZigBee to transmit the single of senor, then though the wire line, the central computer to process these data, and give a result to test the forest weather safety or not. Because of the low cost and the low power of the ZigBee, it is feasible to place in forest to pick up the information.

Key word: forest fire prevention  ZigBee  wireless senor network (WSN)

森林是与人类生存息息相关的一种重要的生态资源。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。森林防火系统其实比较简单，它只需要收集位于森林各个位置的数据，包括地理位置、空气的湿度、温度、气压、光强度以及风向等等，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。如果运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ZigBee就能设计成传感器网络在这方面发挥很好的功效。

1 ZigBee技术介绍

    ZigBee是一种短距离、架构简单、低消耗功率和低传输速率的无线通讯技术，主要适用于自动控制、传输、传感、监控和远程控制等领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能[1]。它的物理层、MAC层和链路层采用了IEEE802.15.4（个人无线局域网）协议标准，并在此基础进行了进一步的完善。其网络层、应用层和高层应用规范（API）由ZigBee联盟制定。它工作在采用直接序列扩频的工业科学医疗（ISM）频段，即2.4GHz、915MHz、868MHz的免执照频段，非常适用于无线传感器网络。
2 ZigBee在森林防火系统中的应用：
    无线传感器网络用于森林防火系统，需要在森林中由人工散布节点，这些节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中所需要的信息，可以实现对任意地点信息在任意时间的采集、处理和分析。
   一个典型的传感器网络的体系结构由分布式传感器节点、路由器节点、互联网和用户界面等组成。在这个网络中，传感器节点通过多跳中继的方式将数据传到路由器上，最后由路由器将所收集的整个网络的数据通过internet或者卫星传到远程的控制中心进行集中的处理。
   2.1 ZigBee网络拓扑结构：
   ZigBee网络可由ZigBee协调器、ZigBee路由器、ZigBee终端设备组成，且必须包括一台ZigBee协调器，负责管理和维护网络，包括路由、安全性、节点的附着与离开等等，它最多可以和65535个从属设备相连。因此，森林大面积的范围内不会出现由于能接入网络的节点数量过少而影响通信的质量。

   ZigBee明确定义了星形、簇状和网状三种拓扑结构。在这里建议采用簇状的拓扑结构，层次化路由协议。具体做法是将网络中的所有节点分为若干个簇，每个簇相当于是一块较为固定的自组织网络。簇的范围由网络覆盖面积的实际情况决定。ZigBee传输范围一般介于10m到75m之间，因此每两个相邻的簇节点之间的距离大约在75m以内是利于数据传输的。每个簇选举一个首领，用于接收本簇内所有节点送来的数据，实现数据融合功能，并发送到ZigBee协调器。同时，也可以接收ZigBee协调器的控制命令，并发送给本簇内的所有节点。簇首领应位于所划分的簇的较为中心的位置，使得每个节点和它的传输距离大致相同，各个节点的功耗分布较为均匀，从而避免某些节点由于传输距离较远而造成能量的过多消耗。每当加入新节点或废弃失效节点，网络的拓扑结构将发生动态的变化，因此这种结构也利于网络的重构和自我调整。如果采用多跳中继方式，距离路由器较远的节点必定通过过多的中继节点来延续数据的传输，这就会使部分中继节点的耗能相当大，电能提前用完，造成网络的中断。层次路由协议也避免了每一个节点都将数据直接发送给ZigBee协调器，出现数据传送内爆和重叠的问题。
    数据传输流程：如图1所示，先由监控主机发出对森林各项情况指标进行查询的请求命令，通过卫星或者internet传到路由器。路由器根据请求命令的具体要求，选择ZigBee协调器，例如ZigBee协调器2；接着ZigBee协调器2根据命令选择所要查询的簇1；当簇1首领收到控制命令以后，激活本簇内的所有节点，进行通信。节点及时采集数据，经过数模转换后发送给本簇的首领，再由首领传给ZigBee协调器1，然后发回到路由器，继而通过外部网络传给控制中心。控制中心对数据进行处理、分析，了解这个区域的森林实时情况。网络中的所有设备的ZigBee的MAC层都拥有一个64位的IEEE地址，一般使用16位短地址来减少数据包大小。在放置节点时，把节点的编号和节点放置的地理位置相对应，并输入控制中心的数据库。这样只要记录下终端地址，再根据节点编号就可以很容易确定传感器的地理位置。在控制中心收到数据以后，通过对数据的分析，根据温度、湿度、气压、光强度等信息的计算，可以评估出是否超过了火灾险情的界限，准确找到发送危险信息的地理位置，及时处理险情。

2.2 硬件设备设计

   ZigBee无线传感器网络的节点可以是削减功能设备(RFD)，它支持cluster tree拓扑结构，可以和簇首领或者协调器直接通信。它由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源管理单元四部分组成[2]。

图2 ZigBee传感器节点结构图

   数据采集单元负责监测区域内信息的采集和数据转换，本设计中数据采集单元包括了森林中空气的温度、湿度、光强度、大气压传感器和风向测试设备以及数模转换单元；数据处理单元负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理、任务管理等；数据传输单元负责与簇首领进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；电源管理单元选通所用到的传感器。节点电源由两节1.5V碱性电池组成。ZigBee工作在低耗电待机模式下，一块普通的碱性电池可支持一个节点工作六个月到两年时间，甚至更长。这是ZigBee的突出优势，特别适合应用于低成本的传感器网络。把它放入森林里，可以长时间的对环境的数据进行收集，不需频繁的更换电池。控制中心定时的对网络进行访问，每隔一段时间接收来自节点的数据。所以节点不是一直都处于工作状态中，当需要收集数据的时候，就唤醒节点；在数据采集完毕以后，令节点进入休眠状态，减少耗能。ZigBee的响应速度较快，在平时不进行数据采集的时候可以让其进入睡眠状态，节约电能。从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，相比较，蓝牙需要3～10s、WiFi需要3S。
   簇首领应为全功能设备（FFD），它可支持任何一种拓扑结构，并且可以和任何一种设备进行通信，相当于一个中继节点（PAN coordinator）。它的节点结构中不需要数据采集单元，其他单元与基本节点的结构类似。在电源管理方面，簇首领因为需要较远的距离传输到ZigBee传感器，就会比普通的节点耗能，所以应携带更大功率的电池。
    ZigBee节点硬件设备设计需要注意以下几个方面：第一，鉴于ZigBee传感器节点的低耗电量，如果使用纽扣电池或者在阳光较为充足的地方直接采用太阳能，更能延长节点设备的使用周期，甚至于可以使节点体积缩小到火柴盒大小。第二是防腐防潮。节点设备随机地位于森林中，由于长期日晒雨淋，甚至浸泡于水中，防腐防潮是节点外包装所必须具备的条件。第三是防震。由于森林中飓风、雷电等自然现象和动物们随机的运动都有可能引起ZigBee传感器节点的震动，从而影响数据的接收和发送。只有节点具备一定的防震措施，才能更可靠的保证节点的安全性和数据传输。
2.3 安全性：
   安全性对于个人无线局域网来说是极其重要的，ZigBee安全机制由安全服务提供层提供。IEEE    802.15.4/ZigBee协议使用MAC层的安全机制，来保证MAC命令帧、信标帧和响应帧的安全性。单跳的数据消息是通过MAC层的安全机制来做到的，而多跳的消息报文一般是通过更上层(如网络层)的安全机制来保证的。
???ZigBee每一层(MAC、网络或应用层)都能被保护。为了降低存储要求，它们可以分享安全钥匙。SSP是通过ZD0进行初始化和配置的，要求实现高级加密标准(AES)。它规范定义了信任中心的用途。信任中心是在网络中分配安全钥匙的一种令人信任的设备。在无线传感器网络中CSMA/CA（载波侦听多址/冲突避免）是一种非常有效的冲突控制方法，可以降低硬件的成本。ZigBee的信道接入方式采用这种方法，能有效地减少帧的冲突。为抗干扰和多径衰落，ZigBee在物理层采用直接序列扩频和频率捷变FA技术。为了保证帧的正确传输，ZigBee在MAC层采用了两个措施：自动请求重传ARQ和帧缓存。当一帧传给一个设备时，如果接受设备处于忙或者休眠状态而不能接收该帧，那么网络的主协调设备就暂时缓存该帧，直到收端能接收该帧[1]。这种安全机制使得整个网络具有高的稳定性和可靠性，便于维护。

   小结：采用ZigBee技术实现森林防火系统，是充分考虑到了ZigBee网络系统具有低成本、易实现、可靠的数据传输、低功耗以及各层次的安全性等特点。在由ZigBee组成的无线传感器网络中，运用层次化路由协议，提高了整个网络的数据融合能力，并节约了能量，提高了宽带利用率。随着传感器网络在日常生活和科学研究等方面的广泛应用，ZigBee作为一种新的技术必将得到更大的发展空间。

参考文献

[1]? 金纯，蒋小宇，罗祖秋，ZigBee与蓝牙的分析与比较[J],信息技术与标准化，2004(6)：17-20。
[2]? 崔莉，鞠海玲，苗勇等，无线传感器网络研究进展[J]，计算机研究与发展，2005，42(1)：163-174。

作者简介

   金纯(Jin chun)：(1966- )，男，籍贯重庆，美国伊利诺伊大学计算机专业博士，重庆邮电学院教授，硕士研究生导师，研究方向：通信网。曾任美国微软资深软件工程师与项目主管，参与过 Oracle 、 SQL Server 、 Hotmail等大型项目并因在Hotmail项目中表现杰出获比尔·盖茨亲授奖牌，主持开发了国内第一套蓝牙开发平台、蓝牙网关、蓝牙通用无线接口模块、蓝牙耳机等系列产品，参与863项目：基于"蓝牙"技术的工业现场设备、监控网络及其关键技术研究，现有专著包括《蓝牙技术》、《802.11b无线局域网》、《无线网络安全》，现为重庆蓝牙无线技术研究所所长。

罗凤(Luo feng)：（1982- ），女，籍贯重庆，重庆邮电学院通信与信息系统专业硕士研究生，研究方向：个人通信。

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