基于STM32F和ZigBee的森林火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

森林火情監(jiān)控系統(tǒng)利用預(yù)設(shè)在森里中的各種不同功能的傳感器節(jié)點(diǎn)采集各類森里環(huán)境參數(shù)，傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，利用信息管理軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示、分析處理等操作，對(duì)異常情況進(jìn)行預(yù)測(cè)和報(bào)警。

目前，我國(guó)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?yàn)樯只馂?zāi)經(jīng)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(wú)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(shù)，適合傳感器節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)要求；短波作為一種遠(yuǎn)距離無(wú)線通信技術(shù)，在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方面有著獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。以上二者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在森里火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 通信系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

整個(gè)系統(tǒng)由3部分構(gòu)成，如圖1所示。


1）ZigBee網(wǎng)絡(luò)該網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，采集并無(wú)線發(fā)送森林環(huán)境信息；Coor-Node的組成，用途。在單個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，所有的End-Node和Coor-Node節(jié)點(diǎn)按照Z(yǔ)igBee協(xié)議組成星型網(wǎng)絡(luò)。

2）中繼節(jié)點(diǎn)一個(gè)帶有為控制器的網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點(diǎn)，具有短波和ZigBee兩種協(xié)議數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換能力，ZigBee模塊部分接受ZigBee網(wǎng)絡(luò)采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理后，通過(guò)短波數(shù)傳電臺(tái)傳送送遠(yuǎn)程上位機(jī)監(jiān)控中心，同時(shí)通過(guò)短波數(shù)傳電臺(tái)也能夠從上位機(jī)獲得各種控制和設(shè)置指令，并把這些指令傳送到ZigBee網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置。

3）上位機(jī)監(jiān)控中心 上位機(jī)端，電臺(tái)將接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并數(shù)據(jù)由串口輸入上位機(jī)的管理軟件中，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)置和森林環(huán)境參數(shù)的顯示、查詢、存儲(chǔ)等功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)有ZigBee網(wǎng)絡(luò)的End-Node和Coot-Node節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)3部分組成。End節(jié)點(diǎn)采用XBee PRO 900XSC模塊作為無(wú)線收發(fā)模塊，Coot-Node節(jié)點(diǎn)采用ARM7+XBee PRO 900 XSC+Pt-205模塊構(gòu)成。中繼節(jié)點(diǎn)采用Pt-205模塊短波傳輸模塊。以下分析Coor-Node節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)方案。Coor-Node節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

Coor-Node處在系統(tǒng)的中間層，既要與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，又要與通過(guò)數(shù)傳電臺(tái)與上位機(jī)監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，這就要求其具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力?；诖丝紤]，本設(shè)計(jì)方案選用了ST公司的STM32F103C8作為微控制器。STM32F103C8是基于一個(gè)實(shí)時(shí)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(chǔ)器。采用48腳封裝、極低的功耗，多個(gè)32位定時(shí)器，2路12位的ADC、1個(gè)CAN總線以及多達(dá)7個(gè)的外部中斷。

數(shù)傳電臺(tái)模塊選用FY602型號(hào)的數(shù)傳電臺(tái)，載頻433MHz ISM頻段，無(wú)需申請(qǐng)頻段，接口速率和信道速率可達(dá)到38 400 bps.干擾性強(qiáng)，接收靈敏度高，應(yīng)用廣泛。

ZigBee模塊DIGI公司推出的新型XBP24-BWIT-004.250 kbps的數(shù)據(jù)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(yuǎn)距離的組網(wǎng)要求。

考慮到具體的硬件電路圖設(shè)計(jì)比較繁雜，在此給出Coor-Node的節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)框圖，STM32F103C8是數(shù)傳電臺(tái)和ZigBee模塊的中間層，通過(guò)兩個(gè)串口分別連接數(shù)傳電臺(tái)和ZigBee,作為模擬電臺(tái)數(shù)據(jù)和ZigBee數(shù)據(jù)的交互層，通過(guò)對(duì)其軟件進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)兩種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要以STM32F103C8為中心設(shè)計(jì)其外圍電路，包括電源電路設(shè)計(jì)、時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)、復(fù)位電路設(shè)計(jì)，存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)和接口電路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。整個(gè)系統(tǒng)有外部的12 V的太陽(yáng)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(shù)傳電臺(tái)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(zhuǎn)換芯片，得到各芯片相應(yīng)的工作電壓。電源部分的設(shè)計(jì)思想如圖3所示。

相對(duì)電源部分，時(shí)鐘電路和硬件復(fù)位電路的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，時(shí)鐘晶振采用12 MHZ的外部晶振電路，硬件復(fù)位電路采用MAX813復(fù)位芯片實(shí)現(xiàn)。由于TM32F103C8只具有64KB的片內(nèi)Flash存儲(chǔ)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(diǎn)地址等相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)的存儲(chǔ)問(wèn)題，所以外擴(kuò)了一塊8 MB的Flash和以一塊32 k的Sram62256.

在外圍設(shè)備接口電路方面，由于TM32F103C8和數(shù)傳電臺(tái)以及ZigBee模塊均為串口連接，在電路設(shè)計(jì)方面簡(jiǎn)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(shè)置完芯片的啟動(dòng)模式為system memory,即可通過(guò)串口和ISP軟件來(lái)下載Bin文件。程序下載板主要由一塊美信公司MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成。其能夠?qū)C串口標(biāo)準(zhǔn)（RS232）轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為TM32F103C8串口TTL標(biāo)準(zhǔn)。

相比TM32F103C8,由于數(shù)傳電臺(tái)和XBee都是模塊的封裝，其外圍電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。Xbee模塊的串口與TM32F103C8的串口0直接連接。數(shù)傳電臺(tái)的串口與TM32F103C8的串口1直接連接。另外，在實(shí)際應(yīng)用中，為了增加系統(tǒng)可視化，在硬件電路上增加數(shù)碼管顯示和LED指示燈，可通過(guò)數(shù)碼管和LED的狀態(tài)了解Coor-Node節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況，如與中繼節(jié)點(diǎn)的連接，芯片正常工作，接受和發(fā)送森林環(huán)境參數(shù)等。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為4部分：XBee模塊的單片機(jī)軟件編程，Coor-Node的節(jié)點(diǎn)TM32F103C8軟件編程，中繼節(jié)點(diǎn)軟件編程，上位機(jī)管理軟件的設(shè)計(jì)。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(diǎn)的XBee模塊上的單片機(jī)編程和Coor-Node節(jié)點(diǎn)的XBee模塊上的單片機(jī)編程。

Coor-Node節(jié)點(diǎn)的XBee模塊上的單片機(jī)編程。Coor-Node節(jié)點(diǎn)的XBee模塊在構(gòu)建的星型網(wǎng)絡(luò)中作為協(xié)調(diào)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器軟件流程圖如圖4所示。

End-Node節(jié)點(diǎn)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(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器Coor-Node節(jié)點(diǎn)，通過(guò)相應(yīng)的信道發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求，一旦Coor-Node節(jié)點(diǎn)接受了該設(shè)備，它將發(fā)送一個(gè)16位的短地址給設(shè)備，作為設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中標(biāo)識(shí)。

系統(tǒng)任務(wù)定時(shí)進(jìn)行喂狗和向上位機(jī)發(fā)送心跳幀。定時(shí)喂狗可以在程序"跑飛"和"死鎖"情況下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)位：在數(shù)據(jù)上傳間隔時(shí)間較長(zhǎng)的情況下，定時(shí)發(fā)送心跳幀能夠檢測(cè)設(shè)備是否正常工作。

4 結(jié)論

以上提出了一種新的基于ZigBee和ARM的無(wú)線森林火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有機(jī)結(jié)合了ARM高效的處理技術(shù)、短波靈活的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和Zig Bee的低成本、低功耗等特點(diǎn)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可靠性強(qiáng)，該系統(tǒng)在森林火情監(jiān)測(cè)中有良好的應(yīng)用前景。