无线传感器网络在森林火灾监测中的应用研究
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I
摘 要
森林是人类赖以生存和发展的最重要的资源之一，它更是地球生态平衡的保
护者。但是，由于自然环境以及人为因素等原因，森林火灾时有发生，森林火灾
是破坏森林资源、威胁人类生存环境的灾害之一。对森林火灾进行预防和监测已
成为各国森林防火部门的一个重要研究热点。
低成本、易于部署、实时性和监测精度高的优势使无线传感器网络具备林区
的火灾监测要求。本论文通过对无线传感器网络的研究，提出了将无线传感器网
络技术应用到森林火灾监测系统中的方案，在方案中设计了传感器节点软硬件的
实现，并对适用于森论火灾监测应用环境的网络路由协议进行了深入的研究。本
论文主要进行了以下研究：首先分析了森林火灾监测的研究现状及意义,然后介绍
了无线传感器网络的概念、结构体系、关键技术与主要应用。在此基础上实现了
系统的软硬件平台设计。在硬件设计上，无线通信模块（处理器模块）选用了
CC2430，传感器模块选用了温湿度传感器 SHT11。在软件设计上，分别对中心节
点、路由节点、终端节点做了详细的介绍与说明。还利用 LabVIEW 软件开发了上
位机用户操作界面，方便用户直观的面对获取的环境信息并执行用户操作。最后
结合森林火灾监测系统的特点，提出了一种 LEACH 协议的改进算法，阐述了该协
议的基本思想和执行过程。
关键词：无线传感器网络 路由协议 CC2430 SHT11 LabVIEW
II
ABSTRACT
The forest is one of the most important resources of human survival and
development, it is the protector of earth's ecology balance. However, due to the natural
environment and human factors and other reasons, forest fires have occurred frequently.
Forest fires are destroying forest resources, threatening human survival environment
disasters. prevention and monitoring of forest fire department has become an important
research focus.
Low-cost, easy deployment, real-time monitoring and high precision of wireless
sensor network have advantages of the forest fire monitoring. This paper on wireless
sensor network research, the wireless sensor network technology will be applied to
forest fire monitoring system, In plan design the hardware and software realization of
sensor nodes, and the Routing protocol applicable to forest fire monitoring environment
in-depth research.This paper conducted the following study: firstly analyzes the
research status of forest fire monitoring and significance. Then introduces the concept
of wireless sensor network, structure system, key technology and the main application.
On the basis of the system hardware and software platform designed. In the hardware
design, wireless communication module (CPU module) chose CC2430, sensor module
chose SHT11. In software design, the center nodes, routing node, terminal node made a
detailed introduction and description. Also use the LabVIEW software developed PC
user interface, and convenient user intuitive in the face of access to obtain
environmental information and execute user operations. Based on the characteristics of
forest fire monitoring system, proposed an improved algorithm of LEACH protocol,
described the basic ideas and execution implementation process.
Key Words: Wireless sensor network, Routing protocol, CC2430,
SHT11, LabVIEW
I
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ....................................................... 1
§1.1 课题研究背景及意义 .......................................... 1
§1.2 林火监测的国内外研究现状 .................................... 1
§1.3 课题的主要研究内容 .......................................... 2
第二章 无线传感器网络的简介 ......................................... 4
§2.1 无线传感器网络概述 .......................................... 4
§2.2 无线传感器网络的要素与结构 .................................. 4
§2.3 无线传感器网络的关键技术 ................................... 5
§2.4 无线传感器网络的主要应用 ................................... 6
§2.5 本章小结 ................................................... 9
第三章 系统整体方案的设计 .......................................... 10
§3.1 整体方案设计分析 ........................................... 10
§3.1.1 无线传感器网络的实现 ................................. 10
§3.1.2 系统整体结构设计分析 ................................. 10
§3.1.3 系统功能设计分析 ..................................... 11
§3.1.4 传感器节点结构设计分析 ............................... 12
§3.2 各模块的分析及硬件选型 ..................................... 13
§3.2.1 传感器模块 ........................................... 13
§3.2.2 无线通信模块（包括处理器模块） ....................... 15
§3.2.3 电源模块 ............................................. 17
§3.2.4 串口模块 ............................................. 18
§3.3 传感器节点 PCB 板的设计 ..................................... 19
§3.4 本章小结 ................................................... 19
第四章 系统软件设计 ................................................. 21
§4.1 系统软件开发平台的选择 .................................... 21
§4.2 ZigBee 协议栈简介 .......................................... 21
§4.3 传感器节点的软件流程设计 ................................... 22
§4.3.1 终端节点的软件流程设计 ............................... 22
§4.3.2 路由节点的软件流程设计 ............................... 23
§4.3.3 中心节点的软件流程设计 ............................... 25
§4.4 各模块的软件设计 .......................................... 26
II
§4.4.1 数据采集模块 ......................................... 26
§4.4.2 周期采样模块 ......................................... 27
§4.4.3 能量检测模块 ......................................... 28
§4.4.4 数据收发模块 ......................................... 29
§4.4.5 串口通信模块 ......................................... 30
§4.5 上位机的软件设计 ........................................... 31
§4.5.1 LabVIEW 简介 ........................................ 31
§4.5.2 上位机界面显示 ....................................... 32
§4.6 本章小结 ................................................... 35
第五章 森林火灾监测系统路由协议研究 ................................ 36
§5.1 无线传感器网络路由协议的特点 ............................... 36
§5.2 无线传感器网络路由技术的分类 ............................... 36
§5.3 森林火灾监测系统系统路由协议的设计 ......................... 37
§5.3.1 森林火灾监测系统的网络特点 ........................... 37
§5.3.2 LEACH 协议简介 ....................................... 37
§5.3.3 森林火灾监测系统的网络模型 ........................... 38
§5.3.4 森林火灾监测系统路由协议的核心思想 ................... 39
§5.4 森林火灾监测系统路由协议的实现 ............................. 39
§5.4.1 簇的建立 ............................................. 41
§5.4.2 路由的建立 ........................................... 43
§5.4.3 稳定传输 ............................................. 44
§5.4.4 簇头轮换 ............................................. 45
§5.5 本章小结 ................................................... 45
第六章 总结与展望 .................................................. 46
§6.1 总结 ...................................................... 46
§6.2 展望 ...................................................... 46
参考文献 ............................................................ 48
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 51
一、论文 ........................................................ 51
致 谢 .............................................................. 52
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题研究背景及意义
随着社会的发展，人们生活的环境在不断的改变，特别是近代快速发展的机
械制造业让社会发生了巨大的变革，但同时也让全球的生态环境发生了巨大的改
变。温室效应、空气污染等一系列的环境问题，让人们更加地认识到陆地生态系
统的主体、生物的天然氧吧——森林系统在整个生态环境中的重要地位。然而这
个人类的宝贵财富却在不断的减少，一方面是人类的滥砍滥伐，另一方面是森林
的火灾。人类对森林的砍伐行为可以通过法律来约束，但火灾无情，森林火灾的
发生却让人猝不及防。特别是近年来降水偏少、温度偏高，虽然没有特大火灾，
但是小型的林火却一直不断，自 2010 年11 月1日起仅山东 40 天发生 5起森林火
灾，倘若预防不及时将会酿成巨大的损失。
林区的地形一般比较复杂，地域广阔，一旦发生林火，造成的损失是难以估
计的，这种破坏带来的不仅仅是人类财富的损失，更重要的是林区一旦破坏极难
恢复，严重影响全球的生态平衡，甚至会影响到人类的生存发展。各国在保护森
林资源方面都非常的重视，森林的防火理论与实践研究目前已经形成了专门的领
域。保护森林资源的重点是防止森林火灾的发生，而防止森林火灾的重中之重是
林火监测。林火监测是森林防火的起点也是终点，只要这一步谋划好，森林火灾
完全可以避免。
因此，把无线传感器网络应用到森林火灾监测中，实现森林环境信息的采集，
达到森林火灾的预防监测，可以大大的减少森林火灾的发生，对于保护森林和自
然环境有着重要的意义。
§1.2 林火监测的国内外研究现状
一般来说，林火监测技术的主要任务就是林火的及时发现和报警。科技日新
月异，林火监测技术随之不断发展，高科技产品不断被研发并应用到林火监测中
去，例如红外线监测、电视监测、地波雷达监铡、雷击火监测、微波监测和卫星
监测等。
林火监测一般分成四个控制区间：地面巡护、瞭望台观测、空中飞机巡护和
空间卫星监测[1,2]。在日常的应用中，地面巡护需要大量的人力物力，加之林区地
形复杂，面积辽阔，并有野生动物等威胁，实现全方位监测不现实；瞭望台观测
无线传感器网络在森林火灾监测中的应用研究
2
火情是通过烟雾，存在很大的缺陷，林火发生一般是地面树叶腐败发热引发，当
形成烟雾时火情已经基本形成，时间延迟比较大，而且观测距离有限；飞机巡逻
虽然可以扩大范围，但耗资巨大，且受天气影响严重，特别是在一些大风天气更
容易发生扩散性火灾；空间卫星观测是随着网络与通信技术、计算机技术、遥感
技术(Remote Sensing，RS)、地理信息系统(Geography Information Systems，GIS)
以及全球定位系统(Global Positioning Systems，GPS)的迅速发展兴起的，这里最重
要的就是“3S”技术，即 RS、GIS、GPS。“3S”技术有着独特的优越性，可以实现
实时监控森林火情、快速采集与处理森林资源信息，为林火防控提供先期预警和
决策支持。但是，这种监测方法同样也存在着许多问题，比如数据来源以及精度
一直是地理信息系统（GIS）技术的一个瓶颈，天空云层厚度、卫星偏轨等因素严
重影响卫星遥感图像的准确性，这种种因素都影响对火点定位的精度甚至出现误
判现象。
法国一家防火器材公司研发出的远距离森林火灾监测系统，可以在雾天有效
地监测出 2km 以外一片燃烧的树叶及 8km 以外较弱火区的火势。而它的原理比较
简单，使用远距离火源探测器、一台电脑和一架带有红外线摄像功能的相机。
俄罗斯科学家研制的火灾监测系统是基于一套闭路电视系统，它装有电视屏
幕状的控制装置，可以通过装在瞭望台上的影像信号传动系统检测发现森林火灾
烟雾，传送到观测屏幕上，并可以远距离遥控影像信号传动系统。
意大利研制的火灾监测系统则是基于红外线感应的，它通过红外线监测端感
知周围温度变化，具有很高的灵敏度，而且可以 360 度/分钟的旋转频率对林区进
行扫描，监测感知范围达到 120km2，倘若连续扫描 3次均发现某一地点地面温度
升高，红外感应装置便会自动发出火灾警报，在摄像机监测到火焰前率先发出预
警。
§1.3 课题的主要研究内容
本文所要完成的设计任务如下:
硬件部分：根据实际应用设计各节点的具体电路，包括芯片的选择、芯片的
连接、芯片的外围电路设计。串行通信接口设计、电源部分的设计，PCB 制作等。
软件部分：使用 ZigBee 协议完成无线网络的连接，设计数据采集程序，能量
检测程序，串口通信程序，以及编写上位机软件实现显示和存储功能。
路由设计：基于森林火灾监测的应用环境，通过对 LEACH 协议的改进补充，
提出了森林火灾监测系统的路由协议的设计。
本文各章的主要结构正是基于以上内容展开的，结构安排如下：
摘要：
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I摘要森林是人类赖以生存和发展的最重要的资源之一，它更是地球生态平衡的保护者。但是，由于自然环境以及人为因素等原因，森林火灾时有发生，森林火灾是破坏森林资源、威胁人类生存环境的灾害之一。对森林火灾进行预防和监测已成为各国森林防火部门的一个重要研究热点。低成本、易于部署、实时性和监测精度高的优势使无线传感器网络具备林区的火灾监测要求。本论文通过对无线传感器网络的研究，提出了将无线传感器网络技术应用到森林火灾监测系统中的方案，在方案中设计了传感器节点软硬件的实现，并对适用于森论火灾监测应用环境的网络路由协议进行了深入的研究。本论文主要进行了以下研究：首先分析了森林火灾监测的研究现状及意义,然后介绍...
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