基于STM32F和ZigBee的森林火情監測系統設計 - 全文

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立即撲滅它就顯得尤為重要。因此推廣森林火情監測系統具有非常中的價值和意義。

森林火情監控系統利用預設在森里中的各種不同功能的傳感器節點采集各類森里環境參數，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控還采用興建瞭望塔、建立視頻監控等方式。因為森林火災經常發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控系統。ZigBee是一種近距離通信技術，適合傳感器節點的組網要求；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勢。以上二者的優勢互補，在森里火情監測系統中具有廣闊的應用前景。

1 通信系統總體設計方案

整個系統由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點，采集并無線發送森林環境信息；Coor-Node的組成，用途。在單個網絡內，所有的End-Node和Coor-Node節點按照ZigBee協議組成星型網絡。

2）中繼節點一個帶有為控制器的網絡中繼節點，具有短波和ZigBee兩種協議數據的轉換能力，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，從而實現對對監測網絡的設置。

3）上位機監控中心上位機端，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，從而實現整個監測網絡系統的設置和森林環境參數的顯示、查詢、存儲等功能。

2 系統硬件設計

系統硬件設計有ZigBee網絡的End-Node和Coot-Node節點與中繼節點3部分組成。End節點采用XBee PRO 900XSC模塊作為無線收發模塊，Coot-Node節點采用ARM7+XBee PRO 900 XSC+Pt-205模塊構成。中繼節點采用Pt-205模塊短波傳輸模塊。以下分析Coor-Node節點的硬件設計方案。Coor-Node節點硬件設計框圖如圖2所示。

Coor-Node處在系統的中間層，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,只能夠滿足系統的基本需求，有考慮到ZigBee子節點地址等相關系統參數的存儲問題，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（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的狀態了解Coor-Node節點的運行情況，如與中繼節點的連接，芯片正常工作，接受和發送森林環境參數等。

3 系統軟件設計

系統軟件設計分為4部分：XBee模塊的單片機軟件編程，Coor-Node的節點TM32F103C8軟件編程，中繼節點軟件編程，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點的XBee模塊上的單片機編程和Coor-Node節點的XBee模塊上的單片機編程。

Coor-Node節點的XBee模塊上的單片機編程。Coor-Node節點的XBee模塊在構建的星型網絡中作為協調器，協議棧初始化，創建PAN CO-ORDINATOR,選擇PAN ID和Coor-Node的短地址，選擇空閑信道，啟動網絡，轉發數據。協調器軟件流程圖如圖4所示。