0引言
由于秸稈焚燒嚴重影響生態環境，造成了空氣質量的惡化和交通事故，不利于農田有機質的積累和循環利用，因此近些年來政府采取了禁燒、推廣保護性耕作技術和促進秸稈綜合利用來解決上述問題。1999年，環保總局會同農業部等6部門下發了《秸稈禁燒和綜合利用管理辦法》，2004年環保總局開始利用衛星遙感等現代科技手段，對全國夏秋兩季秸稈焚燒情況實施監測。2007年5月-6月衛星遙感監測數據表明，我國主要農區山東、山西、河北、河南、安徽、江蘇、陜西火點數分別為280，1013，357，87，577，592，83個，涉及到81個地區384個縣，比2006年同期均有不同程度的增加。其主要原因是由于禁燒責任不易落實、相關部門執法難度大、綜合利用技術推廣緩慢等原因，秸稈禁燒的工作稍有松懈，極易反彈。
2008年為確保奧運空氣質量，國家進一步加大了秸稈禁燒工作的力度，并明確2008年5月初-9月底，北京、天津、山東等9省市，將作為重點區域，全面禁燒秸稈。由于農村地大面廣，一到禁燒期間，通常需要在農田網格化布點人工嘹望的方法監控，執法人員需要量多，野外工作時間和強度都較大，使該項工作難以深入、持久進行。同時由于焚燒秸稈基本上是個人行為，焚燒后即離開現場，若不及時處理則因而違法行為界定困難而使責任人難以受到追究。
農作物秸稈可以經過
秸稈壓塊機、
秸稈顆粒機壓制成生物質顆粒燃料，這樣做可以完美地解決農作物秸稈的焚燒問題。
為了完成禁燒工作，各地紛紛采取建立秸稈禁燒目標管理責任制以及田間地頭24h蹲守檢查的方式。通過采用“人海戰術”花費了大量的人力物力后，2008年的空氣質量得到了明顯的改善。但是2008年禁燒成本過大，因此如何進一步完善秸稈禁燒的監控系統和綜合利用技術，建立起秸稈禁燒的長效機制才是解決問題的根本出路。
目前，隨著基于藍牙( Bluetooth)，ZigBee，Wi - Fi協議的無線傳感器網絡技術的成熟和低成本化，在人口集中地區、機場周圍、高速公路干線附件等重點區域使用溫度、煙霧等無線傳感器，建立基于溫度／煙度的秸稈禁燒無線監測系統，系統隨時將預警信息發送到監控人及上級的信息終端（可以是移動終端如手機或聯網的計算機）上，將比目前采用人工24h蹲守嘹望方式具有更高的可靠性和效率，并可大大減少野外瞭望的時間。同時，通過擴充傳感器監測目標，可以完成農田信息的遠程監測和無人值守，并可逐步擴大到大范圍區域的農田信息監測。
1、技術途徑與系統組成
秸稈焚燒與溫度是直接關聯的，通過監測農田溫度可以在很大程度上對秸稈焚燒進行預警。結合當’地的氣象條件、農田溝渠、田埂的分布和機場、高速公路的布局，與經驗數據進行對比分析，設置適當的溫度預警線，就可以達到秸稈禁燒監測預警的目的。
由于監測范圍較大和常年連續監測，采用無使用費用的短程無線接入技術可節約成本。通過比較，選定ZigBee技術方案。采用ZigBee微模塊與傳感元件DS1620組成無線傳感器網絡，將預警信息傳送到村級監測站，由EBOX2對信息進行分析處理，然后再通過以太網絡或GSM/GPRS網絡傳送到上級監管部門，由服務器將數據處理存儲，形成秸稈禁燒狀況的記錄和執法線索。
ZigBee微模塊間的傳輸距離為1O～100m，為了兼顧系統的高可靠性與低成本，在設計中選取各節點間距為70m，節點間、節點與EBOX2間均采用無線聯接，一個平均有200hmz耕地的村莊只需網格化布置節點總400個，就可以實現全覆蓋監測。當檢測區域中出現河流、道路或樹林，致使某些節點間距超過70m時，需要采用功率放大模塊進行增程，這些節點為特殊節點，對其供電要采取較大功率的電源。秸稈禁燒無線監測系統示意圖。
系統運行中，每次檢測數據與前幾次比較，如果溫度有明顯變化，則該地有異常情況，給出溫度預警；繼續檢測，根據焚燒區預警點變化，可計算出秸稈焚燒的擴展逮度。統計溫度持續高溫狀態的節點數，可得出秸稈焚燒的范圍。焚燒的具體地點可采用ZigBee模塊的ID碼與地理位置（坐標）相對應來計算確定。
1.1 f DS1620功能與主要技術參數
設計采用Dallas公司推出的數字溫度測控器件DS1620進行空氣中溫度的檢測，其特性如下：一是獨特的單線接口方式，與微處理器僅需要一條口線即可實現雙向通訊；二是多點組網功能，多個DS1620可以并聯在總線上，實現多點測溫；三是結構簡單，在使用中不需要任何外圍元件；四是測溫范圍- 55～+125℃，固有測溫分辨率0.5℃；五是測量結果以9位數字量方式串行傳送。
1.2 ZigBee技術簡介
目前短程無線連接技術有Wi - Fi、藍牙(Blue-tooth）、ZigBee、超寬帶（Ultra WideBand）、無線局域網( WLAN):無線USB等技術。ZigBee技術由于其低速和低功耗的特點，在自動化領域被認為具有廣闊前景。ZigBee協議是建立在IEEE802. 15,4標準上的低功耗、近距離、低復雜度、低數據傳輸率、低成本的雙向通信無線技術。IEEE802. 15.4定義了兩個，有2.4GHz和868/915 MHz，這兩個物理層都DSSS（直接序列擴頻），使用相同的物理數據包格式，區別在于工作頻段、調制技術、擴頻碼片長度和傳輸速率。建立在IEEE802. 15.4標準上的ZigBee的協議棧只需要28kB，從而降低了系統的成本和復雜度。
2、火災檢測方法的研究
2.1 等溫線溫度梯度分析方法
采用坐標定位與溫度梯度預測的方法進行大范圍的秸稈禁燒監測預警，其原理如圖2所示。當某一節點檢測到高溫時，給出節點預警，系統查詢鄰近區域節點溫度。隨著溫度階梯度的變化，可以確定高溫區域以及溫度場的變化，據此可以推測出秸稈焚燒的蔓延趨勢。
2.2秸稈焚燒蔓延算法研究
當節點給出預警信號后，下一個關鍵任務就是對火勢蔓延進行預測。對火勢蔓延的預測主要需掌握兩方面情況：一是當前秸稈燃燒范圍，通過統計網絡內高溫節點分布范圍確定；二是火區蔓延速度，需通過一定算法分析火區蔓延速度。
2. 2.1火勢初始速度”估計
根據農田正常大氣濕度、溫度和作物情況估計初始速度"。通常秸稈燃燒蔓延速度大致分為3個等級：一級≤2 m/min，二級=2～12 m/min，三級≥12m/min。為了提高系統檢測的分辯率，根據秸稈燃燒時火勢蔓延速度進一步細分為5級：1~2 m/min，2～3m/min，3—7m/min．7一12m/min，≥12m/min，系統根據環境判斷初始速度屬于哪一級。
2. 2.2火源點估算
設節點均工作正常，農田內N(i，j)各點按時間順序分別發出預警信號，如圖3所示。
在農田環境中可能出現節點工作失靈的情況，以矩形監測網絡為例，對各時刻的預警點N(/-I，j-l)附近區域進行查詢，得到未正常工作節點N(i,j)等，這些節點使預警節點的位置、時間、順序都發生了變化（計算示意圖略）。在這一情況下，由于火焰燃燒速度是不斷變化的，采用上面的方法已無法估計出火源點。在此估計火源點為3個預警點組成的三角形的重心。t1，時刻由于距離火源點遠，此時速度已經不是初始速度v，所以只取t1，t2計算，此時以N為原點，有重心坐標（x，y）滿足。
3、軟硬件系統設計與研究
3.1測點硬件設計
整個測試節點硬件系統由一塊單片機AT89C52、溫度傳感器DS1620和ZigBee模塊等組成電源組件由AAA型鋰電池組與太陽能電池組構成，可滿足長年供電的需求。
DS1620采用8腳DIP封裝或8腳SOIC封裝，引腳功能如下：
1) DQ三線制的數據輸入／輸出；
2) CLK/CONV為三線制的時鐘輸入和標準轉換輸入；
3) RST三線制的復位輸入；
4) GND地；
5) TCOM溫度高／低限觸發輸出；
6) TLOW溫度低限觸發輸出；
7) THIGH溫度高限觸發輸出；
8) VDD 3 ~5V電源。
為了降低成本，ZigBee節點采用兩種類型，一種是全功能器件( FFD)，它承擔網絡協調者的功能，可以同網絡中韻任何設備通信，可存在于任何拓撲結構中；另一種是簡化功能器件( RFD)，只能與主器件通信，實現簡單，多用于星型拓撲結構中。
3.2監控中心硬件設計
監控中心采用嵌入式系統EBOX2，通過串口接收單片機接收到的無線發送信息，對數據進行處理、分析，并將資料通過CPRS和以太網上傳。監控中心硬件構成如圖4所示。
3.3系統軟件設計
主程序由幾個子程序模塊組成，包括參數初始化、按鍵處理、數據通信、數據存儲、數據打印和通信模塊。若要增加或刪減系統的某些功能，只需更改相應的程序模塊即可。
如要提高精確度，可以增加PID調節子程序模塊。由于溫控對象普遍具有時變性、慣性大、純滯后等特點，對于一般的溫度測量，用中值數字濾波的方法提高測量的精確度。對于恒溫控制，使用PID控制。采取變速積分措施，防止或消除系統出現的積分飽和現象。系統中溫度采集模塊是以DS1620芯片為核心的，這部分的軟件設計，也是圍繞著DS1620芯片開發的，用C51開發的源程序代碼在此從略。
4、結束語
本文分析研究了基于ZigBee技術、嵌入式控制器的一套在分辨率、穩定性、冗余性等方面性能較好的感溫型秸稈禁燒監測技術。基于這一技術的監測網絡具有電路簡單、成本低廉、制作簡便、維護方便等優點，可以實現秸稈焚燒的及時發現、及時報警，以迅速采取措施，盡量減少損失。同時，其具有很好的冗余性和可擴展性，可很方便地擴展成農田信息無線監測系統。采用這種技術的無線傳感器網絡不但可以用于秸稈禁燒的預警，通過選用不同的傳感器還可用于農田及農村的其他信息的無線監測。
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