基于無線傳感器網絡的火災現場定位技術研究

2009-05-12 03:14:34黃松濤張丕旭石章松

現代電子技術 2009年2期

黃松濤　張丕旭　石章松

摘要：針對目前由消防人員在火災環境中進行偵察工作的危險性，將無線傳感器網絡技術應用于消防系統，用具有耐熱特性且對溫度具有敏感的感知能力的微型傳感器在火場中組網，利用DV－hop算法對傳感器節點定位，并結合節點處溫度變化情況，實現對火場環境的實時監控。經分析得知，基于無線傳感器網絡的火災現場定位技術具有很好的可實現性。

關鍵詞：無線傳感器網絡；消防；定位；節點

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A

文章編號：1004 373X(2009)02 177 03

Research on Location Technique of Fire Area Based on Wireless Sensor Network

HUANG Songtao1,ZHANG Pixu2,SHI Zhangsong2

(1.Wuhan Municipal Fire Brigade,Wuhan,430020,China;2.Electronic Engineering College,Naval University of Engineering,Wuhan,430033,China)

Abstract：Concerning on the fatalness for firemen to reconnoiter in a firing area,the technique of wireless sensor network is applied to fire control system.Subminiature sensors which are heat－resistant and sensitive to temperature are distributed in fire area to constitute wireless networks.With the variety of temperature in nodes,the fire area can be surveilled by locating the sensor nodes using the DV－hop algorithm.After the analysis,the location technique of fire area based on wireless sensor network is realizable.

Keywords：wireless sensor network;fire control;location;node

火災危險無處不在，嚴重影響人類的生產、生活和生命交全，在對環境的危險程度未知的情況下，消防人員直接進入火災現場進行偵察和滅火工作，是非常危險的。由具有感知能力、計算能力和通信能力的微型傳感器組成的無線傳感器網絡，可以替代消防人員在危險的火災環境中進行偵察工作，在火災發生時，微型傳感器實時感知現場環境信息，并將環境信息傳送到后方，人們就可以不需進入現場而知道詳細的火災情況［1－4］。

1 用于消防系統的無線傳感器網絡

無線傳感器網絡是由一組傳感器以Ad Hoc方式構成的無線網絡，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋地理區域中感知對象的信息。用于消防系統無線傳感器網絡中的傳感器接點應該具有耐熱特性，并且對溫度具有敏感的感知能力［5,6］，通過網絡覆蓋區域內傳感器溫度的變化情況及其位置信息，實現對火情的實時監控。此系統示意圖如圖1所示，這些接點完成通常的數據采集、計算以及互聯功能，它們通過傳感器網絡將信息傳送給網關，網關對這些數據做出響應，并通過本地傳輸網絡送到遠端基站，基站通過互聯將數據傳送給數據庫服務器，最后數據通過終端界面傳送給消防人員［7］。

圖1 無線傳感器網絡應用于消防系統示意圖

由于布置于火災現場的傳感器網絡成本問題和節點能量十分有限，而且節點無法補充，因而不適宜每個節點都裝備高成本、高能耗的GPS設備［8］，實際上，無線傳感器網絡中經常采用分布式的節點定位算法。定位算法根據是否測量距離，可分為距離有關的和距離無關的2種。距離有關的通過測量距離角度等信息進行定位，對硬件要求較高且成本較高。受無線傳感器網絡硬件設施限制，相對于花費較高的基于距離的方法，距離無關機制被認為是性價比較高的選擇。

2 DV－hop定位算法

DV－hop算法是一種距離無關的定位算法，由NICULESCU D等［9－11］在Navigate項目中提出，適用于Ad－Hoc網絡，并且在密集網絡中得到了大約射程范圍的1/3的精確度。在一個異構網絡中，包含傳感器節點和錨節點。錨節點不僅可進行單級廣播，而且可把其位置信息廣播給整個網絡的所有節點。節點根據接收到的錨節點位置、錨節點的跳數和每一跳的平均距離計算出自己的位置。該算法的實現大致分為如下3個階段。

（1）距離矢量交換階段。在該階段中，DV－hop算法采用類似于經典的距離矢量路由算法的機制，使得網絡中的所有節點都知曉其與各參考節點的跳數。為此，每個節點都維護著一個表{x璱,y璱,h璱}，其中，x璱，y璱為參考節點i的坐標，h璱為該節點到參考節點i的跳數。

在初始時，參考節點向鄰接節點廣播一個信標（數據包），其中包含它的坐標以及跳數，其初始值為1。鄰居節點接收到信標后，將跳數加1后繼續向它的鄰居廣播（除了來源方向），如此通過洪泛的方式向整個網絡傳播。如果某節點接收到來自相同參考節點的多個信標，則表明它到該參考節點有多條路徑。此時，節點將保留含有最小跳數值的信標，而忽略其他信標，這就保證了所得到的跳數值是它到參考節點的最短路徑。經過這個過程，只要整個網絡是連通圖，網絡中的所有節點（包括參考節點）都能得到各參考節點的坐標，以及它到各參考節點的最短距離，也就是跳數。圖2中以單個參考節點為例，表示跳數在網絡中的傳播過程，其中圓形表示節點的通信半徑。

（2）校正值計算與廣播階段。該階段中，每個參考節點在獲得其他參考節點位置和相隔跳數后，計算網絡平均每跳距離，然后將其作為一個校正值廣播至網絡中，參考節點i的平均每跳距離，也就是校正值。其計算方法如下：

C璱=∑(x璱－x璲)2+(y璱－y璲)2/∑h璱j ,j≠i（1）

圖2 跳數傳播過程示意圖

式（1）中，(x璱,y璱)，(x璲,y璲)分別是參考節點i與j的坐標；h璱j表示參考節點i到參考節點j的跳數。

接下來，各參考節點進行第一次廣播，將其校正值以洪泛的方式在網絡中傳播。同樣，當一個節點接收到了第一個校正值后，便丟棄所有后來者，這個策略確保了絕大多數節點從最近的參考節點接收校正值。這就意味著該校正值能夠比較真實地反映出該節點周圍的平均每跳距離。

未知節點接收到校正值后，便用校正值與跳數的乘積來近似代替它到各個參考節點的距離，最后進入第三階段的坐標計算，即：

d璾礳璾×h璱j（2）

（3）坐標計算階段。未知節點利用第二階段記錄得到各個信標節點的跳段距離，利用三邊測量法或極大似然估計法計算自身坐標。若未知節點u接收到n個參考節點的位置信息(x1,y1),(x2,y2),…,(x璶,y璶)，并且在上述階段計算中到各參考節點的近似距離為d21,d22,…,d2璶，則通過下列方程組得出未知節點u的坐標r璾=(x璾,y璾)：

(x璾－x1)2+(y璾－y1)2=d21

(x璾－x璶)2+(y璾－y璶)2=d2璶（3）

從第一個方程開始分別減去最后一個方程，得：

x21－x2璶－2(x1－x璶)x璶+y21－y2璶－2(y1－y璶)y璶=d21－d2璶

x2璶－1－x2璶－2(x璾－1－x璶)x璶+y2璶－1－y2璶－2(y璾－1－y璶)y璶=d2璶－1－d2璶（4）

式（4）的線性方程可表示為：

AX=b（5）

其中：

A=2(x1－x璶)2(y1－y璶)

2(x璶－1－x璶)2(y璶－1－y璶)（6）

b=x21－x2璶+y21－y2璶+d2璶－d21

x2璶－1－x2璶+y2璶－1－y2璶+d2璶－d2璶－1（7）

X=x

y（8）

使用標準的最小均方差估計方法，可以得到節點u的坐標為：

X=(ATA)－1ATb（9）

只要ATA非奇異，節點u的坐標X就有惟一解。

3 火災現場定位原理

在火災現場，火勢從火源開始向四周呈不規則的散射狀蔓延，在這個過程中，傳感器節點所在位置的可燃物經歷了引燃、陰燃、明火燃燒、轟然、燃盡等燃燒過程，可按溫度變化劃分為燃燒前、燃燒中和燃燒后3個階段，溫度變化示意圖如圖3所示［12,13］。從傳感器監測到的溫度變化情況，可以判斷節點所在位置的火情：火勢是否正在逼近；是否開始燃燒；是否已經燃燒完畢。

圖3 燃燒過程溫度變化示意圖

在火勢蔓延區域，利用DV－hop算法獲得傳感器節點的位置信息，結合節點的溫度變化情況，就可以實時畫出火勢蔓延圖（見圖4），得知火場態勢。

圖4 火勢蔓延圖

4 結語

在此將無線傳感器網絡技術應用于消防系統，提出通過對傳感器節點的定位，結合節點處溫度變化情況，實現對火場環境的實時監控。DV－hop算法只需要較少的錨節點，計算和通信開銷適中，不需要節點具備測距能力，是一個可擴展的算法。對于密集網絡，平均每跳距離接近于實際距離，可以得到合理的平均每跳距離，從而能夠達到較高定位精度。而且，隨著感溫探測器技術的發展，開發工作環境溫度為-40～+900 ℃的傳感器節點已成為可能。因此，該技術在有效定位與跟蹤火源、火情上具有很好的可實現性和很高的應用價值。

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