基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油田火災(zāi)定位技術(shù)研究

齊懷琴，花曉慧

(齊齊哈爾大學(xué)通信與電子信息工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾161006)

0 引言

我國油田主要開采對象為石油和天然氣，涉及到二者的勘探、采集和運輸?shù)燃夹g(shù)環(huán)節(jié)。油田建筑物包括采油井、運輸管道和存儲廠房等，上述建筑物周圍環(huán)境中存在揮發(fā)的烴類化合物，極易發(fā)生火災(zāi)。油田火災(zāi)主要由于油田內(nèi)部及附近的的明火或暗火引起，一旦發(fā)生火災(zāi)，損失巨大。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，如何快速準確地定位到火源點，進而實施滅火，顯得尤為重要。在傳統(tǒng)的火災(zāi)監(jiān)測技術(shù)中，發(fā)生火災(zāi)采用全局灑水方法，這樣不但沒有針對重點區(qū)域，而且浪費水資源。鑒于上述缺點，火災(zāi)定位技術(shù)成為油田火災(zāi)監(jiān)測重點需要解決的問題。傳統(tǒng)的火災(zāi)定位技術(shù)多采用TOA技術(shù)、TDOA技術(shù)或AOA技術(shù)，這些方法由于自身缺點，并不適用于油田火災(zāi)定位，而且大多數(shù)技術(shù)研究僅停留在理論分析層面，對具體處理流程很少提及。針對上述提及的各種問題，提出了適合油田火災(zāi)的偽碼測距定位技術(shù)，并給出了具體實現(xiàn)流程和基于Matlab仿真方案。仿真結(jié)論顯示，偽碼測距定位技術(shù)能夠更好地滿足油田具體環(huán)境狀況及特定需求指標，具有良好的應(yīng)用前景及推廣價值。

1 油田火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［1］(Wireless sensor network)進行火災(zāi)監(jiān)測，可以在油田中隨機布置節(jié)點，各個節(jié)點通過無線通信實現(xiàn)自組織。在獲取周圍環(huán)境的信息后，形成分布式自組織系統(tǒng)，通過相互協(xié)同完成火災(zāi)檢測任務(wù)。在油田火災(zāi)檢測系統(tǒng)中，主要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在油田內(nèi)，散布大量的無線傳感器［2］。無線傳感器分為傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點兩部分。傳感器節(jié)點隨機分布，匯聚節(jié)點位置已知，如圖2所示。其中，黑色代表匯聚節(jié)點，白色代表傳感器節(jié)點。

圖1 油田傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

圖2 油田傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點

當(dāng)油田內(nèi)某區(qū)域發(fā)生火災(zāi)時，傳感器進行報警，并將報警信號發(fā)送到匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點接收到報警信號后，通過網(wǎng)絡(luò)或其他手段，將其傳遞至觀測中心。觀測中心根據(jù)接收到的報警信號，定位到具體發(fā)送報警信號的傳感器節(jié)點［3］。

2 油田定位技術(shù)研究

2.1 油田定位技術(shù)選擇

在油田火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)中節(jié)點定位技術(shù)是整個系統(tǒng)的技術(shù)核心。目前，已有大部分定位算法包括時間差 (TDOD)測距法、到達角 (AOA)定位法、信號強度測距 (RSSI)法等。

TDOA方法主要原理是測量無線發(fā)射信號與其他信號的時間差。如圖3所示，依照電磁波和聲波兩種波形在空氣中傳播速度不同實現(xiàn)。由于兩種波形傳播速度不同，接收時間也會出現(xiàn)差別。計算接收節(jié)點接收信號的時間差，從而計算得到距離值。

圖3 TDOA測距技術(shù)

該方法的優(yōu)點為精度高，可達到厘米水平，缺點為受距離限制。因為聲波傳輸距離有限，如果超出了聲波傳輸距離，就不能用這種方法了。

AOA方法不但可以測得節(jié)點的距離，還可以測量目標節(jié)點和測距節(jié)點之間的方向，且方向精度很精確。但該方法有效范圍為40度，即目標節(jié)點和測距節(jié)點之間的角度范圍應(yīng)該在40度以內(nèi)。

RSSI方法測量能量的損失，從而計算得到距離的信息。目標節(jié)點發(fā)射一定信號強度信號，假設(shè)發(fā)射前信號的強度為A，經(jīng)傳輸之后，在測距節(jié)點接收到該信號。由于距離的傳輸，該信號的能量會出現(xiàn)損失。假設(shè)接收到信號能量為B，該信號通過傳輸損失的能量為C=A-B。通過傳輸介質(zhì)的傳輸參數(shù)，計算得到距離。優(yōu)點是操作簡單，并不需要很多的算法支撐，只需要測量信號強度的差別就可以了，缺點是精度差。

傳統(tǒng)測距手段缺點［4］:

(1)定位運算分辨不同節(jié)點的能力弱。在定位運算過程當(dāng)中，同時有多個傳感器節(jié)點發(fā)送信號到匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點需要分辨哪個信號是哪個節(jié)點發(fā)射出來，這是現(xiàn)在算法的薄弱環(huán)節(jié)。

(2)抗干擾能力弱。接收到信號具有很低的信噪比SNR，系統(tǒng)可能無法工作，只有當(dāng)SNR足夠大時，才可以檢測到信號。

(3)距離不可調(diào)。假如傳感器節(jié)點與匯聚節(jié)點之間的可檢測距離范圍為S，那么S就已經(jīng)確定，如果想改變S大小，只有通過增加發(fā)射端的發(fā)射功率，但是加大發(fā)射端功率的代價是很大程度增加發(fā)射端的硬件復(fù)雜度。

(4)精度不可調(diào)。系統(tǒng)設(shè)計完成，精度固定。需要調(diào)整精度時，只能通過調(diào)整硬件組成實現(xiàn)。

針對上面所說的各種缺點，提出了偽碼測距定位技術(shù)［5］，可以逐一解決傳統(tǒng)測距手段所遇到的問題。

(1)不同節(jié)點定位分辨能力強。因為偽碼的自相關(guān)峰值大，且互相關(guān)峰值小。當(dāng)接收多路偽碼信號后，每路信號有各自對應(yīng)偽碼。根據(jù)偽碼特性，只需要在基站節(jié)點中運用相應(yīng)偽碼與輸入信號作相關(guān)運算，便可辨別得到相應(yīng)偽碼對應(yīng)節(jié)點，即通過自相關(guān)值定位到是具體哪個節(jié)點發(fā)射的信號，從而得到該節(jié)點與匯聚節(jié)點之間的距離。由于自相關(guān)的峰值遠大于互相關(guān)的峰值，所以其他偽碼對本碼的影響很小。

(2)抗干擾能力強。根據(jù)香農(nóng)定理，在信道容量一定的情況下，偽碼可以很大程度的增加信號的帶寬，這樣可以降低對信噪比SNR的要求，在信噪比很低的情況下，依然可以工作。

(3)距離可調(diào)。由于在偽碼運算中，每一個碼片對應(yīng)的距離是固定的，如果想要增加距離，只需要增加一個碼周期的碼片數(shù)便可，從而大大降低了對原系統(tǒng)的修改程度。

(4)精度可調(diào)。在運算過程中，精度是依靠碼片對應(yīng)碼相位精度決定的。可以通過工作時鐘的變化，控制不同碼相位精度。而且如果希望得到更精確的碼相位值，在運算程序后面加入碼跟蹤環(huán)處理，可以大大提升精度。而且重要的是，這里所提及的各種改變精度的方法都是限制在基站內(nèi)FPGA程序的改變，而與硬件無關(guān)，所以可以大大提升系統(tǒng)的適應(yīng)能力。

綜上所述，這里選擇偽碼測距定位技術(shù)，根據(jù)偽碼自身的特點，克服前面所說各種方法的缺點，從而更好地實現(xiàn)測距的功能，并應(yīng)用到油田環(huán)境中實現(xiàn)火災(zāi)定位。

2.2 油田環(huán)境中的偽碼測距定位技術(shù)

三邊定位技術(shù):本文采用三邊定位技術(shù)，實現(xiàn)傳感器節(jié)點的定位。三邊測量法［6］的原理如下:

圖4 三邊測量法

假設(shè)節(jié)D的坐標表示為 (x，y)，那么，存在下列公式

可以得到節(jié)點D的坐標為

偽碼定位原理:首先，觀測中心通過輸入的偽碼和本地偽碼做自相關(guān)運算，得到碼相位值n。由于偽碼每周期是有N個碼片組成的，碼片可以測量的距離固定C_code。通過碼相位值n和單個碼片測量距離C_code的乘積，得到測量的距離值［7］。具體解釋為:

(1)計算單個碼片測量的距離

首先假設(shè):碼片頻率為F1;每個碼片周期含有碼片數(shù)為N;光速為C。即分析如下:

1)計算碼片周期T。

因為碼片頻率為F1，并且每個碼片周期含有的碼片數(shù)為N，可以得到，碼片周期

2)計算整個碼周期的測量距離S

碼片傳輸速度與光速時相同的。則在一個碼周期T時間內(nèi)，碼片共走動距離S為

3)得到單個碼片代表的距離C_code

整個碼片周期代表的距離為C，并且一個碼周期共有碼片數(shù)為N，故一個碼片代表的距離C_code為

(2)得到實際測量的距離

根據(jù)偽碼相關(guān)運算的原理，得到碼相位值，即輸入偽碼和本地偽碼的相位差。由于偽碼在發(fā)射端，是與本地偽碼完全相同的，即兩個碼片相位完全對準的，自相關(guān)的峰值應(yīng)該出現(xiàn)在1的位置。但是現(xiàn)在接收到偽碼后，與本地偽碼自相關(guān)，得到的自相關(guān)峰值不在1的位置，而是發(fā)生了一定的偏移，這個偏移就是因為傳輸距離引起的。假設(shè)偏移后的碼相位為n，則通過兩組偽碼相位差得到的兩個節(jié)點之間的距離s_get為

C_code為前面所計算的每個碼片代表的距離。

綜上所述，偽碼定位技術(shù)關(guān)鍵為求得碼片自相關(guān)后的碼相位值。

油田火災(zāi)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu):該系統(tǒng)目的為實現(xiàn)油田中無線傳感器節(jié)點的定位。具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 定位結(jié)構(gòu)

當(dāng)油田內(nèi)傳感器節(jié)點D滿足火災(zāi)報警條件，發(fā)送偽碼信息至匯聚節(jié)點A、B和C。匯聚節(jié)點A、B和C轉(zhuǎn)發(fā)報警信號到觀測中心。觀測中心接收到匯聚節(jié)點A、B、C信息后，根據(jù)偽碼性質(zhì)，換算得到該發(fā)射偽碼的傳感器節(jié)點D距離三個匯聚節(jié)點A、B和C的距離。由于匯聚節(jié)點位置已知，根據(jù)三邊定位技術(shù)，實現(xiàn)對傳感器節(jié)點D的定位。從而實現(xiàn)報警無線傳感器節(jié)點的定位［8］。

3 油田定位系統(tǒng)仿真分析

3.1 油田定位系統(tǒng)仿真流程

本節(jié)主要說明相關(guān)運算的過程。

自相關(guān)公式為

這里把相關(guān)過程在頻域中運算，時域中的自相關(guān)等于頻域中的共軛相乘。在頻域中計算要比在時域中計算節(jié)省時間，而火災(zāi)檢測時間是一個重要指標，所以這里選擇在頻域中計算。

運算過程如圖6所示。

圖6 油田定位系統(tǒng)原理框架

具體操作流程為:

(1)FFT處理。時域相關(guān)相當(dāng)于頻率相乘，相乘的兩個變量即為輸入信號的頻譜和本地偽碼頻譜。

(2)共軛復(fù)乘。把輸入信號的FFT和本地偽碼FFT共軛相乘后，得到二者相關(guān)值的頻譜。

(3)IFFT。對復(fù)乘的結(jié)構(gòu)，即對二者相關(guān)值頻譜的結(jié)果，做IFFT處理，得到二者時域中的值。

(4)模方。由于IFFT的結(jié)果既有實部也有虛部。如果單獨用實部或者單獨用虛部都不會達到需要得到的自相關(guān)值，因為在時域中看來，相關(guān)值都是實數(shù)，而沒有虛部的存在。所以這里，需要把得到的IFFT的值通過模方的處理，得到實數(shù)。這里得到的實數(shù)即為相關(guān)的結(jié)果，可以通過得到的相關(guān)結(jié)果的值，做相應(yīng)的處理，得到需要得到的測量距離的功能［9-10］。

3.2 油田定位系統(tǒng)仿真結(jié)果

當(dāng)輸入為全信號時，即沒有噪聲存在時，得到的自相關(guān)值如圖7所示。

圖7 偽碼相位值

由于輸入信號的偽碼和本地生成偽碼是完全相同的，所以相關(guān)結(jié)果的峰值應(yīng)該在第一點處。隨著輸入信號和本地產(chǎn)生偽碼的碼相位不同，這里的峰值跟隨著改變，所以可以根據(jù)峰值具體對應(yīng)的相位值，得到輸入偽碼和本地偽碼相位差，從而根據(jù)相位差值得到需要測量的距離值。但是，沒有噪聲干擾是不可能存在的，下面我們討論油田噪聲干擾的范圍。

當(dāng)外界有干擾時，自相關(guān)結(jié)果中，相應(yīng)的峰值以外的值會上升，而信號的峰值也會改變，這里仿真了SNR=-5dB時的相關(guān)波形，得到的結(jié)果如圖8所示。

圖8 偽碼相位值

如果再降低SNR，得到當(dāng)SNR為-10dB時，得到的結(jié)果如圖9所示。

圖9 偽碼相位值

噪聲的干擾已經(jīng)很大，如果再降低SNR，仿真了SNR不同得到的波形。標記最大值點后，如圖10所示。

由圖形可看出，當(dāng)SNR為-20dB時，具體的自相關(guān)鑒別方法失去意義，因為噪聲過大，使得噪聲的值超過信號的峰值，信號淹沒在噪聲中。所以得到，偽碼雖然可以有效的抑制噪聲的影響，提高頻率工作靈敏度，使其能夠在很低SNR情況下工作，但是并不是可以無限降低SNR，當(dāng)SNR為-20dB左右時，偽碼自相關(guān)方法得到的峰值已經(jīng)淹沒在噪聲之中，無法正確得到信號值。所以，該算法要保證SNR在-15dB以上，而油田中的噪聲范圍恰好在-15dB以上，因此，該算法適合在此范圍內(nèi)應(yīng)用。

圖10 偽碼相位值

4 結(jié)束語

本文針對已有火災(zāi)定位算法缺點，提出新的定位技術(shù)，把偽碼技術(shù)成功的應(yīng)用到油田火災(zāi)定位系統(tǒng)中，實現(xiàn)了火災(zāi)定位范圍內(nèi)的技術(shù)創(chuàng)新。通過系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點的功能分配，給出具體應(yīng)用偽碼定位技術(shù)實現(xiàn)油田火災(zāi)定位的總體規(guī)劃。通過本論文對偽碼定位技術(shù)的理論分析和具體仿真驗證，不但彌補了已有定位算法的缺點，而且總結(jié)了本算法的優(yōu)點，提高了該算法的適應(yīng)能力。使得偽碼定位技術(shù)，不但適合于油田火災(zāi)定位，還可以適用于森林或者溫室等多個領(lǐng)域，為定位技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域提供了有利的支撐，具有很好的應(yīng)用前景及推廣價值。

［1］WANG Yang.A research on the localization technology of wireless sensor networks［D］.Hefei:University of Science and Technology of China，2007:9-11(in Chinese).［汪煬.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)研究 ［D］.合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007:9-11.］

［2］WANG Xiaoping.A research on localization in wireless sensor networks［D］.Changsha:National University of Defense Technology，2010:1-7(in Chinese).［王小平.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)研究［D］.長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2010:1-7.］

［3］WANG Jiangang，WANG Fubao，DUAN Weijun.Application of weighted least square estimates on wireless sensor network node localization ［J］.Application Research of Computers，2006，23(9):41-43(in Chinese).［王建剛，王福豹，段渭軍.加權(quán)最小二乘估計在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位中的應(yīng)用［J］.計算機應(yīng)用研究，2006，23(9):41-43.］

［4］SONG Chunyang.Self-localization technologies for wireless sensor network nodes［J］.Popular Science ＆ Technology，2010(9):36-37(in Chinese).［宋春陽.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點自定位技術(shù) ［J］.大眾科技，2010(9):36-37.］

［5］SUN Limin，LI Jianzhong，CHEN Yu.Wireless sensor network［M］.Beijing:Tsinghua University Press，2005(in Chinese).［孫利民，李建中，陳渝.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［M］.北京:北京清華大學(xué)出版，2005.］

［6］WANG Shu，YAN Yujie，HU Fuping.Theory and applications of wireless sensor networks［M］.Beijing:Beihang University Press，2007(in Chinese).［王殊，閻毓杰，胡富平.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論與應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007.］

［7］CHEN Juan.The exploitation of localization system based on mobile beacon［D］.Changsha:Central South University，2009:7-9(in Chinese).［陳娟.基于移動信標的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法研究［D］.長沙:中南大學(xué)，2009:7-9.］

［8］QU Liang.The exploitation of localization system based on wireless sensor networks［D］.Shenyang:Northeastern University，2008:5-15(in Chinese).［曲亮.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的開發(fā)［D］.沈陽:東北大學(xué)，2008:5-15.］

［9］YU Jianping.Study and realization on localization technology based on wireless sensor network［D］.Hangzhou:Hangzhou Dianzi University，2010(in Chinese).［俞建平.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)研究與實現(xiàn)［D］.杭州:杭州電子科技大學(xué)，2010:1-7.］

［10］LIU Lijun.Study on localization technology based on wireless sensor network［D］.Dalian:Dalian University of Technology，2009:2-15(in Chinese).［劉麗君.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法的研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2009:2-15.］