基于無線傳感器網絡的智能火災檢測與報警系統設計

作者簡介：王濤（1990— ），男，河南三門峽人，助理工程師，本科；研究方向：通信工程。

摘要：智能火災檢測與報警系統在保護人們生命財產安全方面發揮著重要作用。文章提出了一種基于無線傳感器網絡的智能火災檢測與報警系統，著重研究該系統中的無線路由算法，旨在保證數據傳輸可靠穩定的前提下，優化能耗，延長無線傳感器節點壽命。

關鍵詞：無線傳感器網絡；智能火災檢測；無線路由算法；能耗優化

中圖分類號：TP277;TN92? 文獻標志碼：A

0? 引言

無線傳感器網絡火災智能報警系統是一種利用無線傳感器節點構建的監測和報警系統，用于檢測和及時響應火災事件。該系統是為了提高火災的檢測速度、減少人員傷亡和財產損失，并增加火災應急響應的效率［1］。傳感器網絡中的無線路由問題是指如何有效地選擇和建立傳感器節點之間的通信路徑，以便可靠地傳輸數據。在無線傳感器網絡中，節點通常具有有限的能源和計算能力，并且節點分布在廣闊的區域內［2］。因此，對如何提高能源效率、延長網絡壽命以及保證數據傳輸可靠性的研究就顯得至關重要。

1? 系統架構與設計

1.1? 系統架構

基于無線傳感器網絡的智能火災檢測與報警系統由以下3個主要部分構成。

1.1.1? 無線傳感器節點

分布在檢測區域內的無線傳感器節點負責感知和采集環境參數，如溫度、煙霧、氣體濃度等。每個傳感器節點包含一個或多個傳感器，用于實時監測環境參數，并將采集到的數據進行處理和傳輸。傳感器節點具有無線通信功能，可以與其他節點和中心控制節點進行數據傳輸和通信。

1.1.2? 數據傳輸與處理模塊

傳感器節點通過無線通信將采集到的數據傳輸給中心控制節點。中心控制節點接收到傳感器節點發送的數據后，進行數據處理和分析。這包括數據預處理、特征提取、數據融合等操作。中心控制節點應用火災檢測算法對處理后的數據進行分析和判定，以確定是否存在火災情況。

1.1.3? 中心控制節點

中心控制節點負責監控和管理分布在監測區域內的傳感器節點。它可以收集節點的狀態信息、數據傳輸情況等，并確保節點的正常運行。一旦中央控制節點檢測到火災情況，節點會觸發報警機制，并生成相應的報警信息。中心控制節點將報警信息發送給相關人員或部門，如消防部門、安保人員等，以便及時采取緊急響應措施。這些措施可以包括啟動滅火系統、疏散人員、通知相關人員等［3］。

1.2? 無線傳感器節點的布置和要求

1.2.1? 傳感器節點的布置

（1）傳感器節點的密度布置取決于火災監測的需求和覆蓋區域的特性。對于高風險區域，傳感器節點的密度可以更高。這種布置方式可以確保火災事件的及時檢測和報警。在低風險區域為了節約能源和成本，節點的密度可以相對較低。

（2）傳感器節點應放置在可能發生火災的區域，如廚房、電氣設備附近等。節點之間應具有足夠的通信范圍，以確保數據傳輸的可靠性。節點的位置選擇應避免過大的通信距離或過多的障礙物，以防止信號弱化或中斷。

1.2.2? 無線通信要求

（1）節約能耗、延長使用壽命。由于傳感器節點通常由有限的電池供電，延長網絡壽命對于系統的可持續運行至關重要。路由算法應選擇能量消耗較低的路徑，以減少節點能源的消耗。節點在非活動狀態時可以進入休眠模式，以降低能耗。在需要進行數據傳輸或處理時，節點重新激活以完成任務。

（2）數據可靠并確保報警信息的準確傳遞。路由算法應確保數據能夠可靠地從源節點傳遞到目標節點，即使在網絡中存在丟包、信號干擾或節點失效等情況下也能保持數據的完整性和準確性。路由算法可以采用錯誤檢測和糾正機制，如校驗和、重傳和冗余傳輸等，以檢測和糾正數據傳輸中的錯誤，提高數據傳輸的可靠性

（3）網絡拓撲控制維持網絡的穩定性和連通性。路由算法應能選擇穩定的路徑，避免不穩定或易失效的節點或鏈路。當網絡拓撲發生變化時（如節點故障、新節點加入或離開網絡），路由算法應及時更新路由信息，以維持網絡的連通性和穩定性。路由算法可以通過路徑質量估計，如鏈路質量、擁塞程度或傳輸延遲等指標，來選擇最佳的傳輸路徑。這樣可以提高數據傳輸的效率和性能。

2? 優化能耗的路由算法設計

2.1? 算法建模

本設計結合無線火災自動報警的通信需求，構建無線火災自動報警系統的通信系統建模，考慮能耗模型和數據傳輸模型的因素，建模如下：

2.1.1? 能耗模型

模型假設每個傳感器節點的總能量為E（單位：J），初始能量為E0，每個節點在傳輸和接收過程中消耗的能量可以表示為以下幾種。

發送能量消耗：E_send = k_send × dα× L （單位：J）

接收能量消耗：E_receive = k_receive × L （單位：J）

空閑能量消耗：E_idle = k_idle （單位：J）

其中，k_send、k_receive和k_idle是與無線模塊和硬件相關的能量常數，d是傳輸距離，α是路徑損耗指數，L是數據包的長度。

2.1.2? 數據傳輸模型

數據傳輸的速率可以表示為：R=B/T （單位：bit/s）。其中，B是數據包的大小（單位：bit），T是傳輸時間（單位：s）。

數據傳輸的時延可以表示為：D = T_prop + T_trans （單位：s）。其中，T_prop是傳輸時延，表示信號傳播在空間中的傳播延遲；T_trans是傳輸時延，表示數據包的傳輸時間。

2.1.3? 誤碼率模型

誤碼率（Bit Error Rate， BER）表示在數據傳輸過程中發生比特錯誤的概率，可以表示為P_err。誤碼率可以受到信噪比（SignaltoNoise Ratio， SNR）的影響，可以表示為：P_err=f（SNR）。

2.2? 三種傳輸模型結合方式

傳輸模型的輸入參數包括：傳感器節點數量N、通信范圍W、數據包大小B、傳輸速率目標值R_target、信噪比SNR。輸出參數包括：選擇的簇首節點集合 Cluster_heads、總能耗 E_total、傳輸速率 R、誤碼率 P_err。具體算法步驟如下：

2.2.1? 初始化階段

每個節點根據能耗模型計算發送能量消耗E_send和接收能量消耗 E_receive。

2.2.2? 簇首節點選擇階段

每個節點根據能耗模型計算空閑能量消耗 E_idle。每個節點計算選擇為簇首節點的概率p = （P× E_idle） / （1 - P×（r mod （1/P）））。其中，P 是用于控制簇首節點選擇概率的參數，通常取值在0到1之間。

r 是一個在［0，1］范圍內的隨機數，用于實現節點的隨機性。mod表示取模運算，計算r mod （1/P）的結果。P × E_idle表示節點的空閑能量消耗與P的乘積，表示節點具備成為簇首節點的能量。（r mod （1/P））的結果在 ［0，1/P］范圍內，可以看作是一個隨機數，用于控制節點選擇為簇首節點的概率。1-P×（r mod （1/P））的結果在［1-1/P，1］范圍內，表示非簇首節點的概率。

因此，概率p表示節點選擇自身作為簇首節點的概率。每個節點根據該概率 p 進行選擇，并將選擇結果存儲在 Cluster_heads 集合中。概率公式的設計使得能量較高的節點更有可能被選為簇首節點，但也引入了隨機性，以實現簇首節點的均衡分布。

2.2.3? 數據傳輸階段

普通節點將數據包發送給所屬簇首節點。簇首節點進行數據聚合和轉發操作，根據數據傳輸模型計算傳輸時間T=B/R_target和傳輸速率R=B/T。簇首節點向控制中心節點傳輸數據，并根據能耗模型計算簇首節點到控制中心節點的能量消耗 E_send_cc。

2.2.4? 誤碼率計算階段

每個節點根據傳輸距離d和信噪比SNR，使用誤碼率模型計算誤碼率P_err。

2.2.5? 能耗計算階段

每個節點根據能耗模型計算總能耗E_total，包括發送能量消耗、接收能量消耗、空閑能量消耗和簇首節點到控制中心節點的能量消耗的總和。

2.2.6 ?輸出結果

輸出結果包括返回選擇的簇首節點集合Cluster_heads、返回總能耗 E_total、返回傳輸速率R和返回誤碼率P_err。

3? 實驗與評估

3.1? 參數賦值

本設計采用NS-3模擬系統進行仿真，使用C語言進行模擬程序編寫，在模擬環境輸入參數取值為：N=100；W=80 meters；B=1 024 bytes；R_target=1 Mbps；SNR=10 dB。另外，算法中所涉及的參數根據實際情況、結合模擬數據，按照如下方式獲取：

3.1.1? 能耗模型的參數

實驗測試過程將發送能量常數（k_send）模擬為0.02 J/mα；將接收能量常數（k_receive）模擬為 0.01 J/bit；將空閑能量常數（k_idle）模擬為0.001 J。

3.1.2? 數據傳輸模型的參數

傳輸時延的傳播延遲根據信號傳播速度來估計，如取值為在自由空間中的光速3 × 108 m/s。

傳輸時延的傳輸時間根據無線模塊的特性和數據處理時間來估計，如取值為 0.001 s。

3.1.3? 誤碼率模型的函數

誤碼率函數f（SNR）根據具體的無線信道模型和調制方式選擇適當的函數，如經驗模型或理論模型。對于二進制相干調制（BPSK）在高信噪比下，誤碼率可以使用Q函數來近似估計，P_err=0.5×erfc（sqrt（SNR））。

3.2? 對比評估

在本文設計的無線路由算法中，P 是用于控制簇首節點選擇概率的參數，P值的大小直接影響算法的適用性。因此，實驗結果需要設定不同的P值來做對比。具體對比實驗數據如表1所示。

數據選擇概率在0.03～0.15之間變化。對應的簇首節點數量隨機生成。模擬數據包括總能耗、平均傳輸時延、平均傳輸速率、網絡連通性和誤碼率等指標。P值選擇概率為0.12時，總能耗和誤碼率相對較低。平均傳輸時延和平均傳輸速率也達到了較好的值。整體性能得到了一個較為平衡的性能表現。

同時，為了檢驗本文設計的無線路由算法的性能，本研究進行了對比實驗，一組采用本文設計的能耗為主的路由算法，另一組采用距離判定路由的算法進行測試。采用能耗路由算法比采用通訊距離路由算法的性能指標提升很多，具體指標包括總能耗從7 612 J降低到5 395 J、平均傳輸時延降低了8 ms，平均傳輸速率提升0.1 Mbps、網絡連通性從0.75提升為0.8、誤碼率由0.05降低至0.043。

實驗測試結果說明能耗控制路由算法在提高網絡性能、降低能耗和改善數據傳輸質量方面具有優勢。

4? 結語

無線火災自動報警系統設計中的路由算法應注重能耗優化、數據可靠性、網絡拓撲控制、路由選擇策略的設計，并具備自適應性和靈活性。這樣可以有效地傳輸報警信息，延長傳感器網絡壽命，并保證系統的可靠性和穩定性。研究人員期望通過本設計為無線火災自動報警系統中的無線路由設計提供參考，以提升系統在火災防控能力，為保障人類生命財產安全做出貢獻。

參考文獻

［1］劉大維.無線火災自動報警系統設計思路探討［J］.消防界，2020（12）：68.

［2］羅夢瑩.綜合管廊火災自動報警系統設計研究［J］.智能建筑與智慧城市，2023（2）：136-138.

［3］苗程賓.基于物聯網的火災自動報警系統設計：中國消防協會學術工作委員會消防科技論文集（2022）［C］.北京：中國石化出版社，2022.

（編輯? 姚? 鑫）

Design of intelligent fire detection and alarm system based on wireless sensor networks

Wang? Tao

（Huzhou Tatong Communication Technology Co.， Ltd.， Huzhou 313300， China）

Abstract： Intelligent fire detection and alarm systems play an important role in protecting the safety of peoples lives and property. This article proposes an intelligent fire detection and alarm system based on wireless sensor networks， focusing on the wireless routing algorithm in the system. The aim is to optimize energy consumption and extend the lifespan of wireless sensor nodes while ensuring reliable and stable data transmission.

Key words： wireless sensor network; intelligent fire detection; wireless routing algorithm; energy consumption optimization