黃松濤　張丕旭　石章松

摘 要：針對(duì)目前由消防人員在火災(zāi)環(huán)境中進(jìn)行偵察工作的危險(xiǎn)性，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于消防系統(tǒng)，用具有耐熱特性且對(duì)溫度具有敏感的感知能力的微型傳感器在火場中組網(wǎng)，利用DV－h(huán)op算法對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)定位，并結(jié)合節(jié)點(diǎn)處溫度變化情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)火場環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控。經(jīng)分析得知，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的火災(zāi)現(xiàn)場定位技術(shù)具有很好的可實(shí)現(xiàn)性。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；消防；定位；節(jié)點(diǎn)

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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－h(huán)op 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(zāi)危險(xiǎn)無處不在，嚴(yán)重影響人類的生產(chǎn)、生活和生命交全，在對(duì)環(huán)境的危險(xiǎn)程度未知的情況下，消防人員直接進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場進(jìn)行偵察和滅火工作，是非常危險(xiǎn)的。由具有感知能力、計(jì)算能力和通信能力的微型傳感器組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以替代消防人員在危險(xiǎn)的火災(zāi)環(huán)境中進(jìn)行偵察工作，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，微型傳感器實(shí)時(shí)感知現(xiàn)場環(huán)境信息，并將環(huán)境信息傳送到后方，人們就可以不需進(jìn)入現(xiàn)場而知道詳細(xì)的火災(zāi)情況［1－4］。

1 用于消防系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一組傳感器以Ad Hoc方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域中感知對(duì)象的信息。用于消防系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器接點(diǎn)應(yīng)該具有耐熱特性，并且對(duì)溫度具有敏感的感知能力［5,6］，通過網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)傳感器溫度的變化情況及其位置信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)火情的實(shí)時(shí)監(jiān)控。此系統(tǒng)示意圖如圖1所示，這些接點(diǎn)完成通常的數(shù)據(jù)采集、計(jì)算以及互聯(lián)功能，它們通過傳感器網(wǎng)絡(luò)將信息傳送給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)對(duì)這些數(shù)據(jù)做出響應(yīng)，并通過本地傳輸網(wǎng)絡(luò)送到遠(yuǎn)端基站，基站通過互聯(lián)將數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，最后數(shù)據(jù)通過終端界面?zhèn)魉徒o消防人員［7］。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于消防系統(tǒng)示意圖

由于布置于火災(zāi)現(xiàn)場的傳感器網(wǎng)絡(luò)成本問題和節(jié)點(diǎn)能量十分有限，而且節(jié)點(diǎn)無法補(bǔ)充，因而不適宜每個(gè)節(jié)點(diǎn)都裝備高成本、高能耗的GPS設(shè)備［8］，實(shí)際上，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)常采用分布式的節(jié)點(diǎn)定位算法。定位算法根據(jù)是否測量距離，可分為距離有關(guān)的和距離無關(guān)的2種。距離有關(guān)的通過測量距離角度等信息進(jìn)行定位，對(duì)硬件要求較高且成本較高。受無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)施限制，相對(duì)于花費(fèi)較高的基于距離的方法，距離無關(guān)機(jī)制被認(rèn)為是性價(jià)比較高的選擇。

2 DV－h(huán)op定位算法

DV－h(huán)op算法是一種距離無關(guān)的定位算法，由NICULESCU D等［9－11］在Navigate項(xiàng)目中提出，適用于Ad－Hoc網(wǎng)絡(luò)，并且在密集網(wǎng)絡(luò)中得到了大約射程范圍的1/3的精確度。在一個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，包含傳感器節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)。錨節(jié)點(diǎn)不僅可進(jìn)行單級(jí)廣播，而且可把其位置信息廣播給整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的錨節(jié)點(diǎn)位置、錨節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)和每一跳的平均距離計(jì)算出自己的位置。該算法的實(shí)現(xiàn)大致分為如下3個(gè)階段。

（1） 距離矢量交換階段。在該階段中，DV－h(huán)op算法采用類似于經(jīng)典的距離矢量路由算法的機(jī)制，使得網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都知曉其與各參考節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)。為此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都維護(hù)著一個(gè)表{x璱,y璱,h璱}，其中，x璱，y璱為參考節(jié)點(diǎn)i的坐標(biāo)，h璱為該節(jié)點(diǎn)到參考節(jié)點(diǎn)i的跳數(shù)。

在初始時(shí)，參考節(jié)點(diǎn)向鄰接節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)信標(biāo)（數(shù)據(jù)包），其中包含它的坐標(biāo)以及跳數(shù)，其初始值為1。鄰居節(jié)點(diǎn)接收到信標(biāo)后，將跳數(shù)加1后繼續(xù)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(gè)網(wǎng)絡(luò)傳播。如果某節(jié)點(diǎn)接收到來自相同參考節(jié)點(diǎn)的多個(gè)信標(biāo)，則表明它到該參考節(jié)點(diǎn)有多條路徑。此時(shí)，節(jié)點(diǎn)將保留含有最小跳數(shù)值的信標(biāo)，而忽略其他信標(biāo)，這就保證了所得到的跳數(shù)值是它到參考節(jié)點(diǎn)的最短路徑。經(jīng)過這個(gè)過程，只要整個(gè)網(wǎng)絡(luò)是連通圖，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)（包括參考節(jié)點(diǎn)）都能得到各參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，以及它到各參考節(jié)點(diǎn)的最短距離，也就是跳數(shù)。圖2中以單個(gè)參考節(jié)點(diǎn)為例，表示跳數(shù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳播過程，其中圓形表示節(jié)點(diǎn)的通信半徑。

（2） 校正值計(jì)算與廣播階段。該階段中，每個(gè)參考節(jié)點(diǎn)在獲得其他參考節(jié)點(diǎn)位置和相隔跳數(shù)后，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)平均每跳距離，然后將其作為一個(gè)校正值廣播至網(wǎng)絡(luò)中，參考節(jié)點(diǎn)i的平均每跳距離，也就是校正值。其計(jì)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(shù)傳播過程示意圖

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

接下來，各參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行第一次廣播，將其校正值以洪泛的方式在網(wǎng)絡(luò)中傳播。同樣，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到了第一個(gè)校正值后，便丟棄所有后來者，這個(gè)策略確保了絕大多數(shù)節(jié)點(diǎn)從最近的參考節(jié)點(diǎn)接收校正值。這就意味著該校正值能夠比較真實(shí)地反映出該節(jié)點(diǎn)周圍的平均每跳距離。

未知節(jié)點(diǎn)接收到校正值后，便用校正值與跳數(shù)的乘積來近似代替它到各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的距離，最后進(jìn)入第三階段的坐標(biāo)計(jì)算，即：

d璾礳璾×h璱j（2）

（3） 坐標(biāo)計(jì)算階段。未知節(jié)點(diǎn)利用第二階段記錄得到各個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的跳段距離，利用三邊測量法或極大似然估計(jì)法計(jì)算自身坐標(biāo)。若未知節(jié)點(diǎn)u接收到n個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的位置信息(x1,y1),(x2,y2),…,(x璶,y璶)，并且在上述階段計(jì)算中到各參考節(jié)點(diǎn)的近似距離為d21,d22,…,d2璶，則通過下列方程組得出未知節(jié)點(diǎn)u的坐標(biāo)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(gè)方程開始分別減去最后一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)的最小均方差估計(jì)方法，可以得到節(jié)點(diǎn)u的坐標(biāo)為：

X=(ATA)－1ATb（9）

只要ATA非奇異，節(jié)點(diǎn)u的坐標(biāo)X就有惟一解。

3 火災(zāi)現(xiàn)場定位原理

在火災(zāi)現(xiàn)場，火勢從火源開始向四周呈不規(guī)則的散射狀蔓延，在這個(gè)過程中，傳感器節(jié)點(diǎn)所在位置的可燃物經(jīng)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(gè)階段，溫度變化示意圖如圖3所示［12,13］。從傳感器監(jiān)測到的溫度變化情況，可以判斷節(jié)點(diǎn)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(jīng)燃燒完畢。

圖3 燃燒過程溫度變化示意圖

在火勢蔓延區(qū)域，利用DV－h(huán)op算法獲得傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息，結(jié)合節(jié)點(diǎn)的溫度變化情況，就可以實(shí)時(shí)畫出火勢蔓延圖（見圖4），得知火場態(tài)勢。

圖4 火勢蔓延圖

4 結(jié) 語

在此將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于消防系統(tǒng)，提出通過對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的定位，結(jié)合節(jié)點(diǎn)處溫度變化情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)火場環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控。DV－h(huán)op算法只需要較少的錨節(jié)點(diǎn)，計(jì)算和通信開銷適中，不需要節(jié)點(diǎn)具備測距能力，是一個(gè)可擴(kuò)展的算法。對(duì)于密集網(wǎng)絡(luò)，平均每跳距離接近于實(shí)際距離，可以得到合理的平均每跳距離，從而能夠達(dá)到較高定位精度。而且，隨著感溫探測器技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)工作環(huán)境溫度為-40～+900 ℃的傳感器節(jié)點(diǎn)已成為可能。因此，該技術(shù)在有效定位與跟蹤火源、火情上具有很好的可實(shí)現(xiàn)性和很高的應(yīng)用價(jià)值。

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作者簡介 黃松濤 男，1969年出生，湖北武漢人，工程師。主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用、消防監(jiān)控。

張丕旭 男，1984年出生，山東即墨人，碩士生。主要研究方向?yàn)槟繕?biāo)定位與跟蹤。

石章松 男，1975年出生，湖北陽新人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)槎ㄎ慌c跟蹤、信息融合。