劉 丹 王霓虹

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

1999 年，MIT Auto ID Center［1］提出較早的國際“物聯(lián)網(wǎng)”定義：在計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用射頻識別(RFID)、無線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，構(gòu)造一個覆蓋世界上萬事萬物的網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)物品的自動識別和信息的互聯(lián)共享。2005年，國際電信聯(lián)盟［2］(ITU)發(fā)布的《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005：物聯(lián)網(wǎng)》中正式給出了“物聯(lián)網(wǎng)”概念：指出物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的延伸，“RFID、傳感器技術(shù)、納米技術(shù)、智能嵌入技術(shù)”將是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的4大核心技術(shù)。2009年，IBM公司首席執(zhí)行官彭明盛［3］首先提出“智慧地球”的新概念，物聯(lián)網(wǎng)在世界范圍掀起熱潮，發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被迅速納入多個國家的重大信息發(fā)展戰(zhàn)略中。

國內(nèi)對“物聯(lián)網(wǎng)”的定義為［4-5］：將各種信息傳感設(shè)備，如射頻識別(RFID)裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等種種裝置與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò)。其目的是讓所有的物品都與網(wǎng)絡(luò)連接在一起，系統(tǒng)可以自動地、實時地對物體進(jìn)行識別、定位、追蹤、監(jiān)控，并觸發(fā)相應(yīng)事件。

物聯(lián)網(wǎng)的用途極其廣泛，已應(yīng)用于各種自然災(zāi)害的監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生、電力系統(tǒng)、智能交通、智能小區(qū)管理、軍事、航空和航天等多個領(lǐng)域［6］。作為信息產(chǎn)業(yè)的又一次革命，物聯(lián)網(wǎng)也將成為“數(shù)字林業(yè)”建設(shè)中的決定力量。當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)已在森林防火、古樹名木管理、珍稀野生動物保護(hù)、木材追蹤管理、苗木花卉栽培等多方面著手研究［7］。本文主要根據(jù)林業(yè)數(shù)據(jù)監(jiān)測的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，對監(jiān)測森林火災(zāi)的傳感器定位算法進(jìn)行研究，加速火場定位，最大程度地預(yù)防和減少森林火災(zāi)及其造成的損失。

1 基于林業(yè)數(shù)據(jù)監(jiān)測的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)的感知環(huán)節(jié)具有很強(qiáng)的異構(gòu)性，為進(jìn)一步讓林業(yè)數(shù)據(jù)監(jiān)測實現(xiàn)信息之間的互聯(lián)、互通與互操作，物聯(lián)網(wǎng)將以開放、分層、可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)［8］為基礎(chǔ)，分為4個層次：傳感器網(wǎng)絡(luò)層(傳感器布置、射頻識別系統(tǒng)等)→接入網(wǎng)絡(luò)層(網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋、路由器等網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備)→中間件層(數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析)→應(yīng)用層(結(jié)果呈現(xiàn)給系統(tǒng)管理員，并反饋給物聯(lián)網(wǎng)底層)。

(1)在傳感器網(wǎng)絡(luò)層，通過傳感器采集各類監(jiān)控信號，經(jīng)過無線傳感器的匯聚節(jié)點將信息收集，傳送給下一層的網(wǎng)絡(luò)空間。

(2)接入網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行數(shù)據(jù)融合或預(yù)處理。主要通過網(wǎng)橋、網(wǎng)關(guān)、路由器、交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，將主體網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)，將從傳感器網(wǎng)絡(luò)層接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，傳遞給中間件層的數(shù)據(jù)服務(wù)器。

(3)中間件層，將通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連通的網(wǎng)絡(luò)的傳感器網(wǎng)絡(luò)層傳輸來的數(shù)據(jù)，存儲在當(dāng)前的數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器中，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，建立數(shù)據(jù)分析的算法與模型，從而為監(jiān)測數(shù)據(jù)面向應(yīng)用層的結(jié)果提供有力的保障。

(4)應(yīng)用層，將中間件層通過算法和模型而產(chǎn)生的結(jié)果，一方面在應(yīng)用層呈現(xiàn)給管理員，另一方面根據(jù)應(yīng)用需求，反饋給物聯(lián)網(wǎng)底層，實現(xiàn)對應(yīng)的控制。

本文重點要研究的傳感器節(jié)點定位算法主要集中在中間件層。通過建立定位算法，對部署在森林中的傳感器進(jìn)行良好的追蹤，盡早發(fā)現(xiàn)森林火災(zāi)的發(fā)生，降低火災(zāi)帶來的損失。

2 定位算法的實現(xiàn)

2.1 算法的提出

在森林火災(zāi)監(jiān)測中，通常需要對森林里各地點的風(fēng)速、溫度、濕度等參數(shù)進(jìn)行檢測，發(fā)生火災(zāi)時還須精確確定火災(zāi)地點。由于森林一般覆蓋面積較大，環(huán)境惡劣，多是無人值守區(qū)域，需要大量的節(jié)點協(xié)作才能完成監(jiān)測任務(wù)，因此無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測的優(yōu)勢非常顯現(xiàn)。在森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)中，發(fā)生火災(zāi)時的火災(zāi)位置對森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)至關(guān)重要，這也是傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該擁有的基本功能之一。

當(dāng)前，位置信息的準(zhǔn)確定位的方法很多，可以通過全球定位系統(tǒng)GPS實現(xiàn)定位;但其用戶節(jié)點通常能耗高、體積大，成本較高，還需要固定的基礎(chǔ)設(shè)施。因此，在GPS應(yīng)用受限的情況下，采用體積小、能量消耗低、價格低廉的傳感器網(wǎng)絡(luò)，可很好地解決定位問題。典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)，有基于接收信號強(qiáng)度指示(RSSI)、基于到達(dá)時間(TOA)、基于到達(dá)時間差(TDOA)和基于到達(dá)角度(AOA)等方法。但這些方法多需要額外硬件設(shè)備支持;RSSI定位技術(shù)［9］雖然無需額外硬件設(shè)備支持，但基于RSSI的定位結(jié)果常不穩(wěn)定，故應(yīng)用性受到一定限制。在此，將加權(quán)質(zhì)心的定位算法應(yīng)用到森林火災(zāi)的監(jiān)測中。該算法在現(xiàn)有的質(zhì)心定位算法基礎(chǔ)上，通過對馬爾可夫鏈的狀態(tài)預(yù)測來確定感知節(jié)點對目標(biāo)檢測的不同影響力，并利用集合劃分的思想對目標(biāo)位置進(jìn)行合理的劃分，以確定目標(biāo)的軌跡，對監(jiān)測火災(zāi)的傳感器進(jìn)行準(zhǔn)確定位，確定火場發(fā)生地。

2.2 算法的描述

南加州大學(xué)的Nirupama Bulusu等人［10］提出傳感器定位的質(zhì)心算法，該算法的主要思想是：傳感器感知節(jié)點每隔一段時間進(jìn)行一次目標(biāo)檢測，當(dāng)目標(biāo)出現(xiàn)在感知節(jié)點的感知區(qū)域范圍內(nèi)時，將目標(biāo)位置確定為感知節(jié)點所組成的多邊形的質(zhì)心，多邊形所有頂點坐標(biāo)的平均值就是質(zhì)心節(jié)點的坐標(biāo)。當(dāng)系統(tǒng)得到所有能夠檢測到目標(biāo)的感知節(jié)點的位置信息后，就可以根據(jù)這些感知節(jié)點所組成的多邊形的頂點坐標(biāo)來估算目標(biāo)當(dāng)前的位置。

本文應(yīng)用的加權(quán)質(zhì)心定位算法是對定位質(zhì)心算法的一種改進(jìn)，利用加權(quán)因子體現(xiàn)各感知節(jié)點對目標(biāo)位置的影響程度，是一種基于網(wǎng)絡(luò)連通性的定位算法。具體算法如下：

假設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點集合為S={s1、s2、…、sN}，每個節(jié)點可以感知的范圍為Ai，則N個節(jié)點感知范圍的總和Ar=當(dāng)兩點不重合，并且感知區(qū)域不相交的情況下，每一時刻只有一個節(jié)點能夠感知到目標(biāo)，而目標(biāo)在下一時刻的位置，只與當(dāng)前位置有關(guān)。若以Xn記錄第n時刻目標(biāo)出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中感知節(jié)點區(qū)域的編號，則{Xn，n=1、2…}是一個馬爾可夫鏈，其狀態(tài)集合為{1、2、…、N}，Xt=i表示在 t時刻目標(biāo)處于Ai感知區(qū)內(nèi)。在每一個時刻，感知節(jié)點能夠感知到是否有目標(biāo)出現(xiàn)在自己的感知區(qū)域內(nèi)，因此，當(dāng)馬爾可夫鏈進(jìn)入下一個狀態(tài)時，將會引起感知節(jié)點檢測值的改變。假設(shè)，當(dāng)馬爾可夫鏈進(jìn)入狀態(tài)j時，獨立于以前的狀態(tài)和節(jié)點檢測值，以概率p(j|i)改變節(jié)點sj的檢測值，且當(dāng)sj∈nbrsi時，1;當(dāng)sj?nbrsi時，p(j|i)=0。通過節(jié)點對目標(biāo)的檢測，可以觀測到每一時刻網(wǎng)絡(luò)中感知節(jié)點的檢測值。以∈{0，1}表示節(jié)點i在t時刻的檢測值，檢測到目標(biāo)值為1，未檢測到目標(biāo)值為0。因此，表示網(wǎng)絡(luò)中所有的感知節(jié)點在t時刻的檢測結(jié)果;Y1，T=(Y1、…、YT)表示網(wǎng)絡(luò)中的感知節(jié)點在時刻T以前所有的檢測結(jié)果。以X1，T=(X1、…、XT)表示在時刻T以前目標(biāo)的狀態(tài)集合。根據(jù)以上說明，可以得出聯(lián)合分布函數(shù)：以δt(i)表示t時刻狀態(tài)處于i的最大概率(其中：i=1、…、N，且 t=1、…、T)：表示目標(biāo)當(dāng)前處于第j個節(jié)點、而后移動到第i個節(jié)點的感知區(qū)域的概率。由于概率都是非負(fù)的，且過程必須轉(zhuǎn)移到某個狀態(tài)，因此，當(dāng)jnbri時，假設(shè)節(jié)點si的檢測概率為ηi，則=1-ηi，可推導(dǎo)出式(3)：

利用Baum-Welch方法，通過網(wǎng)絡(luò)中感知節(jié)點感知到的歷史信息，可以計算出馬爾可夫模型的相關(guān)參數(shù)π、η、Pt=［pij］。因此，通過節(jié)點自身信息就可以計算出節(jié)點的權(quán)重δt(i)的值，其中：

若在t時刻，δt的值大于0的感知節(jié)點的坐標(biāo)依次為：(x1，y1)、(x2，y2)、…、(xn，yn)，各個感知節(jié)點對應(yīng)的權(quán)值為：

通過權(quán)值的計算，目標(biāo)的位置坐標(biāo)(x，y)表示為：

通過以上算法的描述，根據(jù)傳感器節(jié)點的感知區(qū)域，利用馬爾可夫鏈模型推導(dǎo)出節(jié)點的權(quán)重，最終近似準(zhǔn)確定位感知節(jié)點的位置。

2.3 算法的實現(xiàn)及產(chǎn)生的結(jié)果

在森林中布置的傳感器節(jié)點在未檢測到火災(zāi)發(fā)生的參數(shù)時，各節(jié)點處于休眠狀態(tài)。當(dāng)節(jié)點感知到目標(biāo)進(jìn)入感知區(qū)域時，根據(jù)上述改進(jìn)后的加權(quán)質(zhì)心算法快速計算感知節(jié)點對應(yīng)的權(quán)值。根據(jù)計算出的權(quán)值和節(jié)點的位置信息，計算出定位目標(biāo)的坐標(biāo)，從而快速查找到森林火災(zāi)發(fā)生位置，進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

在實驗中，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點隨機(jī)部署在一個矩形區(qū)域內(nèi)。假設(shè)節(jié)點覆蓋率及節(jié)點通信半徑可調(diào)節(jié)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的位置可知，經(jīng)過隨機(jī)30次的實驗，結(jié)果如圖1所示。當(dāng)節(jié)點密度很低時，質(zhì)心定位的平均誤差較大，而加權(quán)定位的誤差較小;隨著節(jié)點密度的增大，當(dāng)接近10%的時候，各定位算法的平均誤差較接近。

圖1 平均定位誤差對比

3 結(jié)束語

本文在介紹物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)狀以及物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用架構(gòu)體系后，部署在森林中進(jìn)行火災(zāi)監(jiān)控的傳感器在接收數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)通過接入網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲器，進(jìn)行火災(zāi)的火點定位。本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的質(zhì)心定位算法引入，并將該算法中的定位誤差較大的缺點進(jìn)行改進(jìn)。利用加權(quán)質(zhì)心定位算法，根據(jù)傳感器節(jié)點的感知區(qū)域，計算傳感器節(jié)點的權(quán)值，從而完成著火點的快速定位，減少因森林火災(zāi)造成的損失。通過仿真試驗，質(zhì)心定位算法的平均定位誤差率在節(jié)點密度較小的情況下，誤差較大;但加權(quán)質(zhì)心算法的平均定位誤差處于平緩變化之中?？傮w看，關(guān)于縮小誤差率的問題，還仍有待進(jìn)一步提高。

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