基于無線傳感器網絡的火災現場定位技術研究

摘 要：針對目前由消防人員在火災環(huán)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(tǒng)，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(jié)點定位，并結合節(jié)點處溫度變化情況，實現對火場環(huán)境的實時監(jiān)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(jié)點

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(huán)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(huán)境中進行偵察工作，在火災發(fā)生時，微型傳感器實時感知現場環(huán)境信息，并將環(huán)境信息傳送到后方，人們就可以不需進入現場而知道詳細的火災情況。

1 用于消防系統(tǒng)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(qū)域中感知對象的信息。用于消防系統(tǒng)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，通過網絡覆蓋區(qū)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(jiān)控。此系統(tǒng)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?zhèn)魉徒o消防人員。
由于布置于火災現場的傳感器網絡成本問題和節(jié)點能量十分有限，而且節(jié)點無法補充，因而不適宜每個節(jié)點都裝備高成本、高能耗的GPS設備，實際上，無線傳感器網絡中經常采用分布式的節(jié)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(jié)點和錨節(jié)點。錨節(jié)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(jié)點。節(jié)點根據接收到的錨節(jié)點位置、錨節(jié)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(jié)點都知曉其與各參考節(jié)點的跳數。為此，每個節(jié)點都維護著一個表{xi，yi，hi}，其中，xi，yi為參考節(jié)點i的坐標，hi為該節(jié)點到參考節(jié)點i的跳數。在初始時，參考節(jié)點向鄰接節(jié)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(jié)點接收到信標后，將跳數加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網絡傳播。如果某節(jié)點接收到來自相同參考節(jié)點的多個信標，則表明它到該參考節(jié)點有多條路徑。此時，節(jié)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(jié)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(jié)點(包括參考節(jié)點)都能得到各參考節(jié)點的坐標，以及它到各參考節(jié)點的最短距離，也就是跳數。圖2中以單個參考節(jié)點為例，表示跳數在網絡中的傳播過程，其中圓形表示節(jié)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(jié)點在獲得其他參考節(jié)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(jié)點i的平均每跳距離，也就是校正值。其計算方法如下：

式(1)中，(xi，yi)，(xi，yi)分別是參考節(jié)點i與j的坐標；hij表示參考節(jié)點i到參考節(jié)點j的跳數。