基于无线传感器网络的火灾现场定位技术研究

摘 要：针对目前由消防人员在火灾环境中进行侦察工作的危险性，将无线传感器网络技术应用于消防系统，用具有耐热特性且对温度具有敏感的感知能力的微型传感器在火场中组网，利用DV—hop算法对传感器节点定位，并结合节点处温度变化情况，实现对火场环境的实时监控。经分析得知，基于无线传感器网络的火灾现场定位技术具有很好的可实现性。
关键词：无线传感器网络；消防；定位；节点

    火灾危险无处不在．严重影响人类的生产、生活和生命交全，在对环境的危险程度未知的情况下，消防人员直接进入火灾现场进行侦察和灭火工作，是非常危险的。由具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器组成的无线传感器网络，可以替代消防人员在危险的火灾环境中进行侦察工作，在火灾发生时，微型传感器实时感知现场环境信息，并将环境信息传送到后方，人们就可以不需进入现场而知道详细的火灾情况。

1 用于消防系统的无线传感器网络
    无线传感器网络是由一组传感器以Ad Hoc方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖地理区域中感知对象的信息。用于消防系统无线传感器网络中的传感器接点应该具有耐热特性，并且对温度具有敏感的感知能力，通过网络覆盖区域内传感器温度的变化情况及其位置信息，实现对火情的实时监控。此系统示意图如图1所示。这些接点完成通常的数据采集、计算以及互联功能，它们通过传感器网络将信息传送给网关，网关对这些数据做出响应，并通过本地传输网络送到远端基站，基站通过互联将数据传送给数据库服务器，最后数据通过终端界面传送给消防人员。
    由于布置于火灾现场的传感器网络成本问题和节点能量十分有限，而且节点无法补充，因而不适宜每个节点都装备高成本、高能耗的GPS设备，实际上，无线传感器网络中经常采用分布式的节点定位算法。定位算法根据是否测量距离，可分为距离有关的和距离无关的2种。距离有关的通过测量距离角度等信息进行定位，对硬件要求较高且成本较高。受无线传感器网络硬件设施限制，相对于花费较高的基于距离的方法，距离无关机制被认为是性价比较高的选择。

2 DV—hop定位算法
    DV—hop算法是一种距离无关的定位算法，由NICULESCU D等在Navigate项目中提出，适用于Ad—Hoc网络，并且在密集网络中得到了大约射程范围的1／3的精确度。在一个异构网络中，包含传感器节点和锚节点。锚节点不仅可进行单级广播，而且可把其位置信息广播给整个网络的所有节点。节点根据接收到的锚节点位置、锚节点的跳数和每一跳的平均距离计算出自己的位置。该算法的实现大致分为如下3个阶段。
    (1)距离矢量交换阶段。在该阶段中，DV—hop算法采用类似于经典的距离矢量路由算法的机制，使得网络中的所有节点都知晓其与各参考节点的跳数。为此，每个节点都维护着一个表{xi，yi，hi}，其中，xi，yi为参考节点i的坐标，hi为该节点到参考节点i的跳数。在初始时，参考节点向邻接节点广播一个信标(数据包)，其中包含它的坐标以及跳数，其初始值为1。邻居节点接收到信标后，将跳数加1后继续向它的邻居广播(除了来源方向)，如此通过洪泛的方式向整个网络传播。如果某节点接收到来自相同参考节点的多个信标，则表明它到该参考节点有多条路径。此时，节点将保留含有最小跳数值的信标，而忽略其他信标，这就保证了所得到的跳数值是它到参考节点的最短路径。经过这个过程，只要整个网络是连通图，网络中的所有节点(包括参考节点)都能得到各参考节点的坐标，以及它到各参考节点的最短距离，也就是跳数。图2中以单个参考节点为例，表示跳数在网络中的传播过程，其中圆形表示节点的通信半径。
    (2)校正值计算与广播阶段。该阶段中，每个参考节点在获得其他参考节点位置和相隔跳数后，计算网络平均每跳距离，然后将其作为一个校正值广播至网络中，参考节点i的平均每跳距离，也就是校正值。其计算方法如下：

   
    式(1)中，(xi，yi)，(xi，yi)分别是参考节点i与j的坐标；hij表示参考节点i到参考节点j的跳数。

   接下来，各参考节点进行第一次广播，将其校正值以洪泛的方式在网络中传播。同样，当一个节点接收到了第一个校正值后，便丢弃所有后来者，这个策略确保了绝大多数节点从最近的参考节点接收校正值。这就意味着该校正值能够比较真实地反映出该节点周围的平均每跳距离。
    未知节点接收到校正值后，便用校正值与跳数的乘积来近似代替它到各个参考节点的距离，最后进入第三阶段的坐标计算，即：

   
    (3)坐标计算阶段。未知节点利用第二阶段记录得到各个信标节点的跳段距离，利用三边测量法或极大似然估计法计算自身坐标。若未知节点u接收到n个参考节点的位置信息(x1，y1)，(x2，y2)，…，(xn，yn)，并且在上述阶段计算中到各参考节点的近似距离为d21，d22，…，d2n，则通过下列方程组得出未知节点u的坐标从第一个方程开始分别减去最后一个方程，得：使用标准的最小均方差估计方法，可以得到节点u的坐标为：

从第一个方程开始分别减去最后一个方程，得：

式（4）的线性方程可表示为：

    使用标准的最小均方差估计方法，可以得到节点u的坐标为：

   
    只要ATA非奇异，节点u的坐标X就有惟一解。

3 火灾现场定位原理
    在火灾现场，火势从火源开始向四周呈不规则的散射状蔓延，在这个过程中，传感器节点所在位置的可燃物经历了引燃、阴燃、明火燃烧、轰然、燃尽等燃烧过程，可按温度变化划分为燃烧前、燃烧中和燃烧后3个阶段，温度变化示意图如图3所示。从传感器监测到的温度变化情况，可以判断节点所在位置的火情：火势是否正在逼近；是否开始燃烧；是否已经燃烧完毕。在火势蔓延区域，利用DV—hop算法获得传感器节点的位置信息，结合节点的温度变化情况，就可以实时画出火势蔓延图(见图4)，得知火场态势。

4 结 语
    在此将无线传感器网络技术应用于消防系统，提出通过对传感器节点的定位，结合节点处温度变化情况，实现对火场环境的实时监控。DV—hop算法只需要较少的锚节点，计算和通信开销适中，不需要节点具备测距能力，是一个可扩展的算法。对于密集网络，平均每跳距离接近于实际距离，可以得到合理的平均每跳距离，从而能够达到较高定位精度。而且，随着感温探测器技术的发展，开发工作环境温度为一40～+900℃的传感器节点已成为可能。因此，该技术在有效定位与跟踪火源、火情上具有很好的可实现性和很高的应用价值。