基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林火災(zāi)監(jiān)測技術(shù)

摘 要：森林火災(zāi)是環(huán)境惡化的主要原因之一，為了減輕火災(zāi)帶來的損失，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)測和定位森林火災(zāi)位置是一種有效的方法。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過遍布在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)來采集、傳輸數(shù)據(jù)，為控制中心提供及時準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)資料。但是，由于無線傳感器是由電池供電，而且比較分散，所以如何減少傳感器的耗電量和維持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性是一個重要問題。本文從不同角度分析了幾種解決方法。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；森林火災(zāi)監(jiān)測；能量

中圖分類號：S762.2

森林火災(zāi)對于全世界來說都是一個致命的威脅，而對火災(zāi)的早期監(jiān)測是降低火災(zāi)危害的一種重要方法。在森林火災(zāi)監(jiān)測中，如果只能預(yù)測是否發(fā)生火災(zāi)或者在森林著火時不能及時找到火點(diǎn)，那么會浪費(fèi)大量時間來尋找著火點(diǎn)，耽誤救火時間，這將帶來更嚴(yán)重的損失，因此，對火點(diǎn)的定位是非常重要的環(huán)節(jié)之一。目前已經(jīng)廣泛使用的森林火災(zāi)監(jiān)測技術(shù)有：帶有電荷耦合攝像頭和紅外探測器的系統(tǒng)，衛(wèi)星系統(tǒng)和圖像，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

1 森林火災(zāi)監(jiān)測技術(shù)

基于攝像頭的裝置是放在瞭望塔頂部的，攝像頭和探測器感知到異常事件后會將信號傳送到控制中心，但是系統(tǒng)的準(zhǔn)確性易受到影響地勢、天氣、燈光或認(rèn)為出現(xiàn)的煙等因素的影響。另一種用衛(wèi)星技術(shù)檢測森林火災(zāi)的技術(shù)是每隔1到2天接收到衛(wèi)星拍攝的完整圖像，這樣不利于盡早發(fā)現(xiàn)火災(zāi)。

而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新興的技術(shù)，它能夠應(yīng)用到森里火災(zāi)監(jiān)測和其他相關(guān)領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）是一個具有檢測、傳輸和無線聯(lián)絡(luò)能力的信息平臺，由一些小型低成本靠電池供電的傳感器節(jié)點(diǎn)組成。布放在森林火災(zāi)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的傳感器會把監(jiān)測區(qū)內(nèi)的濕度、溫度和氣壓等信息傳回控制中心，控制中心再根據(jù)特定的火災(zāi)監(jiān)測分析模型分析節(jié)點(diǎn)傳回的信息，最后確定傳感器所在位置是否為火點(diǎn)。因?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)發(fā)回信息中也有節(jié)點(diǎn)的位置信息，所以很容易及時確定火點(diǎn)的位置并實(shí)施撲救。

但是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測森林火災(zāi)還是存在一些問題的，例如傳感器節(jié)點(diǎn)電量的限制，惡劣的環(huán)境條件等，這些可能會影響到監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。如果事先不進(jìn)行周密的規(guī)劃，持續(xù)監(jiān)測森林狀況可能會消耗傳感器大量的電量，因此，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)需要考慮到一些參數(shù)的設(shè)定和各方面的權(quán)衡關(guān)系。

2 無線傳感器節(jié)能技術(shù)

2.1 節(jié)點(diǎn)運(yùn)行模式

森林火災(zāi)監(jiān)測區(qū)域通常是比較遼闊的，無線傳感器數(shù)量較多，當(dāng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)沒有電時，給每個傳感器更換電池是非常復(fù)雜的，因此，使無線傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行在節(jié)能模式下是解決這一問題的有戲方法之一。當(dāng)森林沒有發(fā)生火災(zāi)時，傳感器節(jié)點(diǎn)不會非?；钴S的監(jiān)測和傳輸數(shù)據(jù)。但是當(dāng)森林發(fā)生火災(zāi)時，網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)會進(jìn)入緊急模式，以最快速度檢測傳輸數(shù)據(jù)。森林火災(zāi)與地域、季節(jié)和當(dāng)前天氣狀況有直接關(guān)系，該系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前火災(zāi)風(fēng)險等級來采取相應(yīng)的運(yùn)行模式，除了火災(zāi)發(fā)生時，其余時間該系統(tǒng)工作在低功耗模式下，這樣就可以避免在正常狀況下消耗過多電量。為了保證在低功耗模式下，無線傳感器依然能夠及時監(jiān)測出火災(zāi)，各個傳感器中會運(yùn)行一個分布式協(xié)議，警惕火災(zāi)的威脅，當(dāng)溫度出現(xiàn)異常時，盡快通知控制中心注意可能發(fā)生火災(zāi)或已發(fā)生的火災(zāi)[1]。

此外，還可以在森林監(jiān)測區(qū)域邊緣布置一個移動錨節(jié)點(diǎn)，且錨節(jié)點(diǎn)可以沿著直線軌跡來回移動，通過該錨節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)森林區(qū)域內(nèi)布置的傳感器節(jié)點(diǎn)的定位。在定位過程中，引入喚醒時間預(yù)測的概念，通過預(yù)測喚醒時間的休眠或喚醒方式，使定位期間的節(jié)點(diǎn)按需要進(jìn)入休眠或活躍狀態(tài)，減少活躍節(jié)點(diǎn)數(shù)目，達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位總消耗的目的。并且該算法的定位精度與網(wǎng)絡(luò)的連通性、節(jié)點(diǎn)密度、節(jié)點(diǎn)無線通信范圍無關(guān)，避免了各種客觀條件的制約。該算法采用非測距的方式，網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)無需配備額外的定位硬件，節(jié)點(diǎn)成本低，定位算法簡單，節(jié)點(diǎn)定位時間短，充分利用錨節(jié)點(diǎn)的信息，實(shí)現(xiàn)了傳感器節(jié)點(diǎn)的高精度定位。

2.2 基站位置的選取

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各個傳感器節(jié)點(diǎn)間傳輸數(shù)據(jù)時消耗的電量與彼此間的距離和節(jié)點(diǎn)到基站的距離有關(guān)，距離越長，耗電量越多，所以，基站在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的布放位置對網(wǎng)絡(luò)能量的消耗也有著一定的影響，可以采取以下方法設(shè)置基站位置[2]。

采用k均值算法將網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聚類，將基站放在每一類的中心位置，如果有的基站出現(xiàn)重疊的現(xiàn)象，那么需要為這些重疊部分建立新的類別。這種方法的缺陷是聚類數(shù)目取決于基站數(shù)目，并且在不了解無線網(wǎng)絡(luò)全局狀況下，需要具有關(guān)于基站數(shù)目的先驗(yàn)知識，算法的設(shè)計(jì)也是至關(guān)重要的，因?yàn)樗惴ㄓ绊懼鴤鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的計(jì)算載荷。

從數(shù)據(jù)傳輸密度的角度，選擇距離基站一個躍局范圍內(nèi)的n個傳感器節(jié)點(diǎn)形成多邊形區(qū)域，基站的位置設(shè)置在多邊形的中心上，與所選擇的n個傳感器節(jié)點(diǎn)的距離是相等的。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量增多時，這種定位方法減少了平均電能損耗。但是，當(dāng)多邊形的邊界相互交叉時，這種方法就會失敗，而且基站的定位只考慮了無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有限的傳感器節(jié)點(diǎn)（距離基站一個躍距內(nèi)的鄰近點(diǎn)），忽略了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他可能非常重要的傳感器節(jié)點(diǎn)。

在不同的環(huán)境下，傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸信號的路徑損耗也是不同的，從不同路徑損耗的角度出發(fā)，將網(wǎng)絡(luò)中每個傳感器節(jié)點(diǎn)當(dāng)時的狀況考慮進(jìn)去，為基站選擇一個能夠消耗最少電量的位置；基站的位置不是一直不變的，當(dāng)可利用的網(wǎng)絡(luò)資源、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和環(huán)境改變時，應(yīng)該重新規(guī)劃基站的位置。

3 無線傳感器的穩(wěn)定性

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是依靠大量相互協(xié)作的節(jié)點(diǎn)來保證數(shù)據(jù)鏈路的可靠性和效率的。網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)是通過這些節(jié)點(diǎn)從多條路徑中選擇一條適當(dāng)?shù)穆酚上蛏蟼魉偷模绻溌钒l(fā)生擁擠或路由中的一個節(jié)點(diǎn)失效，網(wǎng)絡(luò)會自動重新選擇不同路由將數(shù)據(jù)重傳。因此，網(wǎng)絡(luò)需具有高度的容錯能力以保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。特別是在森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)中，無線傳感器節(jié)點(diǎn)的工作環(huán)境惡劣多變，能源有限，設(shè)備本身沒有保護(hù)措施，很容易造成部分節(jié)點(diǎn)損壞。因此，除了無線傳感器能源問題，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性也是至關(guān)重要的。

一種具有高效能量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集協(xié)議可以很好的增強(qiáng)無線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。利用分簇技術(shù)生成通信半徑相等的簇，由剩余能量相對充足的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成簇首，由簇首構(gòu)成通信骨干網(wǎng)，對骨干網(wǎng)采用一種適合資源有限的無線網(wǎng)絡(luò)的分布式最小生成樹算法獲得其最小生成樹，在此基礎(chǔ)上，借助解決旅行售貨商問題的思想，構(gòu)建一條路徑最短的移動匯點(diǎn)移動軌跡，該運(yùn)動軌跡上移動匯點(diǎn)和每個簇以單跳方式通信，增強(qiáng)了通信信道質(zhì)量，保證了無線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性[3]。

4 結(jié)束語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)只需要布放在森林中就可以長期監(jiān)測森林火災(zāi)情況，而且具有收集和傳輸數(shù)據(jù)能力，可以及時將數(shù)據(jù)傳送到控制中心。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在無人值守的森林火災(zāi)監(jiān)測等特殊領(lǐng)域，具有傳統(tǒng)技術(shù)無可比擬的優(yōu)勢。但是由于無線傳感器自身的特點(diǎn)，降低電能的消耗和維持網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性一直都是研究熱點(diǎn)問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]Aslan Y E，Korpeoglu I，Ulusoy.A framework for use of wireless sensor networks in forest fire detection and monitoring[J].Computers，Environment and Urban Systems，2012（06）：614-625.

[2]劉麗萍，王智，孫優(yōu)賢.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署及其覆蓋問題研究[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2006（09）：1752-1757.

[3]汪林云，劉文軍.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中帶有移動匯點(diǎn)的能量高效的數(shù)據(jù)收集協(xié)議[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2012（05）：678-682.

作者單位：遼寧大學(xué)信息學(xué)院，沈陽 110036