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(chǎng)中組網(wǎng)，利用DV—hop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(chǎng)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(chǎng)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)

    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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)而知道詳細(xì)的火災(zāi)情況。

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，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。
    由于布置于火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)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，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(cè)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(cè)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—hop定位算法
    DV—hop算法是一種距離無關(guān)的定位算法，由NICULESCU D等在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—hop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{xi，yi，hi}，其中，xi，yi為參考節(jié)點(diǎn)i的坐標(biāo)，hi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：

   
    式(1)中，(xi，yi)，(xi，yi)分別是參考節(jié)點(diǎn)i與j的坐標(biāo)；hij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：

   
    (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(cè)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)，…，(xn，yn)，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，…，d2n，則通過下列方程組得出未知節(jié)點(diǎn)u的坐標(biāo)從第一個(gè)方程開始分別減去最后一個(gè)方程，得：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：

從第一個(gè)方程開始分別減去最后一個(gè)方程，得：

式（4）的線性方程可表示為：

    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：

   
    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(chǎng)定位原理
    在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，火勢(shì)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。從傳感器監(jiān)測(cè)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(shì)是否正在逼近；是否開始燃燒；是否已經(jīng)燃燒完畢。在火勢(shì)蔓延區(qū)域，利用DV—hop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(shì)蔓延圖(見圖4)，得知火場(chǎng)態(tài)勢(shì)。

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(chǎng)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控。DV—hop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(cè)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(cè)器技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)工作環(huán)境溫度為一40～+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。