一種應用於森林防火中的無線傳感器系統的製作方法
2023-12-06 14:20:46
一種應用於森林防火中的無線傳感器系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種應用於森林防火中的無線傳感器系統，其包括：傳感器節點，中心節點以及遠程監控系統，其中傳感器節點間以及傳感器與中心節點間的通信協議，為Zigbee通信協議；中心節點間與遠程監控軟體間採用Adhoc通信協議，三個級別的體系結構和兩個通信協議構成了森林防火系統的主體，協議擔負系統中數據的流動，三個級別的體系結構分別對應數據源、數據傳輸和最終數據處理功能。本發明的森林防火系統在節能、構架、軟硬體設計、環保、成本以及拓展性方面都具有一定的創新性。
【專利說明】一種應用於森林防火中的無線傳感器系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及移動網際網路及通信【技術領域】，尤其涉及應用於森林防火中的無線傳感器系統。
【背景技術】
[0002]森林火災是一種突發性強、破壞性大、處置和救助較為困難的自然災害。其危害非常嚴重，不僅毀壞林木，造成大量動植物死亡，還會改變森林氣候，破壞大自然的生態平衡，造成經濟上的巨大損失和生態環境的嚴重破壞。
[0003]森林火情監測，是森林防火工作的重要內容，同時也是控制和撲滅森林火災的重要基礎。目前，常規的林火監測主要依靠地面人員巡護、嘹望臺定點觀測、航空巡邏等措施。然而，僅依靠巡護員徒步監測火情遠遠不夠，嘹望臺造價較高，飛機觀測耗資大，且受到諸多限制，因此常規的監測措施無法有效偵測火情。為了減少森林火災造成的各類損失，世界各國都非常重視森林防火研究。
[0004]隨著科學技術的發展，高科技不斷被應用到林火監測中，森林防火工作日益走向高科技、智能化、系統化、綜合化。環境監測是一類典型的傳感器網絡的應用。與傳統的環境監控手段相比，使用傳感器網絡進行環境監控有三個顯著的優勢:一是傳感器節點的體積很小且整個網絡只需要部署一次，因此部署傳感器網絡對監控環境的人為影響很小。這一點在對外來生物活動非常敏感的環境中尤其重要。二是傳感器網絡節點數量大，分布密度高，每個節點可以檢測到局部環境的詳細信息並匯總到基站，因此傳感器網絡具有數據採集量大，精度高的特點。三是無線傳感器節點本身具有一定的計算能力和存儲能力，可以根據物理環境的變化進行較為複雜的監控，傳感器節點還具有無線通信能力，可以在節點間進行協同監控。通過增大電池容量和提高電池使用效率，以及採用低功耗的無線通信模塊和無線同協議可以使傳感器網絡的生命期延長很長時間，這保證了傳感器網絡的實用性。節點的計算能力和無線通信能力使得傳感器網絡能夠重新編程和重新部署，對環境變化、傳感器網絡自身變化以及網絡控制指令做出及時反應，因而傳感器網絡適用於多種環境監測應用中。
【發明內容】
[0005]本申請涉及一種應用於森林防火中的無線傳感器系統，其包括:傳感器節點，中心節點以及遠程監控系統，其中傳感器節點間以及傳感器與中心節點間的通信協議，為Zigbee通信協議；中心節點間與遠程監控軟體間採用Adhoc通信協議，三個級別的體系結構和兩個通信協議構成了森林防火系統的主體，協議擔負系統中數據的流動，三個級別的體系結構分別對應數據源、數據傳輸和最終數據處理功能。
[0006]通過無線傳感器節點與中心節點通信方法、中心節點與中心節點多跳數據傳輸方法以及中心節點自身的軟體設計三個部分，設計了一個傳感器節能以及無線傳感器網絡整體節能工作的方案。極大地延長了森林防火系統的生存周期，並且緊緊圍繞防火預警為核心。設計並構建了最為基礎的森林防火的一級體系結構，夯實了整個系統穩定工作的基礎。尤其在單個節點的設計中，使用了比較簡明的應用設計構架，通過修改Zigbee協議隱藏諸多細節，使其在流量分發、拓撲管理和通信的折衷處理變得透明，有利於保障整個的軟體開發的速度和質量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0008]圖1為一級體系結構與二級體系結構的關係圖；
圖2為中心節點構成的二級體系結構示意圖；
圖3為三個級別體系結構分工示意圖；
圖4為無線傳感器森林防火系統；
圖5為中心節點的構架結構圖。
【具體實施方式】
[0009]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清除、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範疇。
[0010]無線傳感器節點在森林防火系統中承擔著重要作用，是整個系統中的感知部分，同時傳感器節點的生命周期也是整個系統生命周期的基本單位。因此，無線傳感器是森林防火系統的基礎。尤其是在森林環境下，其溼度、溫度等周邊條件較為惡劣，嚴重影響電子器件的生存時間。另一個重要問題是，無線傳感器節點使用的是紐扣電池有源電源，在野外環境下由於環境複雜，會導致電源能量衰減速度增加，會加速無線傳感器節點的死亡。因此，對無線傳感器在森林極端條件下的適應能力的研究是非常重要的。
[0011]通過無線傳感器節點構成無線傳感器網絡覆蓋以中心節點為監控區域中心為一級級體系，中心節點與中心節點間構成多跳傳輸網絡為二級體系，中心節點和遠程監控端構成三級體系的構架，採用採用模塊化結構的方法進行設計。其中一、二和三級體系結構之間通過特定的傳輸協議彼此關聯，實施並行研究與開發。
[0012]如圖1所示，一級體系結構以傳感器節點為基礎構成一個完整的傳感器網絡，每個傳感器節點有獨立的軟體和通用的通信協議，傳感器與傳感器節點之間具備多跳數據傳輸的能力，具備匯聚功能。而單個傳感節點與中心節點也具備傳輸功能，傳感器網絡的數據最終通過網絡中某單個節點與中心節點進行數據傳輸。圖1中節點A在中心節點信號覆蓋之外，因此節點A通過鄰接點B通過多跳方式將數據以A->B->C的方式傳輸給中心節點。而其他節點直接與中心節點相鄰，因此一跳即可完成與數據中心的數據傳輸。傳感器節點與傳感器節點以及傳感器節點與中心節點傳輸主要使用Zigbee協議。
[0013]傳感器網絡與中心節點通過定製的通信協議彼此通信，只要傳感器網絡節點能夠彼此通過一跳或多跳完成數據傳輸，且傳感器網絡節點中至少有一個在中心節點的覆蓋範圍內，則整個傳感器網絡節點只需要遵守與中心節點通信協議一致，並默認中心節點為數據匯聚中心即可。因此，在一級體系結構設計中，必須保證通信方式與協議與中心節點保持一致性，由中心節點構成的二級體系結構與一級體系結構就可以彼此分開，彼此獨立完成設計。
[0014]圖2中主要表明，中心節點構成的二級體系結構數據傳輸之間的關係。中心節點間數據傳輸使用WIFI作為通信的載體，使用Adhoc方式進行通信。中心節點類似於傳感器匯聚中心，也擔負著主幹多跳數據傳輸物理鏈路。其主要的任務就是將無線傳感器收集的信息經過加工處理後，以多跳的方式將所有數據匯聚到Inernet上，在遠程監控端進行最終的數據融合與處理。由中心節點構成的二級體系結構與遠程監控端的連結也是通過定製協議進行通信和連接的，因此，中心節點只要保證與遠程監控端採用統一標準的通信協議和保證在同一網段參數即可通信，二者可以彼此獨立進行開發。
[0015]綜上所述，無線傳感器網絡森林防火系統的開發可以將系統分解為三個大的模塊進行。
[0016]圖3描述了三個模塊間彼此聯繫的紐帶一通信協議。協議部分只需要設計兩個就可以，即協議I (傳感器節點與中心節點間)與協議2 (中心節點與遠程監控軟體)以及相應的傳輸數據格式。傳感器網絡部分(含傳感器節點)、中心節點與遠程監控端可以獨立設計。
[0017]根據設計思路的方案，無線傳感器網絡森林防火系統的整體方案所包含的三個模塊共同構成了森林防火系統，整體構架方案如圖3所示:
圖4中，表明了傳感器節點間以及傳感器與中心節點間的通信協議，即Zigbee通信協議；中心節點間與遠程監控軟體間採用Adhoc通信協議。因此，整個系統結構中，三個級別的體系結構和兩個通信協議構成了森林防火系統的主體。協議擔負系統中數據的流動，三個級別的體系結構分別對應數據源、數據傳輸和最終數據處理功能。由於傳感器節點極其構成的網絡系統處於森林環境，電源供給存在一定的困難，在設計上必須時刻以節能設計為核心，在合理分配數據流、處理數據、發送數據的過程中，儘量減少電能的消耗，使系統儘可能地延長有效時長。
[0018](I)無線傳感器節點設計
無線傳感器網絡中的節點一般採用電池供電，可以使用的電量非常有限，而對於有成千上萬節點的無線傳感器網絡來說，對電池的更換是非常困難，甚至是不可能的。但是無線傳感器網絡的生存時聞卻要求長達數月甚至數年。因此，如何在不影響功能的前提下，儘可能節約無線傳感器網絡的電池能量成為無線傳感器網絡軟硬體設計中的核心問題，也是當前國內外研究機構關注的焦點。
[0019]傳感器節點由處理器模塊、通信模塊、傳感器模塊和能量供應模塊4部分組成。其中，前3個模塊消耗能量，由於傳感器模塊消耗能量相對較低，目前研究的重點主要集中在處理器模塊和通信模塊上。處理器模塊節能策略通常有動態電壓調節(Dynamic VoltageScaling, DVS)和動態功率管理(Dynamic Power Management, DPM)。前者的工作原理是當計算負載較低時，通過降低微處理器的工作電壓和頻率，從而降低處理能力，可以節約微處理器的能耗；後者是利用當節點周圍沒有感興趣的事件發生時，部分模塊處於空閒狀態，把這些組件關掉或調到更低能耗的狀態，以延長節點壽命。通信模塊消耗能量是最多的，故為其制定有效的節能策略尤為重要，主要包括控制節點通信流量，合理安排工作休眠時間以及採用多跳通信方式等。無線傳感器部分主要包括:低功耗硬體研究和節能軟體設計兩個部分組成；而網絡節能優化主要包括流量分發、拓撲管理和計算和通信的折衷處理等三個組成部分。
[0020]I)單傳感器節點設計 ①低功耗硬體設計
ZigBee技術是一種近距離、低功耗、低數據速率、低複雜度的雙向無線通信技術，適用於無線傳感器網絡。
[0021]②節能軟體設計
節點能耗絕大部分消耗在無線通信部分，傳感節點使用無線方式傳輸I b到100 m遠所消耗的能量可供執行3 000條指令。可見，如何有效傳輸數據，合理安排工作休眠時間對於節約傳感節點能耗有著直接影響，這也是軟體設計應重點考慮的問題。
[0022]為了實現傳感節點的低功耗以及更優的測量性能，設計時採用工作模式的選擇，通過無線配置傳感節點的工作參數，使節點能夠按照實際需要控制採集的時機和速率，從而降低能耗，以延長節點壽命。節點工作分空閒模式、觸發模式、主動模式3種。其中，空閒模式下的節點大部分時間處於休眠狀態，只是周期性的喚醒檢查有無來自伺服器的控制命令，以更好地節約能耗；觸發模式下RF關閉，只有當傳感器測量值達到設定門限後才觸發RF進行無線數據收發，同時可以根據不同的門限選擇相應的採樣率，適用於如森林火災等突發情況的監測和預警；主動模式下傳感節點按配置的採樣率進行數據採集發送，周期性轉入休眠並自動喚醒。考慮到無線傳感器在一定程度上需要實時地傳輸數據，使用觸發模式無法提供實時的溫度和溼度數據，因此，在設計上採用周期休眠機制與主動模式相結合的方法，使傳感器節點工作時節能性能達到最優。另外，當採集的數據(溫度或溼度)沒有達到預設的閾值時，傳感器節點會根據上一次採集的數據進行簡單綜合性分析，如果變化不是非常明顯時，則不再發送數據，達到通過減少發送數據量的方法進一步節能。
[0023]另外，由於在森林環境下，自然火情發生有一定的規律性，一般是指某項參數在某段時間內呈線性或非線性遞增趨勢，直至災害的發生。此段數據是具備可計算特點，在程序中引入卡爾曼濾波方法，根據上一次接收的結果對下一次可能出現的參數變化，根據預測的下一次數據的值，確定傳感器節點當前採用的模式。決定該傳感器節點是否根據火情預測的結果加速傳輸數據，做到在災害未發生前提供充足的數據信息，為遠程端的值班人員或監測人員提供決策依據。總體而言，節能軟體的設計考慮節能的情況一般指當前火情參數屬於正常值範圍內的一種節能，但當火情參數發生異常波動趨於危險時，傳感器節點將採用主動模式，不惜電能的消耗，將當前獲得的參數發送至中心節點，以期待獲得較好實時性，給處理人員以充足的時間進行反應。
[0024]傳感器節點軟體初始化默認是主動模式，當檢測到當前數據沒有超過閾值或與前一次數據進行卡爾曼濾波後估測值出現危險趨勢時，傳感器節點將工作模式切換為周期休眠模式，以降低發送數據所帶來的成本。使用Zigbee協議傳輸數據時，根據鄰居節點會自動產生多跳。在傳感器節點軟體中使用的卡爾曼濾波方法基於如下方程:
X (k|k-l)=X(k-l|k-l)(I)
P(k|k-l)=P(k-1|k-l) +Q(2) X(k|k)= X (k I k-1)+Kg (k) (Z (k) -X (k I k-1))(3)
Kg (k)= P (k I k-1) / (P (k|k-l) + R)(4)
P(k|k)= (1-Kg(k))p(k|k-1)(5)
在上述公式中，設X(OlO)=I度，P(OlO)=IO0反覆疊代即可估算出下一時刻的溫度，通過估算值是否增幅操作危險溫度值判斷火災發生的可能性，因此可以增加數據發送的頻度。溼度也使用公式(I)?(5)預測下一個可能出現的值。這樣可以儘可能地保證系統的可靠性和安全性。
[0025]2)無線傳感器網絡優化設計
①流量分發
流量是與傳感器網絡生命周期密切相關的一個關鍵點，減少網絡中冗餘數據的傳遞，是節能的一種非常有效的手段。在單節點中，使用閾值判斷和卡爾曼濾波方法降低了無效包的發送機率。但在整個網絡中存在大量的傳感器節點，節點間的彼此請求及交互信息也會大大增加網絡流量，浪費大量寶貴的電池能量。對整個無線傳感器網絡而言，需要從全局上考慮如何將流量從數據源傳遞到目的地，這裡的重要問題是如何在源和目的地之間找到一條節能的多跳路由。節能路由是在普通的路由協議基礎上，考慮相關的能耗因素，引入新的與電源消耗有關的衡量指標，實現能耗的節約。最簡單的節能路由協議是最少能量路由，即尋找一條能耗最低的路由，通過它傳送數據。但這樣未必能延長網絡的生存時間，因為某些處於關鍵位置的節點可能被過度使用而導致電源過早耗盡。為避免這種情況，最大最小路由使得節點的剩餘電量儘可能多，即最大化節點的最小剩餘電量。最大最小路由更多的考慮了電池的剩餘電量，而最少能量路由考慮的是某次通信需要消耗的電量。
[0026]需要在Zigbee協議增加一個電池電量標記,在傳輸中如果發現當前節點電能低於傳輸過程中各個節點平均電能，則向上一個節點發送修改路由請求，建議上一個節點在下次傳輸時，不需要首先考慮當前節點作為傳輸數據的關鍵點。在實現上只需要在Zigbee協議中修改鄰居節點和路由記錄表傳輸過程中經過的每個節點的電量，當有建議修改請求時，只需要將該節點移動到該鍊表的尾節點即可。這樣在傳輸查詢時優先頭節點，間接地降低了電能低的傳感器節點傳輸。明顯地可以看出，整個表未採用排序的方法排列節點電量的高低，而是通過「頭刪除，尾插法」的方式，完成路由表的調整，儘可能地將流量分派到電能比較高的節點上。
[0027]②拓撲管理
節點密度都比較高，因為提高節點密度可以提高結果的精確度，但如果系統生存時間更重要的話，就可以對網絡拓撲進行管理，利用相對較少的節點進行跟蹤。這樣，除了減少計算複雜度之外，也降低了通信開銷，因為沒有參與跟蹤的節點不會發送數據。拓撲管理中最重要的策略是「鄰居節點發現策略」，由於森林環境下，節點布撒之後其位置一般不發生改變，因此，在Zigbee協議中不再頻繁地與周圍節點進行溝通，即不進行頻繁地廣播。若且唯若某條通訊鏈路失效時，則會引發新一輪對周圍鄰居節點的查詢，及時更新通訊的路由表。
[0028]③通信的折衷處理
縮減數據流長度也是有效的節能手段。在無線傳感器網絡中，由於節點的高密度，使得同一時間被多個微傳感節點同時感知並捕獲處理，導致了數據採集的冗餘性。在選定節點將一定區域內節點的數據進行匯聚或者融和，然後再將結果傳送出去，不但可以提高事件/數據監測的可靠性，也可有效降低通信流量，從而節約能耗。
[0029]3)傳感器節點發送的數據格式
在一級體系結構中，最基本的單元室單個無線傳感器節點，每個節點按照各自的軟體流程採集溫度和溼度信息，則需要按照一定的規則將數據發送至中心節點。該數據格式必須嚴格遵守特定的格式，供中心節點接收並使用。
[0030]表1傳感器節點發送的數據格式
【權利要求】
1.一種應用於森林防火中的無線傳感器系統，其包括:傳感器節點，中心節點以及遠程監控系統，其中傳感器節點間以及傳感器與中心節點間的通信協議，為Zigbee通信協議；中心節點間與遠程監控軟體間採用Adhoc通信協議，三個級別的體系結構和兩個通信協議構成了森林防火系統的主體，協議擔負系統中數據的流動，三個級別的體系結構分別對應數據源、數據傳輸和最終數據處理功能。
2.如權利要求1所述的無線傳感器系統，其中傳感器節點由處理器模塊、通信模塊、傳感器模塊和能量供應模塊4部分組成，其中，前3個模塊消耗能量，由於傳感器模塊消耗能量相對較低，處理器模塊節能策略通常有動態電壓調節(Dynamic Voltage Scaling, DVS)和動態功率管理(Dynamic Power Management, DPM),前者的工作原理是當計算負載較低時，通過降低微處理器的工作電壓和頻率，從而降低處理能力，可以節約微處理器的能耗；後者是利用當節點周圍沒有感興趣的事件發生時，部分模塊處於空閒狀態，把這些組件關掉或調到更低能耗的狀態，以延長節點壽命，通信模塊消耗能量是最多的，故為其制定有效的節能策略尤為重要，主要包括控制節點通信流量，合理安排工作休眠時間以及採用多跳通信方式，為了實現傳感節點的低功耗以及更優的測量性能，設計時採用工作模式的選擇，通過無線配置傳感節點的工作參數，使節點能夠按照實際需要控制採集的時機和速率，從而降低能耗，以延長節點壽命；節點工作分空閒模式、觸發模式、主動模式3種，其中，空閒模式下的節點大部分時間處於休眠狀態，只是周期性的喚醒檢查有無來自伺服器的控制命令，以更好地節約能耗；觸發模式下RF關閉，只有當傳感器測量值達到設定門限後才觸發RF進行無線數據收發，同時可以根據不同的門限選擇相應的採樣率，適用於如森林火災等突發情況的監測和預警；主動模式下傳感節點按配置的採樣率進行數據採集發送，周期性轉入休眠並自動喚醒，考慮到無線傳感器在一定程度上需要實時地傳輸數據，使用觸發模式無法提供實時的溫度和溼度數據，因此，在設計上採用周期休眠機制與主動模式相結合的方法，使傳感器節點工作時節能性能達到最優，另外，當採集的數據(溫度或溼度)沒有達到預設的閾值時，傳感器節點會根據上一次採集的數據進行簡單綜合性分析，如果變化不是非常明顯時，則不再發送數據，達到通過減少發送數據量的方法進一步節能；對於無線傳感器網絡的流量分發，需要在Zigbee協議增加一個電池電量標記，在傳輸中如果發現當前節點電能低於傳輸過程中各個節點平均電能，則向上一個節點發送修改路由請求，建議上一個節點在下次傳輸時，不需要首先考慮當前節點作為傳輸數據的關鍵點；在實現上只需要在Zigbee協議中修改鄰居節點和路由記錄表傳輸過程中經過的每個節點的電量，當有建議修改請求時，只需要將該節點移動到該鍊表的尾節點即可，這樣在傳輸查詢時優先頭節點，間接地降低了電能低的傳感器節點傳輸，明顯地可以看出，整個表未採用排序的方法排列節點電量的高低，而是通過「頭刪除，尾插法」的方式，完成路由表的調整，儘可能地將流量分派到電能比較高的節點上。
3.如權利要求1所述的無線傳感器系統，其中的遠程監控系統，該系統由傳感器探測節點、匯聚節點、資料庫伺服器、中心伺服器和Web伺服器組成，該系統是由大量具有溫度、溼度、光亮度和大氣壓力採集功能、無線通信與計算能力的微小傳感器探測節點構成的自組織分布網絡系統，每個探測節點具有數據採集與路由功能，探測節點把數據發送到匯聚節點，由匯聚節點負責融合、存儲數據，並把數據通過Internet傳送到資料庫伺服器，中心伺服器分析資料庫伺服器的數據，對森林火險進行監測預報並將所有信息置於WEB伺服器。
【文檔編號】H04W84/18GK103702444SQ201310716411
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月23日 優先權日:2013年12月23日
【發明者】袁東鋒, 齊立磊, 吳紹興, 賀晨陽, 王建強 申請人:南陽理工學院