無線傳感器網絡監測森林火災的節點布置方法
2023-07-20 03:19:56 1
無線傳感器網絡監測森林火災的節點布置方法
【專利摘要】本發明提出了一種森林火災監測的無線傳感器網絡節點布置方法，其步驟如下：（1）沿森林中的傳輸電線部署匯聚節點；（2）垂直傳輸電線方向，以布置好的匯聚節點為基準，根據節點探測半徑部署探測節點；（3）在探測節點之間以及匯聚節點與探測節點之間部署用於輔助通信的精簡節點；（4）在部分節點處補充精簡節點。本發明能夠滿足現代森林火災監測的應用需求，為森林火災監測提供一種無線傳感器網絡節點布置的方法，有利於推動無線傳感器網絡在森林火災預警中的地位和作用，突破了傳統的節點布置思路，延長了整個網絡的壽命，提高了網絡的可靠性。
【專利說明】無線傳感器網絡監測森林火災的節點布置方法
【技術領域】
[0001] 本發明公開了一種森林火災監測的無線傳感器網絡節點部署方法，屬於無線傳感 器網絡和電子監控領域。
【背景技術】
[0002] 森林火災是世界林業的重要災害之一，每年都有一定數量發生，造成森林資源的 重大損失和嚴重的環境汙染。森林火災具有突發性、隨機性，且在短時間內能造成巨大損 失。因此一旦有火情發生，就必須以極快的速度採取撲救措施，撲救是否及時，決策是否得 當，一個重要方面在於對林火行為的發現是否及時，定位是否準確，火情分析是否合理、準 確。為此，國內外都在如何預防、減少和控制森林火災方面做大量工作。通過實現森林防火 工作的科學化、信息化、規範化，真正做到森林火災早發現，早解決。
[0003] 林區面積廣、海拔高、環境複雜、布線困難，普通的監控系統難以部署和實現，一般 都是在山頂建設一個人工瞭望塔，工作人員上山困難，一到晚上天氣冷，視距短且模糊，給 林業管理帶來很多困難。通過部署在森林中的無線傳感網絡來監測森林火災是近年來興起 的技術。
[0004] 無線傳感器網絡一般由匯聚節點和普通節點組成，普通節點又可分為探測節點和 精簡節點。探測節點具有探測火焰、測量溫度、溼度、大氣壓等功能；精簡節點一般不具備探 測能力，類似於網絡中的路由器，負責數據傳輸和輔助節點之間的通信。
[0005] 無線傳感器網絡森林火災監測的工作流程概括如下：探測節點將探測到的溫度、 溼度、氣壓、是否有火焰以及自身位置等信息，在精簡節點的幫助下傳輸到匯聚節點；匯聚 節點匯總所有的信息，簡單地進行信息處理和判斷，藉助手機移動通信網絡傳輸到監控中 心或者網際網路。監控中心收到信息，了解林區的各種信息。一旦出現火情，可以立刻發現並 迅速高效的組織力量滅火。
[0006] 但是無線傳感器網絡在森林火災監測的使用過程中，首先需要解決節點的布置問 題--確定節點的數量、安排節點的位置及其組網情況等等。雖然關於無線傳感網絡節點 布置的方法有很多，但是由於森林防火的特點，在具體的應用中仍面臨很多困難。（1)林區 地形特殊、面積廣、海拔高，人工布置節點十分費時、費力，如何在不影響監測效果的情況下 保持節點數量最少，將有效降低節點部署的難度。（2)如何確保節點布置的位置合理，既能 最大限度覆蓋林區，又能做到不漏報不錯報。（3)無線傳感器網絡的節點能量有限，網絡周 期壽命有限，重新更換節點電源或傳感網絡節點將耗費巨大的人力、物力。雖然目前出現了 利用太陽能、風力等綠色供電形式，但還不夠穩定、可靠，特別是在森林這種難以處理的環 境下，極易出現故障，限定了其使用範圍。即使森林中存在具備長期、穩定供電的地點（如 移動運營商的基站、架空線輸電線路），其地理分布上也存在較大的隨機性。合理的節點布 置方式也是延長網絡生存周期的一個關鍵問題。
【發明內容】
[0007] 為了解決森林火災監測無線傳感器網絡節點布置存在的上述技術問題，本發明提 供一種森林火災監測無線傳感器網絡的節點部署方法，充分利用分布在林區的具備長期、 穩定的供電地點，用組合鏈式結構代替傳統的網格結構，從而降低了節點數量，降低成本， 且提高了節點的布置效率，延長網絡生存周期。
[0008] 本發明解決上述技術問題的技術方案包括以下步驟：
[0009] 第一步：找出森林中的通信運營商基站架設的線路或者電網架空線，選取一根橫 跨森林長度最長的直線Di，從直線與森林邊界的一個交點處開始布置第一個匯聚節點，並 以此匯聚節點為起點，在此直線上以相等的間隔d等間距的布置其它匯聚節點，直到匯聚 節點距離森林邊界的距離小於間距值d或者落在森林邊界上，rf=萬r。為探測傳感器的 探測半徑；在直線Di上，當直線最外側的匯聚節點距離森林邊界的最大垂直距離大於d/2 時，在邊界外直線Di上補充一個匯聚節點，並以此匯聚節點為最外側匯聚節點，繼續上述判 斷，直到滿足條件為止，此時直線Di上有n個匯聚節點；
[0010] 第二步：以所有匯聚節點所在位置為起點，向垂直於直線〇1的方向的兩端延伸，此 時有n條平行線垂直於直線Di,形成直線集P;在直線集P中的直線上，在距匯聚節點d/2處 開始布置第一個探測節點，其後以相等的間隔d在直線上布置探測節點，直至探測節點落 在森林的邊界上或者距離森林的邊界小於d;
[0011] 垂直於直線Di的n條平行線中，在其中相鄰的兩條平行線da和da+1上 (1彡a彡n-1)，確定一條由da上的探測節點和da+1上的探測節點相連的線段c，該線段c垂 直於da且距離直線Di最遠；根據森林邊界和線段c如下的幾種位置情況，補充邊界探測節 佔.
[0012] 以直線da、直線da+1和線段c為正方形的邊向森林外側虛擬出一個正方形Bib1Ivi2 ; 其中是直線da和線段c的交點A1是直線da+1和線段c的交點，b2是直線da+1和線段b2a2 的交點，a2是直線da和線段b2a2的交點；a2和b2是虛擬出的點或直線da和直線da+1上的 探測節點；並將該正方形分成四個全等的小正方形區域tal,tbl,tb2,ta2,其中apId1,b2,a2為 tai，tM,。U與正方形aIb1I^a2的公共頂點；
[0013] (1)當直線da和直線da+1之間的森林區域不超過tal和tbl的區域時，不需要補充 探測節點；
[0014] (2)當直線da和直線da+1之間的森林區域超過tal和tbl且只在tb2或者ta2的區域 內，則在b2或者a2處補充探測節點；
[0015] (3)當直線da和直線da+1之間的森林區域經過了tal，tbl，tb2和ta2的區域且不超過 線段b2a2時，則在b2和a2處補充探測節點；
[0016] (4)當直線da和直線da+1之間的森林區域超過線段b2a2時，除需在b2和a2處補充 探測節點外，以線段b2a2為新的線段c，重複上述步驟直到不需要再補充探測節點為止； [0017] 第三步：在直線集p中的直線上，相鄰的探測節點之間以及匯聚節點和探測節點 之間，等間隔地布置用於數據傳輸和輔助節點之間的通信的精簡節點，所述精簡節點的數 量為N,間距值為dt ;
[0018] 其中，N= ，^ = (1。/11+1，[}為向下取整，(1。為探測節點之間或者匯聚節點 和探測節點之間的距離，rd為通信半徑；
[0019] 第四步：在直線集P中的每條直線上，將匯聚節點到直線的一個端點處的探測節 點這段直線區域標記為L;將直線區域L劃分為k個直線段，按照與匯聚節點的距離由遠及 近的依次標記為L1,L2,......，Lk,其中k= ，L1 =L2 = . . ? =Lk =L/k;在L2段內的 每個節點的位置，增補1個精簡節點；在L3段內的每個節點的位置，增補2個精簡節點；依 此方式類推；在Lk段內的每個節點的位置，增補k-1個精簡節點。
[0020] 本發明與現有技術相比優點在於：
[0021] 1、本發明充分利用林區的供電分布線路，保證匯聚節點的供電，且在某一個匯聚 節點出現故障以後該線路上的探測節點可以藉助相鄰的匯聚節點的線路將探測信息傳遞 出去，不會導致林區的監測出現盲區，具有良好的魯棒性。
[0022] 2、用多條鏈式結構取代傳統的平面網格結構來監測整個林區，大量減少了無線傳 感器節點，效率更高。
[0023] 3、探測節點具有非常遠的探測半徑（一般為通信半徑的3到4倍），採取用少量探 測節點結合大量低成本的精簡節點部署方式，達到降低總成本目的。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024] 圖1是本發明的流程圖。
[0025] 圖2是本發明中匯聚節點的結構圖。
[0026] 圖3是本發明中探測節點的結構圖。
[0027] 圖4是本發明中精簡節點的結構圖。
[0028] 圖5是本發明中實施例的森林平面圖。
[0029] 圖6是本發明中布置匯聚節點的示意圖。
[0030] 圖7是本發明中布置探測節點的示意圖。
[0031] 圖8是本發明中布置精簡節點的示意圖。
[0032] 圖9是本發明中補充精簡節點的示意圖。
【具體實施方式】
[0033] 下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
[0034] 參見圖2,本發明使用的匯聚節點由核心處理器模塊、Zigbee模塊、GPRS模塊、SD 卡模塊組成。其中，處理器模塊採用的是一款嵌入式PXA270處理器，並且移植Iinux操作 系統。GPRS模塊主要負責向遠程控制中心和網際網路發送數據，以及根據遠程監控中心的指 令查詢相關區域的數據。Zigbee模塊負責接收來自探測節點和精簡節點的數據。SD卡模 塊用來存儲部分重要數據，以供分析調查使用。
[0035] 參見圖3,本發明使用的探測節點由核心處理器模塊、Zigbee無線模塊、傳感器模 塊和電源模塊組成。其中的核心處理器模塊採用的是CC2530模塊，其支持Zigbee協議，並 且功耗低，抗幹擾能力強，穩定性好，還具備定位功能。傳感器模塊採用的是紫外火焰探測 傳感器，其根據紫外線的頻段判斷火焰是否存在。電源模塊主要採用電池供電。該探測節 點的探測半徑可以高達lkm，通信半徑最遠可達300m。
[0036] 參見圖4,本發明使用的精簡節點由核心處理器模塊，Zigbee無線模塊，電源模塊 組成。其核心處理器模塊仍採用CC2530,電源模塊主要採用電池供電。該精簡節點的通信 半徑最遠可達300m。
[0037] 如圖5所示，這是一片邊界不規則的森林，面積大約為62平方千米。其中有一根 電網架空線穿過其中。
[0038] 步驟一：如圖6所示，在電網架空線的沿線的下方，從左端的架空線沿線與森 林邊界的交界處開始布置第一個匯聚節點，然後等間隔的布置其餘匯聚節點，間隔為 rf=VI/;=1414W (本發明中使用的探測節點的探測半徑為lkm)，一共布置了 8個匯聚節 點。
[0039] 步驟二：如圖7所示，在垂直於箭頭所指的直線上，以匯聚節點為起點，從兩側以 d/2 = 707m的距離布置第一個探測節點，其後等間隔布置探測節點，間隔為d= 1414m。在 圖中的特殊區域1中，兩平行線之間的森林區域沒有超出tal和tbl的範圍，因此不需要補充 探測節點。在圖中的特殊區域2中，因為森林邊界經過了ta2區域，因此需在a2處補充探測 節點。在圖中的特殊區域3中，兩平行線之間的森林區域已經經過了ta2區域，需在a2處補 充探測節點；又因為兩平行線之間的森林區域超出了線段b2a2，因此再以虛線1為線段c，並 且構造新的虛擬正方形，進一步判斷森林區域沒有經過新的虛擬正方形中的tb2或ta2區域， 因此不需要補充探測節點。在該森林中的其餘需補充的探測節點在此不一一贅述。在該森 林區域中，一共布置了 38個探測節點，其中有5個補充的邊界外探測節點（圖中以黑色五 角星標出）。
[0040] 步驟三：如圖8所示，在探測節點之間以及匯聚節點和探測節點之間 等間隔的布置精簡節點。探測節點之間的距離為W= =1414m.根據公式
【權利要求】
1. 一種無線傳感器網絡監測森林火災的節點部署方法，包括以下步驟： 第一步：找出森林中的通信運營商基站架設的線路或者電網架空線，選取一根橫跨森 林長度最長的直線Di,從直線與森林邊界的一個交點處開始布置第一個匯聚節點，並以此 匯聚節點為起點，在此直線上以相等的間隔d等間距的布置其它匯聚節點，直到匯聚節點 距離森林邊界的距離小於間距值d或者落在森林邊界上，r。為探測傳感器的探測 半徑；在直線Di上，當直線最外側的匯聚節點距離森林邊界的最大垂直距離大於d/2時，在 邊界外直線Di上補充一個匯聚節點，並以此匯聚節點為最外側匯聚節點，繼續上述判斷，直 到滿足條件為止，此時直線Di上有η個匯聚節點； 第二步：以所有匯聚節點所在位置為起點，向垂直於直線Di的方向的兩端延伸，此時有η條平行線垂直於直線Di,形成直線集ρ;在直線集ρ中的直線上，在距匯聚節點d/2處開始 布置第一個探測節點，其後以相等的間隔d在直線上布置探測節點，直至探測節點落在森 林的邊界上或者距離森林的邊界小於d; 垂直於直線Di的η條平行線中，在其中相鄰的兩條平行線da和da+1上（1彡a彡n-1)， 確定一條由da上的探測節點和da+1上的探測節點相連的線段c，該線段c垂直於da且距離 直線Di最遠；根據森林邊界和線段c如下的幾種位置情況，補充邊界探測節點： 以直線da、直線da+1和線段c為正方形的邊向森林外側虛擬出一個正方形B1I^b2a2 ;其 中S1是直線da和線段c的交點，Id1是直線da+1和線段c的交點，b2是直線da+1和線段b2a2 的交點，a2是直線da和線段b2a2的交點；a2和b2是虛擬出的點或直線da和直線da+1上的 探測節點；並將該正方形分成四個全等的小正方形區域tal,tbl,tb2,ta2,其中apId1,b2,a2為 tai，tbi，。U與正方形aIb1I^a2的公共頂點； (1) 當直線da和直線da+1之間的森林區域不超過tal和tbl的區域時，不需要補充探測 節點； (2) 當直線da和直線da+1之間的森林區域超過tal和tbl且只在tb2或者ta2的區域內， 則在b2或者a2處補充探測節點； (3) 當直線da和直線da+1之間的森林區域經過了tal，tbl，tb2和ta2的區域且不超過線段 b2a2時，則在b2和a2處補充探測節點； (4) 當直線da和直線da+1之間的森林區域超過線段b2a2時，除需在b2和a2處補充探測 節點外，以線段b2a2為新的線段c，重複上述步驟直到不需要再補充探測節點為止； 第三步：在直線集P中的直線上，相鄰的探測節點之間以及匯聚節點和探測節點之間， 等間隔地布置用於數據傳輸和輔助節點之間的通信的精簡節點，所述精簡節點的數量為N， 間距值為dt ; 其中，I，dt = 4/η+1，L」為向下取整，d。為探測節點之間或者匯聚節點和探 測節點之間的距離，rd為通信半徑； 第四步：在直線集P中的每條直線上，將匯聚節點到直線的一個端點處的探測節點這 段直線區域標記為L;將直線區域L劃分為k個直線段，按照與匯聚節點的距離由遠及近的 依次標記為L1,L2,......，Lk,其中k= ，L1 =L2 = · · · =Lk =L/k;在L2段內的每個 節點的位置，增補1個精簡節點；在L3段內的每個節點的位置，增補2個精簡節點；依此方 式類推；在Lk段內的每個節點的位置，增補k-Ι個精簡節點。
【文檔編號】G08B17/00GK104318697SQ201410548822
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月16日 優先權日:2014年10月16日
【發明者】裴廷睿, 陳星傑, 朱江, 田淑娟, 曹江蓮 申請人:湘潭大學