一種應(yīng)用于森林防火中的無(wú)線傳感器系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于森林防火中的無(wú)線傳感器系統(tǒng)，其包括：傳感器節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，其中傳感器節(jié)點(diǎn)間以及傳感器與中心節(jié)點(diǎn)間的通信協(xié)議，為Zigbee通信協(xié)議；中心節(jié)點(diǎn)間與遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件間采用Adhoc通信協(xié)議，三個(gè)級(jí)別的體系結(jié)構(gòu)和兩個(gè)通信協(xié)議構(gòu)成了森林防火系統(tǒng)的主體，協(xié)議擔(dān)負(fù)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的流動(dòng)，三個(gè)級(jí)別的體系結(jié)構(gòu)分別對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)傳輸和最終數(shù)據(jù)處理功能。本發(fā)明的森林防火系統(tǒng)在節(jié)能、構(gòu)架、軟硬件設(shè)計(jì)、環(huán)保、成本以及拓展性方面都具有一定的創(chuàng)新性。
【專利說(shuō)明】一種應(yīng)用于森林防火中的無(wú)線傳感器系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)及通信【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及應(yīng)用于森林防火中的無(wú)線傳感器系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]森林火災(zāi)是一種突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、處置和救助較為困難的自然災(zāi)害。其危害非常嚴(yán)重，不僅毀壞林木，造成大量動(dòng)植物死亡，還會(huì)改變森林氣候，破壞大自然的生態(tài)平衡，造成經(jīng)濟(jì)上的巨大損失和生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞。
[0003]森林火情監(jiān)測(cè)，是森林防火工作的重要內(nèi)容，同時(shí)也是控制和撲滅森林火災(zāi)的重要基礎(chǔ)。目前，常規(guī)的林火監(jiān)測(cè)主要依靠地面人員巡護(hù)、嘹望臺(tái)定點(diǎn)觀測(cè)、航空巡邏等措施。然而，僅依靠巡護(hù)員徒步監(jiān)測(cè)火情遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，嘹望臺(tái)造價(jià)較高，飛機(jī)觀測(cè)耗資大，且受到諸多限制，因此常規(guī)的監(jiān)測(cè)措施無(wú)法有效偵測(cè)火情。為了減少森林火災(zāi)造成的各類損失，世界各國(guó)都非常重視森林防火研究。
[0004]隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高科技不斷被應(yīng)用到林火監(jiān)測(cè)中，森林防火工作日益走向高科技、智能化、系統(tǒng)化、綜合化。環(huán)境監(jiān)測(cè)是一類典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)控手段相比，使用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)控有三個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì):一是傳感器節(jié)點(diǎn)的體積很小且整個(gè)網(wǎng)絡(luò)只需要部署一次，因此部署傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)監(jiān)控環(huán)境的人為影響很小。這一點(diǎn)在對(duì)外來(lái)生物活動(dòng)非常敏感的環(huán)境中尤其重要。二是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量大，分布密度高，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以檢測(cè)到局部環(huán)境的詳細(xì)信息并匯總到基站，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)具有數(shù)據(jù)采集量大，精度高的特點(diǎn)。三是無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)本身具有一定的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力，可以根據(jù)物理環(huán)境的變化進(jìn)行較為復(fù)雜的監(jiān)控，傳感器節(jié)點(diǎn)還具有無(wú)線通信能力，可以在節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行協(xié)同監(jiān)控。通過(guò)增大電池容量和提高電池使用效率，以及采用低功耗的無(wú)線通信模塊和無(wú)線同協(xié)議可以使傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命期延長(zhǎng)很長(zhǎng)時(shí)間，這保證了傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)用性。節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力和無(wú)線通信能力使得傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠重新編程和重新部署，對(duì)環(huán)境變化、傳感器網(wǎng)絡(luò)自身變化以及網(wǎng)絡(luò)控制指令做出及時(shí)反應(yīng)，因而傳感器網(wǎng)絡(luò)適用于多種環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本申請(qǐng)涉及一種應(yīng)用于森林防火中的無(wú)線傳感器系統(tǒng)，其包括:傳感器節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，其中傳感器節(jié)點(diǎn)間以及傳感器與中心節(jié)點(diǎn)間的通信協(xié)議，為Zigbee通信協(xié)議；中心節(jié)點(diǎn)間與遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件間采用Adhoc通信協(xié)議，三個(gè)級(jí)別的體系結(jié)構(gòu)和兩個(gè)通信協(xié)議構(gòu)成了森林防火系統(tǒng)的主體，協(xié)議擔(dān)負(fù)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的流動(dòng)，三個(gè)級(jí)別的體系結(jié)構(gòu)分別對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)傳輸和最終數(shù)據(jù)處理功能。
[0006]通過(guò)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)通信方法、中心節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)多跳數(shù)據(jù)傳輸方法以及中心節(jié)點(diǎn)自身的軟件設(shè)計(jì)三個(gè)部分，設(shè)計(jì)了一個(gè)傳感器節(jié)能以及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)整體節(jié)能工作的方案。極大地延長(zhǎng)了森林防火系統(tǒng)的生存周期，并且緊緊圍繞防火預(yù)警為核心。設(shè)計(jì)并構(gòu)建了最為基礎(chǔ)的森林防火的一級(jí)體系結(jié)構(gòu)，夯實(shí)了整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)。尤其在單個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中，使用了比較簡(jiǎn)明的應(yīng)用設(shè)計(jì)構(gòu)架，通過(guò)修改Zigbee協(xié)議隱藏諸多細(xì)節(jié)，使其在流量分發(fā)、拓?fù)涔芾砗屯ㄐ诺恼壑蕴幚碜兊猛该?，有利于保障整個(gè)的軟件開(kāi)發(fā)的速度和質(zhì)量。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0007]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0008]圖1為一級(jí)體系結(jié)構(gòu)與二級(jí)體系結(jié)構(gòu)的關(guān)系圖；
圖2為中心節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的二級(jí)體系結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為三個(gè)級(jí)別體系結(jié)構(gòu)分工示意圖；
圖4為無(wú)線傳感器森林防火系統(tǒng)；
圖5為中心節(jié)點(diǎn)的構(gòu)架結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0009]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清除、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范疇。
[0010]無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)在森林防火系統(tǒng)中承擔(dān)著重要作用，是整個(gè)系統(tǒng)中的感知部分，同時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)的生命周期也是整個(gè)系統(tǒng)生命周期的基本單位。因此，無(wú)線傳感器是森林防火系統(tǒng)的基礎(chǔ)。尤其是在森林環(huán)境下，其濕度、溫度等周邊條件較為惡劣，嚴(yán)重影響電子器件的生存時(shí)間。另一個(gè)重要問(wèn)題是，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)使用的是紐扣電池有源電源，在野外環(huán)境下由于環(huán)境復(fù)雜，會(huì)導(dǎo)致電源能量衰減速度增加，會(huì)加速無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的死亡。因此，對(duì)無(wú)線傳感器在森林極端條件下的適應(yīng)能力的研究是非常重要的。
[0011]通過(guò)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋以中心節(jié)點(diǎn)為監(jiān)控區(qū)域中心為一級(jí)級(jí)體系，中心節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)間構(gòu)成多跳傳輸網(wǎng)絡(luò)為二級(jí)體系，中心節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程監(jiān)控端構(gòu)成三級(jí)體系的構(gòu)架，采用采用模塊化結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中一、二和三級(jí)體系結(jié)構(gòu)之間通過(guò)特定的傳輸協(xié)議彼此關(guān)聯(lián)，實(shí)施并行研究與開(kāi)發(fā)。
[0012]如圖1所示，一級(jí)體系結(jié)構(gòu)以傳感器節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)構(gòu)成一個(gè)完整的傳感器網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)有獨(dú)立的軟件和通用的通信協(xié)議，傳感器與傳感器節(jié)點(diǎn)之間具備多跳數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?，具備匯聚功能。而單個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)也具備傳輸功能，傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)最終通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中某單個(gè)節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。圖1中節(jié)點(diǎn)A在中心節(jié)點(diǎn)信號(hào)覆蓋之外，因此節(jié)點(diǎn)A通過(guò)鄰接點(diǎn)B通過(guò)多跳方式將數(shù)據(jù)以A->B->C的方式傳輸給中心節(jié)點(diǎn)。而其他節(jié)點(diǎn)直接與中心節(jié)點(diǎn)相鄰，因此一跳即可完成與數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)傳輸。傳感器節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)以及傳感器節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)傳輸主要使用Zigbee協(xié)議。
[0013]傳感器網(wǎng)絡(luò)與中心節(jié)點(diǎn)通過(guò)定制的通信協(xié)議彼此通信，只要傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠彼此通過(guò)一跳或多跳完成數(shù)據(jù)傳輸，且傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中至少有一個(gè)在中心節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍內(nèi)，則整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)只需要遵守與中心節(jié)點(diǎn)通信協(xié)議一致，并默認(rèn)中心節(jié)點(diǎn)為數(shù)據(jù)匯聚中心即可。因此，在一級(jí)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，必須保證通信方式與協(xié)議與中心節(jié)點(diǎn)保持一致性，由中心節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的二級(jí)體系結(jié)構(gòu)與一級(jí)體系結(jié)構(gòu)就可以彼此分開(kāi)，彼此獨(dú)立完成設(shè)計(jì)。
[0014]圖2中主要表明，中心節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的二級(jí)體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸之間的關(guān)系。中心節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸使用WIFI作為通信的載體，使用Adhoc方式進(jìn)行通信。中心節(jié)點(diǎn)類似于傳感器匯聚中心，也擔(dān)負(fù)著主干多跳數(shù)據(jù)傳輸物理鏈路。其主要的任務(wù)就是將無(wú)線傳感器收集的信息經(jīng)過(guò)加工處理后，以多跳的方式將所有數(shù)據(jù)匯聚到Inernet上，在遠(yuǎn)程監(jiān)控端進(jìn)行最終的數(shù)據(jù)融合與處理。由中心節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的二級(jí)體系結(jié)構(gòu)與遠(yuǎn)程監(jiān)控端的鏈接也是通過(guò)定制協(xié)議進(jìn)行通信和連接的，因此，中心節(jié)點(diǎn)只要保證與遠(yuǎn)程監(jiān)控端采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議和保證在同一網(wǎng)段參數(shù)即可通信，二者可以彼此獨(dú)立進(jìn)行開(kāi)發(fā)。
[0015]綜上所述，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)森林防火系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)可以將系統(tǒng)分解為三個(gè)大的模塊進(jìn)行。
[0016]圖3描述了三個(gè)模塊間彼此聯(lián)系的紐帶一通信協(xié)議。協(xié)議部分只需要設(shè)計(jì)兩個(gè)就可以，即協(xié)議I (傳感器節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)間)與協(xié)議2 (中心節(jié)點(diǎn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件)以及相應(yīng)的傳輸數(shù)據(jù)格式。傳感器網(wǎng)絡(luò)部分(含傳感器節(jié)點(diǎn))、中心節(jié)點(diǎn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控端可以獨(dú)立設(shè)計(jì)。
[0017]根據(jù)設(shè)計(jì)思路的方案，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)森林防火系統(tǒng)的整體方案所包含的三個(gè)模塊共同構(gòu)成了森林防火系統(tǒng)，整體構(gòu)架方案如圖3所示:
圖4中，表明了傳感器節(jié)點(diǎn)間以及傳感器與中心節(jié)點(diǎn)間的通信協(xié)議，即Zigbee通信協(xié)議；中心節(jié)點(diǎn)間與遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件間采用Adhoc通信協(xié)議。因此，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，三個(gè)級(jí)別的體系結(jié)構(gòu)和兩個(gè)通信協(xié)議構(gòu)成了森林防火系統(tǒng)的主體。協(xié)議擔(dān)負(fù)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的流動(dòng)，三個(gè)級(jí)別的體系結(jié)構(gòu)分別對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)傳輸和最終數(shù)據(jù)處理功能。由于傳感器節(jié)點(diǎn)極其構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)處于森林環(huán)境，電源供給存在一定的困難，在設(shè)計(jì)上必須時(shí)刻以節(jié)能設(shè)計(jì)為核心，在合理分配數(shù)據(jù)流、處理數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程中，盡量減少電能的消耗，使系統(tǒng)盡可能地延長(zhǎng)有效時(shí)長(zhǎng)。
[0018](I)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，可以使用的電量非常有限，而對(duì)于有成千上萬(wàn)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，對(duì)電池的更換是非常困難，甚至是不可能的。但是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)聞卻要求長(zhǎng)達(dá)數(shù)月甚至數(shù)年。因此，如何在不影響功能的前提下，盡可能節(jié)約無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電池能量成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件設(shè)計(jì)中的核心問(wèn)題，也是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)關(guān)注的焦點(diǎn)。
[0019]傳感器節(jié)點(diǎn)由處理器模塊、通信模塊、傳感器模塊和能量供應(yīng)模塊4部分組成。其中，前3個(gè)模塊消耗能量，由于傳感器模塊消耗能量相對(duì)較低，目前研究的重點(diǎn)主要集中在處理器模塊和通信模塊上。處理器模塊節(jié)能策略通常有動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)(Dynamic VoltageScaling, DVS)和動(dòng)態(tài)功率管理(Dynamic Power Management, DPM)。前者的工作原理是當(dāng)計(jì)算負(fù)載較低時(shí)，通過(guò)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(jié)約微處理器的能耗；后者是利用當(dāng)節(jié)點(diǎn)周圍沒(méi)有感興趣的事件發(fā)生時(shí)，部分模塊處于空閑狀態(tài)，把這些組件關(guān)掉或調(diào)到更低能耗的狀態(tài)，以延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命。通信模塊消耗能量是最多的，故為其制定有效的節(jié)能策略尤為重要，主要包括控制節(jié)點(diǎn)通信流量，合理安排工作休眠時(shí)間以及采用多跳通信方式等。無(wú)線傳感器部分主要包括:低功耗硬件研究和節(jié)能軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分組成；而網(wǎng)絡(luò)節(jié)能優(yōu)化主要包括流量分發(fā)、拓?fù)涔芾砗陀?jì)算和通信的折衷處理等三個(gè)組成部分。
[0020]I)單傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) ①低功耗硬件設(shè)計(jì)
ZigBee技術(shù)是一種近距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低復(fù)雜度的雙向無(wú)線通信技術(shù)，適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
[0021]②節(jié)能軟件設(shè)計(jì)
節(jié)點(diǎn)能耗絕大部分消耗在無(wú)線通信部分，傳感節(jié)點(diǎn)使用無(wú)線方式傳輸I b到100 m遠(yuǎn)所消耗的能量可供執(zhí)行3 000條指令?？梢?jiàn)，如何有效傳輸數(shù)據(jù)，合理安排工作休眠時(shí)間對(duì)于節(jié)約傳感節(jié)點(diǎn)能耗有著直接影響，這也是軟件設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。
[0022]為了實(shí)現(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)的低功耗以及更優(yōu)的測(cè)量性能，設(shè)計(jì)時(shí)采用工作模式的選擇，通過(guò)無(wú)線配置傳感節(jié)點(diǎn)的工作參數(shù)，使節(jié)點(diǎn)能夠按照實(shí)際需要控制采集的時(shí)機(jī)和速率，從而降低能耗，以延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命。節(jié)點(diǎn)工作分空閑模式、觸發(fā)模式、主動(dòng)模式3種。其中，空閑模式下的節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，只是周期性的喚醒檢查有無(wú)來(lái)自服務(wù)器的控制命令，以更好地節(jié)約能耗；觸發(fā)模式下RF關(guān)閉，只有當(dāng)傳感器測(cè)量值達(dá)到設(shè)定門限后才觸發(fā)RF進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)，同時(shí)可以根據(jù)不同的門限選擇相應(yīng)的采樣率，適用于如森林火災(zāi)等突發(fā)情況的監(jiān)測(cè)和預(yù)警；主動(dòng)模式下傳感節(jié)點(diǎn)按配置的采樣率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集發(fā)送，周期性轉(zhuǎn)入休眠并自動(dòng)喚醒?？紤]到無(wú)線傳感器在一定程度上需要實(shí)時(shí)地傳輸數(shù)據(jù)，使用觸發(fā)模式無(wú)法提供實(shí)時(shí)的溫度和濕度數(shù)據(jù)，因此，在設(shè)計(jì)上采用周期休眠機(jī)制與主動(dòng)模式相結(jié)合的方法，使傳感器節(jié)點(diǎn)工作時(shí)節(jié)能性能達(dá)到最優(yōu)。另外，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)(溫度或濕度)沒(méi)有達(dá)到預(yù)設(shè)的閾值時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)上一次采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單綜合性分析，如果變化不是非常明顯時(shí)，則不再發(fā)送數(shù)據(jù)，達(dá)到通過(guò)減少發(fā)送數(shù)據(jù)量的方法進(jìn)一步節(jié)能。
[0023]另外，由于在森林環(huán)境下，自然火情發(fā)生有一定的規(guī)律性，一般是指某項(xiàng)參數(shù)在某段時(shí)間內(nèi)呈線性或非線性遞增趨勢(shì)，直至災(zāi)害的發(fā)生。此段數(shù)據(jù)是具備可計(jì)算特點(diǎn)，在程序中引入卡爾曼濾波方法，根據(jù)上一次接收的結(jié)果對(duì)下一次可能出現(xiàn)的參數(shù)變化，根據(jù)預(yù)測(cè)的下一次數(shù)據(jù)的值，確定傳感器節(jié)點(diǎn)當(dāng)前采用的模式。決定該傳感器節(jié)點(diǎn)是否根據(jù)火情預(yù)測(cè)的結(jié)果加速傳輸數(shù)據(jù)，做到在災(zāi)害未發(fā)生前提供充足的數(shù)據(jù)信息，為遠(yuǎn)程端的值班人員或監(jiān)測(cè)人員提供決策依據(jù)?？傮w而言，節(jié)能軟件的設(shè)計(jì)考慮節(jié)能的情況一般指當(dāng)前火情參數(shù)屬于正常值范圍內(nèi)的一種節(jié)能，但當(dāng)火情參數(shù)發(fā)生異常波動(dòng)趨于危險(xiǎn)時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)將采用主動(dòng)模式，不惜電能的消耗，將當(dāng)前獲得的參數(shù)發(fā)送至中心節(jié)點(diǎn)，以期待獲得較好實(shí)時(shí)性，給處理人員以充足的時(shí)間進(jìn)行反應(yīng)。
[0024]傳感器節(jié)點(diǎn)軟件初始化默認(rèn)是主動(dòng)模式，當(dāng)檢測(cè)到當(dāng)前數(shù)據(jù)沒(méi)有超過(guò)閾值或與前一次數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波后估測(cè)值出現(xiàn)危險(xiǎn)趨勢(shì)時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)將工作模式切換為周期休眠模式，以降低發(fā)送數(shù)據(jù)所帶來(lái)的成本。使用Zigbee協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生多跳。在傳感器節(jié)點(diǎn)軟件中使用的卡爾曼濾波方法基于如下方程:
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(shè)X(OlO)=I度，P(OlO)=IO0反復(fù)疊代即可估算出下一時(shí)刻的溫度，通過(guò)估算值是否增幅操作危險(xiǎn)溫度值判斷火災(zāi)發(fā)生的可能性，因此可以增加數(shù)據(jù)發(fā)送的頻度。濕度也使用公式(I)?(5)預(yù)測(cè)下一個(gè)可能出現(xiàn)的值。這樣可以盡可能地保證系統(tǒng)的可靠性和安全性。
[0025]2)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)
①流量分發(fā)
流量是與傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期密切相關(guān)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，減少網(wǎng)絡(luò)中冗余數(shù)據(jù)的傳遞，是節(jié)能的一種非常有效的手段。在單節(jié)點(diǎn)中，使用閾值判斷和卡爾曼濾波方法降低了無(wú)效包的發(fā)送幾率。但在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中存在大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間的彼此請(qǐng)求及交互信息也會(huì)大大增加網(wǎng)絡(luò)流量，浪費(fèi)大量寶貴的電池能量。對(duì)整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，需要從全局上考慮如何將流量從數(shù)據(jù)源傳遞到目的地，這里的重要問(wèn)題是如何在源和目的地之間找到一條節(jié)能的多跳路由。節(jié)能路由是在普通的路由協(xié)議基礎(chǔ)上，考慮相關(guān)的能耗因素，引入新的與電源消耗有關(guān)的衡量指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)能耗的節(jié)約。最簡(jiǎn)單的節(jié)能路由協(xié)議是最少能量路由，即尋找一條能耗最低的路由，通過(guò)它傳送數(shù)據(jù)。但這樣未必能延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，因?yàn)槟承┨幱陉P(guān)鍵位置的節(jié)點(diǎn)可能被過(guò)度使用而導(dǎo)致電源過(guò)早耗盡。為避免這種情況，最大最小路由使得節(jié)點(diǎn)的剩余電量盡可能多，即最大化節(jié)點(diǎn)的最小剩余電量。最大最小路由更多的考慮了電池的剩余電量，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(xié)議增加一個(gè)電池電量標(biāo)記,在傳輸中如果發(fā)現(xiàn)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)電能低于傳輸過(guò)程中各個(gè)節(jié)點(diǎn)平均電能，則向上一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送修改路由請(qǐng)求，建議上一個(gè)節(jié)點(diǎn)在下次傳輸時(shí)，不需要首先考慮當(dāng)前節(jié)點(diǎn)作為傳輸數(shù)據(jù)的關(guān)鍵點(diǎn)。在實(shí)現(xiàn)上只需要在Zigbee協(xié)議中修改鄰居節(jié)點(diǎn)和路由記錄表傳輸過(guò)程中經(jīng)過(guò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電量，當(dāng)有建議修改請(qǐng)求時(shí)，只需要將該節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到該鏈表的尾節(jié)點(diǎn)即可。這樣在傳輸查詢時(shí)優(yōu)先頭節(jié)點(diǎn)，間接地降低了電能低的傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸。明顯地可以看出，整個(gè)表未采用排序的方法排列節(jié)點(diǎn)電量的高低，而是通過(guò)“頭刪除，尾插法”的方式，完成路由表的調(diào)整，盡可能地將流量分派到電能比較高的節(jié)點(diǎn)上。
[0027]②拓?fù)涔芾?br> 節(jié)點(diǎn)密度都比較高，因?yàn)樘岣吖?jié)點(diǎn)密度可以提高結(jié)果的精確度，但如果系統(tǒng)生存時(shí)間更重要的話，就可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行管理，利用相對(duì)較少的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行跟蹤。這樣，除了減少計(jì)算復(fù)雜度之外，也降低了通信開(kāi)銷，因?yàn)闆](méi)有參與跟蹤的節(jié)點(diǎn)不會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)。拓?fù)涔芾碇凶钪匾牟呗允恰班従庸?jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)策略”，由于森林環(huán)境下，節(jié)點(diǎn)布撒之后其位置一般不發(fā)生改變，因此，在Zigbee協(xié)議中不再頻繁地與周圍節(jié)點(diǎn)進(jìn)行溝通，即不進(jìn)行頻繁地廣播。當(dāng)且僅當(dāng)某條通訊鏈路失效時(shí)，則會(huì)引發(fā)新一輪對(duì)周圍鄰居節(jié)點(diǎn)的查詢，及時(shí)更新通訊的路由表。
[0028]③通信的折衷處理
縮減數(shù)據(jù)流長(zhǎng)度也是有效的節(jié)能手段。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點(diǎn)的高密度，使得同一時(shí)間被多個(gè)微傳感節(jié)點(diǎn)同時(shí)感知并捕獲處理，導(dǎo)致了數(shù)據(jù)采集的冗余性。在選定節(jié)點(diǎn)將一定區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚或者融和，然后再將結(jié)果傳送出去，不但可以提高事件/數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的可靠性，也可有效降低通信流量，從而節(jié)約能耗。
[0029]3)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)格式
在一級(jí)體系結(jié)構(gòu)中，最基本的單元室單個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)按照各自的軟件流程采集溫度和濕度信息，則需要按照一定的規(guī)則將數(shù)據(jù)發(fā)送至中心節(jié)點(diǎn)。該數(shù)據(jù)格式必須嚴(yán)格遵守特定的格式，供中心節(jié)點(diǎn)接收并使用。
[0030]表1傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)格式
【權(quán)利要求】
1.一種應(yīng)用于森林防火中的無(wú)線傳感器系統(tǒng)，其包括:傳感器節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，其中傳感器節(jié)點(diǎn)間以及傳感器與中心節(jié)點(diǎn)間的通信協(xié)議，為Zigbee通信協(xié)議；中心節(jié)點(diǎn)間與遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件間采用Adhoc通信協(xié)議，三個(gè)級(jí)別的體系結(jié)構(gòu)和兩個(gè)通信協(xié)議構(gòu)成了森林防火系統(tǒng)的主體，協(xié)議擔(dān)負(fù)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的流動(dòng)，三個(gè)級(jí)別的體系結(jié)構(gòu)分別對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)傳輸和最終數(shù)據(jù)處理功能。
2.如權(quán)利要求1所述的無(wú)線傳感器系統(tǒng)，其中傳感器節(jié)點(diǎn)由處理器模塊、通信模塊、傳感器模塊和能量供應(yīng)模塊4部分組成，其中，前3個(gè)模塊消耗能量，由于傳感器模塊消耗能量相對(duì)較低，處理器模塊節(jié)能策略通常有動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)(Dynamic Voltage Scaling, DVS)和動(dòng)態(tài)功率管理(Dynamic Power Management, DPM),前者的工作原理是當(dāng)計(jì)算負(fù)載較低時(shí)，通過(guò)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(jié)約微處理器的能耗；后者是利用當(dāng)節(jié)點(diǎn)周圍沒(méi)有感興趣的事件發(fā)生時(shí)，部分模塊處于空閑狀態(tài)，把這些組件關(guān)掉或調(diào)到更低能耗的狀態(tài)，以延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命，通信模塊消耗能量是最多的，故為其制定有效的節(jié)能策略尤為重要，主要包括控制節(jié)點(diǎn)通信流量，合理安排工作休眠時(shí)間以及采用多跳通信方式，為了實(shí)現(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)的低功耗以及更優(yōu)的測(cè)量性能，設(shè)計(jì)時(shí)采用工作模式的選擇，通過(guò)無(wú)線配置傳感節(jié)點(diǎn)的工作參數(shù)，使節(jié)點(diǎn)能夠按照實(shí)際需要控制采集的時(shí)機(jī)和速率，從而降低能耗，以延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命；節(jié)點(diǎn)工作分空閑模式、觸發(fā)模式、主動(dòng)模式3種，其中，空閑模式下的節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，只是周期性的喚醒檢查有無(wú)來(lái)自服務(wù)器的控制命令，以更好地節(jié)約能耗；觸發(fā)模式下RF關(guān)閉，只有當(dāng)傳感器測(cè)量值達(dá)到設(shè)定門限后才觸發(fā)RF進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)，同時(shí)可以根據(jù)不同的門限選擇相應(yīng)的采樣率，適用于如森林火災(zāi)等突發(fā)情況的監(jiān)測(cè)和預(yù)警；主動(dòng)模式下傳感節(jié)點(diǎn)按配置的采樣率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集發(fā)送，周期性轉(zhuǎn)入休眠并自動(dòng)喚醒，考慮到無(wú)線傳感器在一定程度上需要實(shí)時(shí)地傳輸數(shù)據(jù)，使用觸發(fā)模式無(wú)法提供實(shí)時(shí)的溫度和濕度數(shù)據(jù)，因此，在設(shè)計(jì)上采用周期休眠機(jī)制與主動(dòng)模式相結(jié)合的方法，使傳感器節(jié)點(diǎn)工作時(shí)節(jié)能性能達(dá)到最優(yōu)，另外，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)(溫度或濕度)沒(méi)有達(dá)到預(yù)設(shè)的閾值時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)上一次采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單綜合性分析，如果變化不是非常明顯時(shí)，則不再發(fā)送數(shù)據(jù)，達(dá)到通過(guò)減少發(fā)送數(shù)據(jù)量的方法進(jìn)一步節(jié)能；對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的流量分發(fā)，需要在Zigbee協(xié)議增加一個(gè)電池電量標(biāo)記，在傳輸中如果發(fā)現(xiàn)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)電能低于傳輸過(guò)程中各個(gè)節(jié)點(diǎn)平均電能，則向上一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送修改路由請(qǐng)求，建議上一個(gè)節(jié)點(diǎn)在下次傳輸時(shí)，不需要首先考慮當(dāng)前節(jié)點(diǎn)作為傳輸數(shù)據(jù)的關(guān)鍵點(diǎn)；在實(shí)現(xiàn)上只需要在Zigbee協(xié)議中修改鄰居節(jié)點(diǎn)和路由記錄表傳輸過(guò)程中經(jīng)過(guò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電量，當(dāng)有建議修改請(qǐng)求時(shí)，只需要將該節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到該鏈表的尾節(jié)點(diǎn)即可，這樣在傳輸查詢時(shí)優(yōu)先頭節(jié)點(diǎn)，間接地降低了電能低的傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸，明顯地可以看出，整個(gè)表未采用排序的方法排列節(jié)點(diǎn)電量的高低，而是通過(guò)“頭刪除，尾插法”的方式，完成路由表的調(diào)整，盡可能地將流量分派到電能比較高的節(jié)點(diǎn)上。
3.如權(quán)利要求1所述的無(wú)線傳感器系統(tǒng)，其中的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由傳感器探測(cè)節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、中心服務(wù)器和Web服務(wù)器組成，該系統(tǒng)是由大量具有溫度、濕度、光亮度和大氣壓力采集功能、無(wú)線通信與計(jì)算能力的微小傳感器探測(cè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的自組織分布網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，每個(gè)探測(cè)節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)采集與路由功能，探測(cè)節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)，由匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)融合、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)通過(guò)Internet傳送到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，中心服務(wù)器分析數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)，對(duì)森林火險(xiǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)并將所有信息置于WEB服務(wù)器。
【文檔編號(hào)】H04W84/18GK103702444SQ201310716411
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】袁東鋒, 齊立磊, 吳紹興, 賀晨陽(yáng), 王建強(qiáng) 申請(qǐng)人:南陽(yáng)理工學(xué)院