原创【博客大赛】一种应用于灭火与火灾的无线传感器网络的研究【1】

 2012-9-20 15:06  1326 21 21 分类: 通信

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摘要

灭火是人类职业中最危险的工作之一。这种危险性存在很多种因素，如具体地理位置不确定、面积尺寸不清楚以及火灾的传播方向不明确。利用无线传感器网络对其监控是一重要措施，可降低危险性，这样协助灭火人员以及消防员就能迅速灭火。另一方面，对于火灾发生原因，提供有力的调查，如是否是恶意制造。

引言

在日常生活中，仅仅模糊地知道火灾的位置、大小以及扩撒情况的消防员，面对有生命危险的情况下，正试图灭火。最关键的一个因素是由于火灾情况的缺乏而导致。当前的火灾报警器仅仅是通知我们火灾的发生，而火灾的位置、扩散方向的信息，他们提供很少或者压根没有。这种系统是可以提供火灾的位置，它是由嵌入在基础设施建筑的供电电缆中驱动。因此，一旦发生火灾，所有的信息都会丢失。

虽然，火灾扑灭以后，消防员的生命危害性已经显著降低，但是对于火灾调查员来说，问题依然存在。很多时候，已被扑灭的火灾的发生的原因和传播的方式往往是很难确定的。在许多情况下，一个火灾调查员必须依靠他所目击的消防员行为。当火灾首次被发现时，观察消防员的个人反应以及与火灾作战的情况。在进入火灾现场之前，任何能够向消防部门或者火灾调查员提供火灾情况的系统都是有用的。这个项目面临着各种挑战，既要部署使用无线传感网络的初始检测火灾位置，又要解决随后火灾蔓延建筑的情况。

无线传感网络

自从知道无线传感器网络可以用来帮助消防员进行灭火以后，我们首先必须了解一些关于无线传感器网络的知识，如它们是如何工作、它们的性能和局限性。

无线传感器网络（WSN）是一个由大量小型独立的传感器节点或者微粒组成的网络。它们融合了硬件、软件和编程方法三种信息技术[1]。无线传感器网络[1]可以应用于各种监测系统，如栖息地环境的监测、室内气候控制的监测；事物监控（结构监测、设备状态维护监测）；事物与事物之间以及周围环境的监控；紧急响应、灾害管理和医疗等。大多数的监控系统可以分为两类：数据采集和事件监测。

在无线传感网络中，每个微粒是一个独立的单位，这个单位是由一个电源（一般电池）、一个通信设备（无线电收发器）、一个传感器或者多个传感器、多个模数转换器（ADC）、一个微处理器和数据存储器组成的[1,2]。微粒以自组织的形式进入无线网络，微粒上的数据传送到临近的微粒，直到传送到目的地才停止（图1）。

图1 平面网络的例子

就进程处理的速度、存储容量以及通信带宽而言，每个微粒都有一定的限制性。此外，它们的使用期是由他们存储电的能力决定的[4]。这些限制是一个重要的因素。在设计和实现特定程序的无线传感器网络之前，必须加以解决。

数据收集和事件检测

如上述所述，总体而言无线传感器网络可分为两种类型：数据收集和事件检测网络。在许多应用中，数据收集是目标，传感器可能是要求每天在固定的短时间内收集数据。在这种情况下，大多时间传感器节点因处于睡眠状态而节省电力。然而，一个无线传感器网络是用来事件检测的，如检测火灾点。首先考虑到，传感器节点必须保持运作，而消耗它们宝贵有限的电力[16]。

无线传感器网络的硬件设计

各种硬件和工具可以用于部署和测试无线传感器网络。简要的描述如下。

传感器节点设计

目前最受欢迎的一个研究平台Mica2平台，该系统的传感器节点电路如图2所示。它使用TinyOS(TOS)的分布式软件操作系统，有一个325或者868/916 MHz多渠道的无线电收发机和一个扩展的连接器，可用于光、温度、湿温相对度、气压、加速度/地震、声学和电磁传感器领域[5]。图3显示了Mica2平台的应用——标准室内注塑成型的外壳。

图2：Mica2传感器节点

图3：Mica2平台的应用——注塑成型的外壳

TinyOS (TOS)

传感器节点的有限处理能力是不能使用标准的操作系统。因此，传感器节点使用TinyOS系统。TinyOS系统是加利福尼亚大学伯克利分校开发的开放源代码操作系统，专为嵌入式无线传感网络设计，它是基于构件的架构，为每一个应用程序制定特定的操作系统[6]。TinyOS操作系统是用nesC写的，是一种C语法风格的语言[7]。

TOSSIM

TOSSIM是TinyOS自带的一个仿真工具。用户可以编译一个TinyOS应用到TOSSIM框架，然后在可控制和可重复的环境下进行调试、测试和分析算法[8]。

TinyViz

TinyViz 是TOSSIM的一部分,一个TOSSIM基于Java 的图形用户界面（GUI）。TinyViz 支持一个简单的“插件”，允许用户自己编写TinyViz 模块，以便以一种与正在进行的模拟程序交互，即可视化。

考虑到现实实验成本的潜在性，这种应用于无线传感性网络的模拟器的开发，它的可行性是需要考虑的。据预期，这种额外的研究是可以实施的。

用于灭火的无线传感器网络的研究现状

在过去，研究用于对火灾探测的无线传感器网络主要集中于森林火灾的探测和跟踪。只是近几年，因为世界贸易中心遭受到****，在火灾现场，消防员的生命安全受到越来越多的关注和谈论。这使得研究人员将利用无线传感器网络来灭火成为可能。

来自加州大学伯克利分校的一个小组一直研究“火（火灾信息和救援设备）[9]”这个项目。这个项目的目标是开发了硬件和软件的平台，以改善灭火的安全、效率和有效性。

这个项目的研究主要分为三部分：第一，是整个项目的基础——无线传感器网络，又称“SmokeNet”；第二，在头部上端安装了显示器单元的消防员，又称“FireEye”；最后，是一个名为“eICS”的现场指挥系统，主要在视频显示器上显示信息，如资源分配、基层建筑计划人员位置和消防员的空气供给和心跳速率的生物统计量。

SmokeNet是基于TinyOS、利用无线烟雾以及温度检测传感器节点研究的。在非警报的情况下，这些节点随着电流每10秒钟检查一下地理环境，而且通过一种网络到达中央建筑节点，每5分钟电脑记录发送数据。检测火灾，一个节点发送一个警报消息，这个消息说明整个网络中哪些地方处于警报状态。在这种状态下，每个节点每隔5秒钟检查火灾一次，每隔2分钟记录报告数据。如果没有检测到火灾，则节点仍然运作[10]。

这种系统还允许现场指挥官通过eICS连接到无线传感器网络来确定火灾的位置，跟踪消防员的位置以及他们的健康状况。穿着FireEye的消防员还能接收到系统传输的数据。

另一个小组一直在研究一个名叫“消防警报感知计算”的项目[11]。这个系统是指在消防员之间利用消息感知应用发展支撑隐性通信。每个消防员携带一个简历在伯克利微粒传感器版上，而且配有WiFi的PDA。在PAD上的微粒可以从预先部署在建筑上的微粒收集数据。这些数据可以提前告知消防队员危害和危险。此外，提前部署的微粒也可以作为灯塔，从而使消防员能够安全穿过建筑物。每一个PDA用对等模式连接到其他消防员的PDA。

消防员面临的挑战

正如上述所述，在过去的几年中，两个小组已经把理论研究转化为实践，为消防员提供信息和工具[10, 12]。为了更好的了解消防员的需求，两个组分别采访了消防部门的人员。他们的发现都是与这个项目直接相关的，就在这里。采访Steingart et al，他说，消防长官认为在紧急情况下，最重要的信息如下：

• 消防员邻近的危险

• 消防员的健康状况

• 更好的无线电信道

• 消防员的地理位置和环境温度

• 建筑平面图的有效性

消防员认为，尽管技术是一件好事，但是他们更加担心技术的不可靠性以及越来越强的依赖性。另一个重要因素，消防部门在技术和设备上缺少资金，没有形成一个标准。

在他们的研究中，***等人指出现场指挥官是作为最密集的位置信息。因为除了协调总体响应策略，他们还必须管理人员和资源的可用性。就消防员所面临的危险而言，现场指挥官所关心的危险，如下：

• 跳火，突然在一个房间里发生点火；

• 倒流气，爆炸时，火灾消耗氧气，氧气极度缺少；

• 隐藏在墙角,阁楼,和其它看不见的地区的火灾；