原创 一种应用于灭火与火灾的无线传感器网络的研究【2】

无线传感器网络安全

不知大火是否被恶意地点燃,因此它必须假定纵火犯或其他个人可能试图访问无线传感器网络以触发一个假警报,或者更糟的是修改传感器收集的数据导致错误的数据传输。为了保持当前的设计和实现尽可能地简单,在当前的报告中这方面没有给予进一步考虑。然而,这是一个需要进一步考虑的领域,应该考虑在未来的工作中。

计划测试和事件检测

传感器节点的失败并不少见。因此,如果一个无线传感器网络是有价值的，至关重要的是,计划进行测试来确认节点组成的网络仍然是有用的,并有足够的电力资源。对提出的火灾探测和跟踪应用程序,预计每日测试的节点将是足够的。然而,这将取决于环境传感器节点的部署。例如,它可能预期节点故障率在工厂环境中比在办公环境会更高。

如前所述本文火灾会迅速蔓延,因此任何预部署传感器节点必须迅速发现事件并立即开始传输数据。这造成了一个潜在的严重问题,因为为了检测一个事件一个传感器节点必须是工作的,而在工作状态的节点将消耗其有限的能量。一个节点光检测事件是不够的，它还必须有能量来对事件快速、准确地传输数据。显然,如果所有的传感器节点保持在一个连续的警醒状态，那网络的平均寿命会由于电力资源有限,将严重削弱。因此,有必要制定一个时间表以使节点寿命最大化，同时仍然提供足够的检测能力。虽然,这个特定的应用程序并不排除更换电池，自从传感器节点都可以访问以来,依靠人们定期更换电池是危险的,因为它通常是一项将推迟潜在灾难性影响的工作。

He et al.[17]提出了一个“哨兵服务”,对于一个可以用于FAWSNet能量无线传感器网络。能量是守恒的,选择节点的一个子集,被定义为哨兵,来探测事件。其余节点的网络可以保持在一个低功率的睡眠状态。如果一个事件发生时,哨兵叫醒附近事件的其他节点。显然,能源储备的哨兵将更加迅速地耗尽,所以有必要旋转在网络节点之间的哨兵责任，实现统一整个网络的能量耗散。如果这个计划是用于FAWSNet，它将很有必要确保,在任何时候,都有一个最低的哨兵节点在一个房间内的建筑中。显然,如果房间建筑物内尤其大,就必须有几个节点定义为哨兵节点。

自修改网络

已经证明火灾中气温可能会非常高,很可能相当迅速摧毁附近事件的传感器。因此,至关重要的是,如果一个微粒被摧毁,网络自修改,以便数据可以继续传播。

传感器节点位置

预计,当传感器节点是部署在整个大楼里,每个都有独特的标识号。这些数据将被整合于建筑平面图提供给消防队。因此在出席一个事件中,传感器节点的位置涉及建筑物内的各个房间就会知道

传感器保护

传感器本身是灵敏的仪器,可以很容易损坏。在一场火灾事件以来,气温在建筑火灾附近的位置将会很高,有必要保护传感器及其外壳尽可能从火灾产生的热量中不受损害,以使它们的功能尽可能长,没有降解能力的传感器来检测温度变化。目前大多数传感器提供在注射模制塑料罩。显然,这种类型的住房是特别容易热损伤。因此,它将需要利用一个更耐热套管在这传感器外。

传感器部署

从数据图4和图5所示,可以看出被热电偶记录的温度明显不同的接近于地面上的传感器。就部署的温度传感器而言,部署一组传感器在不同的高度是有意义的。位于靠近天花板的热电偶将检测点火的装置并引起警觉。然而,由于温度,它们会暴露会预期迅速失败。通过部署一些传感器在一个较低的位置,这将仍是有可能监视火灾的状态。

这个微粒可以是多传感(温度和烟)或单传感与位于建筑物内的在不同位置的温度和烟雾传感器。配置选择这个项目是单一的传感器。图6显示了潜在的一幢单层建筑布局内的传感器微粒。位于建筑物周围的各点是温度传感器,如蓝色圆圈所示,而不是一个单一的传感器,它们表示位于房间的天花板下面的不同层次的传感器阵列。在图中也显示出烟雾探测器,如棕色圆圈所示。

图7显示了传感器和网络部署的交叉部分

火灾事件中无线传感网络的应用

如果我们考虑大火在房间4被点燃，就像图8的红色圆圈，传感器是40一个哨兵传感器，第一个能够探测到温度的变化。如果在5秒内，温度上升被检测到超过10度，此传感器将会由程序控制发出一个警报信息。传感器40用红色标记表明它已经检测到了火，然后它将唤醒相邻的传感器，把他们安置在警报器上（由颜色改变成橘红色所指示），除了附近中的吵醒传感器，在大楼内剩下的传感器安置一个吵醒呼叫也是合理的。显然，探测最初在触发级上温度上升的传感器的数量将依赖于房间的大小和位置，以及在事件中它们是否被安排作为哨兵传感器。

随着温度的上升以及火的蔓延，更多的传感器都监测到了事故并想传递数据，为了避免冲突，应优先考虑离事故最近的和经历温度上升最快的传感器。

据预期,提供给事故指挥官的图形用户界面将类似于图8所示的平面图。随着气温在一个特定的区域上升,平面计划上的房间可以被设计成一个特定的颜色取决于温度报告从而提供即时的视觉反馈,条件。实际的温度可以显示在GUI或在另一个面板的地板计划上。

传感器事件触发算法

每个安装在建筑物内的传感器必须预编,这样它知道事件的发生。下面列出了基本算法，虽然这些可能被修改用于进一步的研究中。

温度传感器

1. 如果温度传感检测在5秒内温度增加大于10度，然后点燃火,触发警报。

2. 如果警报触发,确定最近的相邻传感器(温度和烟),并向他们发出叫醒电话。

3. 发送位置检测微粒和检测条件控制器。

4. 用红色圆圈画在GUI中探测火灾的传感器。

5. 如果一个邻近的微粒在50度以下检测温度上升超过10度,而且警报已经引发了,画微粒作为一个琥珀广场表明热与火有关。

6. 发送事件的位置,传感器给控制器。

7. 如果一个邻近的微粒检测温度上升超过了 70度和警报已经引发了,画微粒作为一个琥珀圆来表示火势蔓延。

8. 发送事件的位置和传感器给控制器。

除了10度的触发温度、上面的算法用的温度都是粗略的估计。与火蔓延有关的温度增加的进一步研究需要承担建立最佳设置。

应该指出的是,距离天花板最远的传感器的温度的上升,一般来说,在火燃烧的初始阶段经历一个较低的温度上升。因此,可能有必要修改上面的温度算法考虑这个、特别是如果哨兵服务是被成功地利用。

烟雾探测器

1. 如果烟雾检测时间大于 30秒，然后点燃火,触发警报。

2. 如果报警触发,确定最近的相邻传感器(烟和温度),并向他们发出叫醒电话。

3. 发送位置检测微粒和检测条件控制器。

4. 在GUI中画探测火灾的传感器作为红场。

5. 如果检测烟雾和警报的一个邻近的微粒已经引发了,和邻近的温度传感器没有被触发，画感烟探测器作为一个琥珀广场表明烟雾在那个地区。

6. 发送事件的位置,mote控制器。

为了进行模拟测试上述算法的有效性,产生一个能有效地模拟建筑物内火灾发生的算法将是必要的。这将需要在传感器内注入与火有关的温升,然后传播条件到其他微粒,以了解如何模拟运行时。在规定的时间内,就有必要禁用一个或多个微粒来模拟的被火毁灭的微粒,看看网络能否成功地自我修改和继续传递数据。

未来的工作

本文集中研究了关于传感器部署的重要方面,它们应如何在火灾发生时操作等。显然,有许多其他方面需要考虑,例如,无线传感器网络如何连接，进行通信,并将数据送入图形用户界面,在发生mote失败时自我修改网络。这些都是需要解决的问题,在未来的工作简要描述如下。

在火灾环境中具有生存能力的温度传感器

从前面的讨论可以明显的看到,部署在一个火灾环境的传感器接触到极其恶劣的条件，比如与温度接近。尽管可以看到,在火被点燃的房间内，位于较低位置的传感器,将检测一个相对快速的温度上升,那些部署在天花板附近的传感器会发现更迅速的变化，因此有望提供一个更快速的通知存在的火灾。令人担忧的是,即使位于低水平的传感器在能够提供有意义的数据之前可能被摧毁。

TOSSIM模拟

研究的下一步是创建一个使用TOSSIM的模拟来确定建议的实现将是可行的。其目的是模拟将采用Sinha[6]开发的位置跟踪模拟Sinha[6]。

开发的图形用户界面

如果TOSSIM仿真证明是成功的，那么需要设计一个图形用户界面。在现实世界中模拟这就是将使用一个事故指挥官跟踪蔓延的大火。它应该清楚地显示现有建筑物内的条:火的位置,火蔓延,烟和热点。这将是必不可少的,数据显示尽可能代表发生在火场的真实事件。

加入更多的传感器

被提及的可能包括其他类型的传感器,比如红外线和运动传感器。添加这些模型可以提供额外的有价值的信息,为附加火之上,提供的温度传感器和烟雾探测器。他们的加入事实上可能提供更准确的在任何给定的时间内的火的位置,因为温度传感器将只提供温度正在上升的地理位置。

无线传感器网络安全

前面提到的一个问题,这是有可能的未经授权的用户可以访问无线传感器网络和触发假警报或引入恶意数据。因此,有必要探讨网络如何可以免受这种干预。

物理测试的实现

一旦所有上述因素都已经解决,就有必要进行物理测试的实现。这种性质的测试既耗时又昂贵。这需要消防部门的合作,设立一个合适的测试环境。除了预部署在环境中的无线传感器,它还将有必要利用额外的仪器如热电偶和摄像机来确保数据被收集和传送到图形用户界面是准确和及时接收的。

结论

消防中有许多相关风险,尤其是未知因素如位置和蔓延的大火。在理论基础上,它似乎表明,利用无线传感器网络,如FAWSNet,可以帮助减少这些未知性，可以通过向事故指挥官提供火的位置以及蔓延。

在当前时间,FAWSNet仍然停留在理论阶段。有许多问题仍然必须解决，不仅仅是可以首先探测到火的传感器,承受快速温度上升预期足够长的时间来传输有意义的数据。在开展这个项目的进一步研究之前,如果目前传感器能承受它们可以接触的温度,建立这样的传感器将是很明智的。如果任何保护在火实验的环境状况中都能尽可能的操作很长时间，这样的保护能够被提供。