（检测技术与自动化装置专业论文）基于无线传感器网络定位技术的森林火灾监测研究.pdf

、 江苏大学学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文 的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密，在2 年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名：孑髟封翁 乃8 年多月8 日 指导教师签名：侬莓力岛 m 年6 只寥日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：厉莉莉 日期：晦多月铂 江苏大学硕士学位论文 摘要 森林是人类生存和可持续发展的宝贵资源，往往由于人为因素或自然因素 的影响，而饱受森林火灾的致命侵害，严重威胁和损害森林生态和人类生命财 产安全。森林防火是一项长期的、艰巨的工作。由于无线传感器网络在无人值 守的环境监测、灾害扑救等特殊领域，具有传统技术无可比拟的优势，基于无 线传感器网络的森林火险实时监测预警技术在国外已经引起高度重视，并进行 了研究应用。然而，我国在这方面的报道尚未见到，利用无线传感器网络进行 森林火险监测具有很大的研究潜力和广阔的应用前景。 分析了各种森林火灾监测方法存在的一些不足，以传感器网络体系结构以 及各种支撑技术为基础，提出了基于无线传感器网络定位技术的森林火灾监测 方案，该方案中，由传感器节点来实现森林火点监测的功能，重点分析了火点 定位的问题，并提出了一种新的无线传感器节点定位算法，该算法假设在被监 测森林边缘布置一个移动锚节点，且锚节点可沿赢线轨迹来回移动，通过该锚 节点实现森林区域内布置的传感器节点定位。在定位过程中，引入“唤醒时问 预测 概念，通过预测唤醒时间的休眠唤醒方式，使定位期间的节点按需要进 入休眠或活跃状态，减少活跃节点数目，达到降低网络节点定位总功耗的目的。 该算法的定位精度与网络的连通性、节点密度、节点无线通信范围无关，避免 了各种客观条件的制约；由于采用非测距的方式，网络中的传感器节点无需配 备额外的定位硬件，节点成本低；定位算法简单，节点定位时间短，充分利用 锚节点的信息，实现传感器节点高精度定位。 理论分析和仿真实验表明，相对于d v - h o p 、c c n t r o i d 两种典型非测距的定 位算法，该算法平均定位误差小、能耗低，且定位误差不受传感器通信范围、 节点密度、监测区域大小等因素的影响，是一种低成本、应用范围广且复杂度 低的w s n 定位新技术，适用于森林火灾的监测。将w s n 应用到森林火灾监测 中，可提高森林火灾预测的可靠性、火灾扑救的科学性和高效性以及灾后评估 的快速性与准确性。 关键词：无线传感器网络( w s n ) ，节点定位，森林火灾，地理信息系统( g i s ) 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ef o r e s ti st h ev a l u e a b l er e s o u r s e ，a n di ti sr e l a t e dt ot h eh u a m a nr a c ea n d s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t t h ef o r e s t f i r e h a sg e n e r a t e dg r e a td a m a g eb yn l e i n f l u e n c eo fh u m a na c t i v i t ya n do t h e rf a c t o r s f o r e s tf i r ep r e v e n t i o ni sal o n g - t e r m a n da r d u o u st a s k t h ew s n ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ) h a v em o r ea d v a n t a g e so v o r t r a d i t i o n a lt e c h n o l o g yi ne n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n ga n ds c o u r g ef i g h t i n g t h cf o r e s t f i r em o n i t o r i n gb a s e do nw s nh a v eb e e ns t u d i e da n da p p l i e da b r o a d b u ti no l l r c o u n t r y , w eh a v e n t s e e nt h er e p o r ta b o u tt h ew s na p p l y i n gf o r e s tm o n i t o r i n g t h e r ei sw i d ev i s t ai nr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n w ea n a l y z et h e i n s u f f i c i e n to fe x s t i n gf o r e s t f i r em o n i t e r i n ga n dp r o p o s e f o r e s t f i r em o n i t e r i n gs y s t e mb a s e do nw s n t h ef i r ep o s i t i o n sa r ed e t e r m i n e db y w i r e l e s ss e n s o rn o d e s ，a n dp r o p o s ean e wl o c a l i z a t i o n a l g o r i t h m sa l g o r i t h m h a v et w oa s s u m e ，o n ei st h e r ei sa l la n c h o rn o d ew h i c hc a nm o v ea l o n gw i t ha s t r a i g h t 1 i n e ；t h eo t h e ro n ei s w ec a na c h i e v eo n eo ft h ef o r e s te d g e t h es e n s o r n o d e sl a y i n gf o r e s tc a nl o c a t et h e i rp o s i t i o nb yt h ea i d i n go fa n c h o rn o d e i nt h e a l g o r i t h m ， w a k e t i m ef o r e c a s t i n g ”h a sb e e np r o p o s e d 1 1 1 en o d e s w i l lb es l e e ps t a t e o ra c t i v es t a t ea c c o r d i n gt ot h en o d e s d e m a n dw i t ht h es l e e p w a k em o d eo f “w a k e t i m ef o r e s t i n g t h i sw a yc a nd e c r e a s et h ee n e r g yc o s tb yd e c r e a s i n gt h e n o d e s a c t i v i t y t h i sa l g o r i t h m i s i n d e p e n d e n to ns e n s o rn o d e sd e n s i t yo rs e n s o r n o d e sr a d i or a n g ew h i c hc a nb er e s t r i c tb yt h eo b j e c t i v ec o n d i t i o n ；i ti sr a n g e f r e e ，s o t h e r en e e d n tt h ea d d i t o n a lh a r d w a r ew h i c hc a nr e d u c et h es y s t e mc o s t ；i t s l o c a l i z a t i o nc a l c u l a t i o ni ss i m p l ea n da v e r a g el o c a l i z a t i o nt i m ei ss h o r t 1 1 1 es e n s o r n o d e sl o c a t et h e i rp o s i t i o nw i t ht h ea n c h o rn o d e sm e s s a g e t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，c o m p a r e dw i t ht h e d v - h o pa n dc e n t r o i dr a n g e f r e ea l g o r i t h m s ，t h el o c a t i o ne r r o r o ft h i ss c h e m ei sl e s s t h a n0 7 m a n di n d e p e n d e n to fs e n s o rn o d e sr a d i or a n g ea n ds e n s o rn o d e sd e n s i t y a n dt h es i z eo fn e t w o r k t h i sa l g o r i t h m se n e r g yc o n s u m p t i o ni sl o w a n dt h i sn e w a l g o r i t h mi sal o wc o s ta n d l o wc o m p l e x i t yl o c a l i z a t i o nm e c h a n i s mw h i c hi ss u i tt o d i v e r s es i t u a t i o n 1 1 h es y s t e l t lc a l li m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ff o r e s tf i r ef o r e c a s t s ， s c i e n c ea n de f f i c i e n c yo ff i r ef i g h t i n ga n dt h ea c c u r a c yo fd i s a s t e ra s s e s s m e n ta f t e r f i r e w h i c hw i l lw o r kt oan e w l e v e l k e yw o r d s ：w i r e l e s ss a l s 0 rn e t w o r k s ( w s n ) f o r e s t f i r e g l o b a li n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) i i 江苏大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t 蝴 第一章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2无线传感器网络概述2 1 2 1 无线传感器网络现状2 1 2 2 无线传感器网络节点及体系结构4 1 2 3 无线传感器网络支撑技耗，竹5 1 3森林火灾监测研究7 1 4无线传感器网络在森林火灾监测中的进展8 1 5论文的贡献及组织结构9 第二章基于w s n 技术的森林火灾监测模型l l 2 1 模型总体设计1 1 2 1 1 森林防火的无线传感器网络1 2 2 1 2 森林防火的地理信息系统( g i s ) 1 6 2 1 3g i s 和w s n 的集合方法1 6 2 2 基于w s n 技术的森林火点定位1 7 2 3 本章小结1 9 第三章基于单锚节点的低能耗w s n 节点定位算法2 0 3 1 引言2 0 3 2 基于测距的节点定位算法2 0 3 3 基于非测距的节点定位算法2 6 3 4 基于单移动锚节点的低能耗的w s n 节点定位算法3 l 3 4 1 网络配置3 2 3 4 2s l w l 算法的定位方法3 2 l 江苏大学硕士学位论文 3 4 3s l w l 定位技术的关键参数3 6 3 4 4s l w l 定位算法具体实现流程4 1 3 5 本章小结4 3 第四章算法性能评价4 4 4 1 引占4 4 4 2 各个参数对算法的影响4 4 4 2 1 信标间隔距离与平均定位误差4 5 4 2 2 无线射程增量与平均定位误差4 6 4 2 3 无线通信范围与平均定位误差4 6 4 2 4 锚节点数量与平均定位误差4 7 4 2 5 锚节点速度与平均定位时间4 7 4 2 6 网络大小与平均定位误差4 8 4 2 7 相邻节点数与平均定位误差4 8 4 3 定位算法分析4 9 4 3 1 定位精度分析4 9 4 3 2 能量消耗分析5 0 4 4 本章小结5 1 第五章s l w l 算法中锚节点定位方法研究5 2 5 1g p s 定位技术概述5 2 5 2g p s 串口数据采集5 2 5 2 1g a r m i n 公司g p s l 5 l 接收机5 2 5 2 2g p s l 5 l 的组成5 3 5 2 3g p s l 5 l 的数据格式5 3 5 2 4 串口通信方法5 5 5 2 5 串口数据采集5 5 5 3g p s l 5 l 模块与p c 机连接及通信实现5 7 5 3 1p c 机应用软件设计5 7 i v 江苏大学硕士学位论文 5 3 2m s c o m m 控件属性5 8 5 3 3 通信程序的编制5 9 5 4g p s 定位精度的提高6 2 5 5 本章小结6 3 第六章总结与展望6 4 参考文献6 6 致谢7 l 攻读硕士学位期间发表的论文7 2 v j ：。“。 江苏大学硕士学位论文 1 1课题研究背景 第一章绪论 无线传感器网络被认为是2 1 世纪最重要的技术之一，2 0 0 3 年2 月份的美 国技术评论杂志评出对世界产生深远影响的十大新兴技术，无线传感器网 络被列为第一，未来科学家预言无线传感器将引发新的信息革命，一些专家认 为传感器网络、仿生人体器官等是全球未来的四大高技术产业，它们将掀起新 的产业浪潮，这预示着未来到处是以电池为电源的无线传感器网络，这些传感 器可监控环境、机器甚至人类自己。一 。一一 传感器技术本身不断地在发展、深化和交叉，从原先的单一的敏感元件发 展到混合集成传感器、智能传感器、无线传感器网络等，真正朝着无所不在的 信息获取技术方向迈进。无线传感器网络是一种独立出现的网络，它的基本组 成单位是无线传感器节点，这些节点集成了传感器、微处理器、无线接口和电 源管理四个主要模块。传感器、微电子机械系统( m e m s ) 、集成电路、以及低功 耗无线通信等技术的飞速发展，使得低成本、低功耗、多功能的微型无线传感 器网络的大规模应用成为可能，这些微型无线传感器是集成的机电一体化系统， 具有无线通信、数据收集和处理、协同工作等功能。它们共同组成了传感器网 络，导致了一种全新的信息获取和处理模式，微型传感器节点可以随机或者特 定地布置在工作环境中，通过无线通信实现自组织，获取周围环境的信息，形 成分布式自治系统，相互协同完成特定的任务。 信息的获取是实现信息化的前提，获取物理环境信息的一种重要工具就是 传感器。传感器等信息获取技术和传送技术的进步，为传感器网络的发展和应 用奠定了基础。 近年来，随着无线技术、m e m s 技术的发展，传感器网络技术取得了巨大 的进步。无线传感器网络由于其快速展开、抗毁性强、监测精度高、覆盖区域 大等特点而产生了广阔的应用前景，由此成为当前信息领域的研究热点。 江苏大学硕士学位论文 1 2无线传感器网络概述 1 2 1 无线传感器网络现状 由于无线传感器网络部署方便、自治力强，在军事领域、环境监测、灾难 预防、生物医学监测、诊断与治疗系统等方面都具有十分广阔的应用前景，尤 其在无人值守的环境监测、灾害扑救等特殊领域，具有传统技术无可比拟的优 势【。 目前在国际上有很多高校，科研机构以及公司都丌展了相关的研究【2 5 】。 2 0 0 2 年，加州大学伯克力分校和i n t e l 研发实验室联合展丌了一个监测位于缅因 州巨鸭岛上海燕生态的传感器网络项目，其目的在于以无入侵和无破坏方式对 野生动物及栖息地进行监测。该项目在监测区域的海燕巢穴内共放置了3 2 个传 感器节点，这些节点称为微尘传感器( m o t e ) 。节点由微处理器、存储器和传 感器无线收发装置等组成，通过a a 电池供电，节点皆采取双向无线链路通信。 这些节点可以对周围的光、温度、压力等进行监测。为了节省能量，节点每隔 数分钟读取信息，然后将采集到的数据通过传感器节点组成的网络传送到网关， 然后网关通过一个本地的传输网络将数据传送到基站。基站负责录入数据，并 每隔十五分钟通过卫星网络将数据传送到伯克利分校的数据库。2 0 0 3 年第二季 度，他们用1 5 0 个安有d 型微型电池的更加先进的第二代传感器替换了第一代 传感器。该项目成功的证明了组建类似无线传感器网络的可行性。 1 9 9 8 年，美国国防部就提出了“智能尘埃”的概念，其目的在于监控敌方的 活动情况，而不被察觉。在此基础上，加州大学伯克利分校计算机系教授大卫库 勒领导的研究小组与i n t e l 合作丌发了“智能尘埃”的硬件以及软件，其硬件部分 包括传感器模块、为处理器模块以及无线收发模块，软件部分主要包括其嵌入 式操作系统t i n y o s 以及数据查询系统t i n y d b 。t i n y o s 系统采用高度的模块化 设计，可以根据需要定制相应软件，以保证程序占用的内存空间尽可能的小， 而将更多的存储空间用于传感器采集到的数据。通过t i n y d b 数据查询软件， 用户可以通过一条指令即时查询所有节点，得到所需要的数据。如查询温度在 3 0 1 2 以上的采集数据，则可以发送一条查询指令，该指令通过网络的信息收集 2 江苏大学硕士学位论文 节点，以广播方式在网络中发送，使得网络中所有节点都收到并响应该查询消 息，这样在用户端可以看到一份包含符合条件的数据及所在位置的电子表格， 以供分析所用。为了推动无线传感器网络技术的发展，该小组开放了t i n y o s 和t i n y d b 软件的源码，使得有兴趣的研究者可以在此开放平台基础上构建传 感器网络。利用这些传感器节点组成的网络可以对许多物体进行监测，包括气 候、地震活动、交通、建筑等等。为了解决能耗问题，该小组让无线收发设备 在大部分空闲时间处于能耗很小的休眠状态，在收发数据时才唤醒。c r o s s b o w 公司是第一个将微尘传感器商用的公司，目前每个成本大约为5 0 美元。但随着 需求的增加和硬件成本的降低，价格将会大幅下降。 此外美国科学基金委员会从2 0 0 3 年开始资助无线传感器网络项目，其研究 领域涉及能感知有毒化学物，生物攻击等的传感器节点，分布环境下传感器网 络的特性，以及如何有效利用获得的数据进行分析决策等问题。这些研究和实 际应用紧密联系，推动了传感器网络的进一步实用化和商业化。 2 0 0 2 年l o 月，英特尔公司发稚了“基于微型传感器网络的新型计算机发展 规划”。该规划主要致力于微型传感器网络在医学、环境监测、森林灭火、海底 板块和行星探测等领域的应用。在欧洲，2 0 0 2 年欧盟提出了一项为期三年的 e y e s ( 自组织和协作有效能量的传感器网络) 计划，研究的范围包括分布式信 息处理、无线通信等。该项目研究无线传感器网络的构架、节点的协作、网络 协议和安全等。2 0 0 4 年，同本总务省成立了“泛在传感器网络”调查研究协会， 该研究会共有3 1 名成员，除大学之外，还包括家电厂商、通信运营商等。目前， 许多先进国家都在加速无线传感器网络的研究，这使得无线传感器网络得到了 迅速的发展，成为国际上网络研究的热点。为此我国也开始逐步投入资金用于 传感器网络的研究，国家自然科学基会和8 6 3 计划都将无线传感器网络列入资 助范围。从国内外的研究现状来看，目前无线传感器网络虽已经开始商用，但 还不成熟，离大规模商用仍有一定距离，还存在有大量的研究空间和商业空间 【们。 3 江苏大学硕士学位论文 1 2 - 2 无线传感器网络节点及体系结构 无线传感器网络的最小构成单元一无线传感器节点，主要由电源模块、传 感器模块、模数转换模块、节点定位模块、电源模块等几个部分组成【6 】。( 见图 1 1 ) 图1 1 传感器网络节点结构 图中实线部分是一个无线传感器节点必备的模块，虚线部分是可选模块。电 源模块负责节点的供电，无线传感器节点一般是无源的，因此为了延长节点的 生存时间，无线传感器网络的能量效率是一个很重要的研究课题。对于一些特 殊环境下的节点，在条件允许的情况下，可以配备发电模块，如节点工作于阳 光充足的室外可以配备一个微型的太阳能发电模块。传感器模块负责采集数据， 经模数转换模块后变成微处理可以处理的数字信号经简单处理后存入存储模块 最后通过无线收发模块发送出去。此外，节点还可以根据需要添加定位模块和 移动模块。在节点自身定位上对于精度要求比较高的系统一般可以采用全球定 位系统g p s 技术，对于精度要求不高的系统可以采用本地定位系统l p s 如根据 接收信号的强弱、角度等确定节点位置。 在无线传感器网络中，节点通过飞机布撒，人工布置等方式，大量部署在 感知对象内部或者附近，这些节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方 式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息，可以实现对任意地点信息在 任意时问的采集，处理和分析。 整个网络主要由三部分组成，包括无线传感器节点、信息收集节点和信息 处理节点。无线传感器节点体积小，具有传感、数据处理以及无线通信能力， 4 江苏大学硕士学位论文 信息收集节点接收来自无线传感器网络的数据，并将其简单处理融合后通过广 域网络或其他网络传送到信息处理节点，信息处理节点负责数据的分析处理。 1 2 3 无线传感器网络支撑技术 作为一种新兴的网络形态，传感器网络一经提出便引起了多方面的关注， 这也意味着有众多关键技术有待研究【2 7 1 ，下面仅列举部分。 1 节点定位技术。在传感器网络中，位置信息对传感器网络的监测活动至 关重要，事件发生的位置和获取信息的节点位置是传感器节点中所包含的重要 信息，没有位置信息的检测消息往往毫无意义。确定事件发生的位置和获取消 息节点的位置是传感器网络最基本的功能之一，对传感器网络应蹦有效性起 着关键作用。如森林火灾发生的位置、战场上敌方车辆运动的区域、天然气管 道泄漏的具体地点等。而确定节点自身位置是确定事件发生位置的前提，只有 在传感器节点自身币确定位之后，才能确定事件发生的具体位置。定位信息除 用来报告事件发生的地点外，还具有目标跟踪、协助路由、网络管理等用途【引。 传感器节点自身定位就是根据少数已知位置的节点，按照某种定位机制确 定自身的位置。根据节点是否已知自身的位置，节点可分为信标节点和未知节 点。信标节点通过携带g p s 定位设备等手段获得自身的精确位置，在网络节点 中占的比例很小。不是信标节点的其它传感器节点就是未知节点，它们通过信 标节点来确定自身位置。 节点定位通常分为两个步骤：第一步是确定未知节点到信标节点的距离或 方位；第二步是在确定未知节点同若干信标节点的距离或方位后，通常使用三 边测量法【9 1 、三角测量法【1 0 1 、极大似然估计法l 来最后计算节点位置。 无线传感器网络中，现已提出了很多的定位算法【1 2 - 2 2 1 ，根据定位过程中是 否实际测量节点间的距离，把定位机制分为：基于距离的( r a n g e b a s e d ) 定位机制 和距离无关的( r a n g e f r e e ) 定位机制。基于距离的定位机制是通过测量相邻节点 间的实际距离或方位来计算未知节点的位置。基于距离的定位分为基于t o a 的 定位、基于t d o a 的定位、基于a o a 的定位、基于r s s i 的定位等。距离无关 的定位机制对节点间的距离进行估计或者确定包含未知节点的可能区域，来确 5 江苏大学硕士学位论文 定未知节点的位置。目前提出主要有质心算法、d v - h o p 算法、a p i t 算法等。 距离无关的定位机制无需测量节点间的绝对距离或方位，降低了对节点硬件的 要求，使得节点成本更适合于大规模传感器网络，而且定位性能受环境因素的 影响小。虽然定位的误差相应有所增加，但定位精度已能够满足多数传感器网 络应用的要求，是目前大家普遍重点关往的定位机制。 2 网络拓扑控制。对于无线自组织形式的传感器网络而言，自动生成网络 拓扑的意义在于：在满足网络连通度的情况下，以较低的代价实现对监控区域 的有效覆盖；良好的网络拓扑结构，能够有效地提高链路层协议和路由协议的 效率，可为上层的数据融合、时间同步、目标定位等许多应用奠定基础，有利 ：一- 于整个网络的负载均衡，从而节省节点的能量来延长整个网络的生存期。 3 网络协议。特指数据链路层和网络层的协议，与传统的有线网络、a dh o e 网络不同，由于节点的计算、存储、通信、能量都受到很大的限制，运行在节 点上的网络协议不能太复杂；传感器网络拓扑结构会发生动态变化，这些对网 络协议提出了更高的要求。m a c 协议首先要考虑节省能源和可扩展性，其次才 考虑到公平性、信道利用率和实时性等；由于传感器网络是以数据为中心的， 路由协议没有必要为每个节点进行统一编址，在保证拓扑结构适应性、低开销 的同时，还要考虑到整个网络的流量均衡。 4 时间同步。时间同步问题是传感器网络各节点在进行协同工作时需要面 临的一个关键问题。同样，现有的同步机制尚无法满足传感器网络低功耗、低 成本的要求。 5 节点数据融合。由于传感器网络对目标的观察存在数据冗余，若这些冗 余数据不加任何处理就传送给观察者，将会带来巨大的网络流量，从而带来急 剧的能量消耗：另一方面，这种流量通常都是不均衡分布的，靠近观察者的节 点非常容易因快速的能量消耗而失效。因此在各节点收集数据的过程中，即可 进行数据的融合，在数据融合的过程中也滤除了部分噪声，提高了信息的准确 度。 6 低功耗无线通信技术。传感器网络要求通信技术具有信道衰减小、发射 信号功率谱密度低、系统复杂度低、能耗低的特点，目前主要的研究热点集中 6 江苏大学硕士学位论文 在超宽带技术上。 7 嵌入式操作系统。传感器节点本质上是一个微型的嵌入式系统，硬件资 源非常有限，这就要求操作系统能够高效地使用其硬件资源。同时，传感器节 点具有并发程度高的特点，因此操作系统要能有效地满足发生频繁、并发程度 高、执行过程短的逻辑控制流程，目前b e r k e l e y 的t i n y o s 采用基于组件的架 构和基于事件的驱动来满足上述要求。 1 3森林火灾监测研究 对于森林火灾的预报预测研究，国内外进行了很多研究工作，但是国内的 一 一。 ： 研究大多数是侧重于森林火灾的指挥和调度以及林火的蔓延预测方面的研究， 还没有对森林火险预报开展系统的研究。国外对森林火灾的预测与预报虽开展 研究较早，但其预报预测模型目前还有很多有待于进一步补充和完善的地方。 已有的森林火灾监测方法主要是利用极轨卫星、森林火警传感器、“水手”无人 机、高空照相机、气象卫星等进行监测，但是这些中有的还在研究中，有的不 容易进行广泛的推广。 在森林火灾监测中，火点定位是最重要的环节之一，已有的森林火灾监测 中，火点定位主要有两种探测手段：一是采用卫星遥感方式【2 3 1 ，通过对遥感照 片的处理后发现火点。由于卫星绕地球一周需2 h 左右，实时性较差，对于大的 森林区域效果较好，对于小的区域，当发现时火势往往己经难于控制，而且该 方法受a v h r r 探测器低饱和性的限制，假热点的干扰排除需要更多地借助于 综合知识，故亚像元林火面积的估算精度也难以进一步提耐2 4 2 5 1 ，有时还存在 漏判与误判的现象。又由于对森林地面上的相对湿度无法获得，使得确定是否 发生火灾较难，而且地面的风力和风速需要通过气象卫星部门获得，由于无法 及时获得这些信息，使得火势的蔓延速度及方向也很难及时地确定。另一种是 采用人工嘹望哨的办法，也就是在林区制高点设置晾望哨，护林人员2 4 h 轮流 值班，由于条件的限制，嘹望哨不可能都建在观察条件最好的山头上，限制了 晾望哨的观察范围，加之人为疏失等原因，使得许多早期的火点不易被发现， 7 江苏大学硕士学位论文 尤其是在人迹罕至的原始林区，它们的作用就越发显得单薄。两种方法都不能 及时的发现火灾隐情，针对此情况，本文提出了运用无线传感器网络中的传感 器节点来监测火点，传感器可以把监测区域的温度、湿度等信息传回控制中心， 控制中心根据特定的火灾检测分析模型，分析节点传回的信息，最后确定传感 器所在位置是否是火点。因为传感器节点发回的信息中也有节点的位置信息， 所以很容易及时确定火点的位置并实施扑救。该方法可以改善以上方法中存在 的问题，提高森林防火监测的准确率。 1 4无线传感器网络在森林火灾监测中的进展 w _ 一 由于无线传感器网络在无人值守的环境监测、灾害扑救等特殊领域，具有 传统技术无可比拟的优势，基于无线传感器网络的森林火险实时监测预警技术 在国外已经引起高度重视。这类技术不仅可以弥补基于“3 s ”的防火技术的不足 之处，而且比基于固定摄像装置的监控技术成本低，部署方便，更节省数据存 储空间。在美国国家科学基金的资助下，加州大学伯克利分校率先对无线传感 器网络在森林火险监测中的应用进行了研究，研制出了f i r e b u g 系统。该系统 由环境传感器组成，这些传感器用于采集温度、相对湿度和大气压力等数据。 在每个传感器节点上设置一个类似于g p s 的定位器，这些节点通过基站与远程 的数据库服务器通信，用户则可以通过w e b 浏览器与该服务器通信。这个监 控系统在美国圣弗兰西斯科附近的森林火灾监测实验中得到了实际应用，系统 的性能很令人满意。美国华盛顿大学的学者也对此展丌了研究，他们通过在无 线传感器网络中使用移动智能体来查找火源，而且使得该网络具有较大的灵活 性来完成其它的任务【2 6 1 。加拿大c a l g a r y 大学的学者开发的森林火灾实时监测 与管理系统包含数据采集与处理系统、基于g i s 的w 曲浏览器。该系统将热红 外传感器、无线通信技术、惯性导航系统和火灾预测模型有效地结合起来，能 够分辨5 米以内的火点，并预测最可能的火灾蔓延方向，还能根据烟雾、光亮 度等因素较准确地监测到火险【2 7 1 。德国、英国等国家的学者对无线传感器网络 在林火监测中的应用也做了许多研究1 2 8 】。纵观这些研究，大都还处于实验室阶 8 江苏大学硕士学位论文 段，距离广泛的实际应用可能还要较长一段时间。然而，我国在这方面的报道 尚未见到，利用无线传感器网络进行森林火险监测具有很大的研究潜力和广阔 的应用i i i 景。 1 5论文的贡献及组织结构 本文在分析了现有森林火灾监测方法的基础上，提出了基于无线传感器网 络的森林火灾监测技术。主要贡献如下： ( 1 ) 将无线传感器网络定位技术应用到森林火点监测技术中，提高森林火点 监测的实时性、准确性。 一 一：。一 ( 2 ) 针对森林火点监测自身的一些特点，新提出了一种无线传感器网络节点 定位算法。 ( 3 ) 对新提出的节点定位算法进行了各个影响节点定位精度参数的量化分 析和模拟分析。 ( 4 ) 文中还对该算法能量消耗进行了详细的分析，分析结果显示，该方法适 用于无线传感器网络这种能量有限的网络中。 ( 5 ) 模拟分析结果显示，该算法不仅适用于森林火灾监测这种比较危险的领 域也适用于其它只有边缘比较安全的监测领域。 本文的组织结构如下： 第l 章为绪论，阐述了课题研究背景、无线传感器网络概况及其在森林火灾 中的应用进展、论文的贡献及组织结构。 第2 章首先提出了基于w s n 的森林火灾监测方案，然后对系统中需要解决 的关键问题进行了探讨，最后对火点定位进行了细致的研究。 第3 章定位技术是无线传感器网络应用的关键技术之一，也是森林火点监测 的重要依据。本章对现有的节点定位算法进行了详细的分析，随后提出了一种 基于单锚节点的低能耗的无线传感器网络节点定位算法，并对节点定位的具体 计算公式及参数确定都进行了详细的讨论，在定位过程中，引入“预测唤醒时 间”概念，通过预测唤醒时间的休眠唤醒方式，使定位期间的节点按需要进入 9 t 江苏大学硕士学位论文 休眠或活跃状态，减少活跃节点数目，达到降低网络节点定位总功耗的目的。 第4 章对提出的节点定位算法进行了性能评价，并将各个影响节点定位精度 的参数进行了模拟仿真。结果显示，与其他传统的无需测距定位算法不同，新 的定位精度不受传感器节点通信范围、网络大小，节点密度等因素影响，算法 简单且节点定位时间短。而且，s l w l 的定位精度可与基于测距的定位算法相 媲美。 第5 章对锚节点定位采用的g p s 定位系统进行了分析研究。首先介绍了选 用的g p s l 5 l 接收机的性能、结构及输出数据格式。本章重点研究了g p s 的定 位系统的数据采集与处理系统，并结合相关程序介绍了g p s 的定位信息的接收 和数据提取，最后，为了提高定位精度，对接收的数据进行了滤波处理，使得 锚节点的定位能够及时准确，进而准确确定森林火点。 第6 章对本文的工作进行了总结，并针对防火系统的特点，对下一步的工作 重点进行了分析。 l o 江苏大学硕士学位论丈 第二章基于w s n 技术的森林火灾监测模型 2 1 模型总体设计 在分析了现有森林火灾监测模型的基础上，本文提出了基于w s n 的森林 火灾监测模型。该系统中的传感器节点采集林区现场数据( 温度、湿度、大气压 力、烟雾等) ，迅速通过传输网络将数据传递到基站进行实时处理与分析，远程 用户可以通过i n t e r n e t 实现对林区全天候的实时监测，并对异常情况实时报警， 为防火指挥部门制定正确决策提供客观依据。 一 ， 根据森林火险实时监测的具体要求，需要在了解森林火险特征、林火发生 机理等因素的基础上，建立准确的林火预测预报模型。为了提高火险预测的精 度和准确、实时地响应，必须结合g i s 系统，合理部署传感器节点，实时进行 数据采集与处理，以便快速、准确地知道何时、何地存在火险，并且可靠地传 送消息、制定j f 确的响应方案。整个监测预警模型分成三个子系统：数据采样 和收集子系统、基站子系统和响应予系统。如图2 1 所示。 数据采样和收集子系统主要是通过无线传感器网络中的传感器节点采集温 度、湿度、风速风向、烟雾等现场数据，并进行压缩预处理后，与节点位置、 收集信息时间等信息实时传输到基站，帮助防火部门有效地确定资源配置方案， 快速监测到潜在的火险。 基站子系统需要处理来自数据采样和收集子系统的所有信息，并对数据进 行处理，然后结合g i s 系统，确定传感器节点与火险的位置、地形以及森林资 源的各种属性，对异常情况报警。其次，基站必须完成林火行为分析，预测火 灾蔓延方向。最后，还需要对火点救援进行分析并进行损失评估报告。 响应子系统使得远程用户包括管理部门能够通过网络实时掌握基站的火险 监测信息，并制定相应的响应措施。响应子系统还须实时显示火情监测信息， 并将所有信息向网络发布，同时向相关人员发送火点信息手机短信。 江苏大学硕士学位论文 图2 1 基于w s n 技术的森林火灾监测模型 火灾监测工作的主要流程如下：由布放在森林中各个角落的异构集成传感 器对周围环境信息进行感知，以一定的频率对林区数据进行采集，当发现异常 数据时，节点打开收发器，向网关节点发送该数据，其间可能需要经由中继节 点转发。网关节点对传感器节点采集的数据进行数据冗余的处理。融合后的信 息，发送到基站子系统，基站对数据进行详细的分析处理后，对森林中各个部 分进行火险预测预报。最后将预测结果传送给响应子系统，响应系统通过分析 相应的火情监测信息，并做出相应的响应。 2 1 1 森林防火的无线传感器网络 ( 1 ) 森林防火的w s n 结构图 森林防火的无线传感器网络结构如图2 2 所示，在森林火灾监测系统中假 如需要监测的森林区域就是图2 2 中所标示的监测区域l 和监测区域2 。监测区 域l 内是一个多跳的无线网络，该网络类似于a dh o e 网络，网络中各节点都具 有路由功能，可以互相协作，将采集到的数据发送至网关节点。监测区域2 内 是一个单跳的无线网络，由于和信息收集节点的距离在无线通信范围内，因此 数据可以直接传送到网关节点。传输网络是一个本地网络。网关节点将处理后 的数据通过传输网络送至基站。基站由一些功能强大的电脑组成。负责对传感 1 2 江苏大学硕士学位论文 器节点收集到的数据进行复杂的分析处理。 图2 2 基于无线传感器网络的森林火灾监测结构图 森林防火的无线传感器网络是无源的，而且节点工作于阳光充足的室外， 为了延长节点的生存时间，在此配备一个微型的太阳能发电模块。传感器模块 负责采集数据，经模数转换模块后变成微处理器可以处理的数字信号，经简单 处理后存入存储模块，最后通过无线收发模块发送出去。此外，节点定位模块 主要是用来对森林火灾发生地点进行确定。传感器节点散布在森林的各个地方， 可以从节点收集的信息以及自身的位置来判断森林中某个地方是否发生火灾。 ( 2 ) 传感器节点及其部署与拓扑机制 用于森林火灾监测的传感器节点需要满足体积小、精度高、生命周期长的 要求。由于森林环境的复杂性以及森林环境对于外来设备的敏感性，需要尽量 减少传感器节点的体积，并采用异构的传感器节点；为了获得周围环境的确切 参数，传感器节点需要装备多种高精度的传感器；为了延长传感器网络部署的 有效时间，增强传感器网络的实用性，需要传感器节点具有可能长的生命周期 【2 9 1 。目前应用比较多的是加州大学伯克利分校研制的m o t e 节点。m o t e 节点通 过扩展板的方式带有一个专用的传感器板，板上载有光照传感器、温湿度传感 器以及大气压传感器等多种传感器，此处的大气压传感器可以作为风速和风向 测量仪【引。 。 1 3 江苏大学硕士学位论文 综合考虑网络节点的传感和通信能力，结合森林火险预测预报模型和地形、 植被、气象等特点，研究面向森林火险监测预报的传感器节点部署与拓扑机制， 降低系统成本。在研究节点部署时，要综合考虑节点覆盖、连通性和节能三个 方面的性能。这些方面的研究涉及到覆盖程度的调节、节点采集频率的转换、 节点的休眠、对邻居节点覆盖范围的判定等等。可采取了以下解决方法：用 已经掌握的森林火险预报模型，根据预测的模拟结果，指导性地布置不同精度、 密度的传感器节点。根据实际的参数分布梯度确定节点的位置分布和合理的密 度分配，以期提高整个网络的覆盖、连接效率，减少初始化的时问，节约了系 统能量；为了更准确的预报森林火险，考虑多参数测量从不同角度监测物理 一环境，通过参数间的耦合信息，指导目标区域的覆盖和监测工作，也就是在监 测区域中布置异构的传感器节点；在监测过程中有突发事件发生时( 火灾发生 等导致异常数据) ，进入火险预测预报模型，触发相应的调度算法。进一步量 化连接和覆盖关系问题。 ( 3 ) 森林防火中传感器需要采集的数据 森林防火中，传感器节点需要采集的数