一种应用于森林防火中的无线传感器系统的制作方法

一种应用于森林防火中的无线传感器系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种应用于森林防火中的无线传感器系统，其包括：传感器节点，中心节点以及远程监控系统，其中传感器节点间以及传感器与中心节点间的通信协议，为Zigbee通信协议；中心节点间与远程监控软件间采用Adhoc通信协议，三个级别的体系结构和两个通信协议构成了森林防火系统的主体，协议担负系统中数据的流动，三个级别的体系结构分别对应数据源、数据传输和最终数据处理功能。本发明的森林防火系统在节能、构架、软硬件设计、环保、成本以及拓展性方面都具有一定的创新性。
【专利说明】一种应用于森林防火中的无线传感器系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及移动互联网及通信【技术领域】，尤其涉及应用于森林防火中的无线传感器系统。
【背景技术】
[0002]森林火灾是一种突发性强、破坏性大、处置和救助较为困难的自然灾害。其危害非常严重，不仅毁坏林木，造成大量动植物死亡，还会改变森林气候，破坏大自然的生态平衡，造成经济上的巨大损失和生态环境的严重破坏。
[0003]森林火情监测，是森林防火工作的重要内容，同时也是控制和扑灭森林火灾的重要基础。目前，常规的林火监测主要依靠地面人员巡护、嘹望台定点观测、航空巡逻等措施。然而，仅依靠巡护员徒步监测火情远远不够，嘹望台造价较高，飞机观测耗资大，且受到诸多限制，因此常规的监测措施无法有效侦测火情。为了减少森林火灾造成的各类损失，世界各国都非常重视森林防火研究。
[0004]随着科学技术的发展，高科技不断被应用到林火监测中，森林防火工作日益走向高科技、智能化、系统化、综合化。环境监测是一类典型的传感器网络的应用。与传统的环境监控手段相比，使用传感器网络进行环境监控有三个显着的优势:一是传感器节点的体积很小且整个网络只需要部署一次，因此部署传感器网络对监控环境的人为影响很小。这一点在对外来生物活动非常敏感的环境中尤其重要。二是传感器网络节点数量大，分布密度高，每个节点可以检测到局部环境的详细信息并汇总到基站，因此传感器网络具有数据采集量大，精度高的特点。三是无线传感器节点本身具有一定的计算能力和存储能力，可以根据物理环境的变化进行较为复杂的监控，传感器节点还具有无线通信能力，可以在节点间进行协同监控。通过增大电池容量和提高电池使用效率，以及采用低功耗的无线通信模块和无线同协议可以使传感器网络的生命期延长很长时间，这保证了传感器网络的实用性。节点的计算能力和无线通信能力使得传感器网络能够重新编程和重新部署，对环境变化、传感器网络自身变化以及网络控制指令做出及时反应，因而传感器网络适用于多种环境监测应用中。

【发明内容】

[0005]本申请涉及一种应用于森林防火中的无线传感器系统，其包括:传感器节点，中心节点以及远程监控系统，其中传感器节点间以及传感器与中心节点间的通信协议，为Zigbee通信协议；中心节点间与远程监控软件间采用Adhoc通信协议，三个级别的体系结构和两个通信协议构成了森林防火系统的主体，协议担负系统中数据的流动，三个级别的体系结构分别对应数据源、数据传输和最终数据处理功能。
[0006]通过无线传感器节点与中心节点通信方法、中心节点与中心节点多跳数据传输方法以及中心节点自身的软件设计三个部分，设计了一个传感器节能以及无线传感器网络整体节能工作的方案。极大地延长了森林防火系统的生存周期，并且紧紧围绕防火预警为核心。设计并构建了最为基础的森林防火的一级体系结构，夯实了整个系统稳定工作的基础。尤其在单个节点的设计中，使用了比较简明的应用设计构架，通过修改Zigbee协议隐藏诸多细节，使其在流量分发、拓扑管理和通信的折衷处理变得透明，有利于保障整个的软件开发的速度和质量。
【专利附图】

【附图说明】
[0007]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0008]图1为一级体系结构与二级体系结构的关系图；
图2为中心节点构成的二级体系结构示意图；
图3为三个级别体系结构分工示意图；
图4为无线传感器森林防火系统；
图5为中心节点的构架结构图。
【具体实施方式】
[0009]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清除、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范畴。
[0010]无线传感器节点在森林防火系统中承担着重要作用，是整个系统中的感知部分，同时传感器节点的生命周期也是整个系统生命周期的基本单位。因此，无线传感器是森林防火系统的基础。尤其是在森林环境下，其湿度、温度等周边条件较为恶劣，严重影响电子器件的生存时间。另一个重要问题是，无线传感器节点使用的是纽扣电池有源电源，在野外环境下由于环境复杂，会导致电源能量衰减速度增加，会加速无线传感器节点的死亡。因此，对无线传感器在森林极端条件下的适应能力的研究是非常重要的。
[0011]通过无线传感器节点构成无线传感器网络覆盖以中心节点为监控区域中心为一级级体系，中心节点与中心节点间构成多跳传输网络为二级体系，中心节点和远程监控端构成三级体系的构架，采用采用模块化结构的方法进行设计。其中一、二和三级体系结构之间通过特定的传输协议彼此关联，实施并行研究与开发。
[0012]如图1所示，一级体系结构以传感器节点为基础构成一个完整的传感器网络，每个传感器节点有独立的软件和通用的通信协议，传感器与传感器节点之间具备多跳数据传输的能力，具备汇聚功能。而单个传感节点与中心节点也具备传输功能，传感器网络的数据最终通过网络中某单个节点与中心节点进行数据传输。图1中节点A在中心节点信号覆盖之外，因此节点A通过邻接点B通过多跳方式将数据以A->B->C的方式传输给中心节点。而其他节点直接与中心节点相邻，因此一跳即可完成与数据中心的数据传输。传感器节点与传感器节点以及传感器节点与中心节点传输主要使用Zigbee协议。
[0013]传感器网络与中心节点通过定制的通信协议彼此通信，只要传感器网络节点能够彼此通过一跳或多跳完成数据传输，且传感器网络节点中至少有一个在中心节点的覆盖范围内，则整个传感器网络节点只需要遵守与中心节点通信协议一致，并默认中心节点为数据汇聚中心即可。因此，在一级体系结构设计中，必须保证通信方式与协议与中心节点保持一致性，由中心节点构成的二级体系结构与一级体系结构就可以彼此分开，彼此独立完成设计。
[0014]图2中主要表明，中心节点构成的二级体系结构数据传输之间的关系。中心节点间数据传输使用WIFI作为通信的载体，使用Adhoc方式进行通信。中心节点类似于传感器汇聚中心，也担负着主干多跳数据传输物理链路。其主要的任务就是将无线传感器收集的信息经过加工处理后，以多跳的方式将所有数据汇聚到Inernet上，在远程监控端进行最终的数据融合与处理。由中心节点构成的二级体系结构与远程监控端的链接也是通过定制协议进行通信和连接的，因此，中心节点只要保证与远程监控端采用统一标准的通信协议和保证在同一网段参数即可通信，二者可以彼此独立进行开发。
[0015]综上所述，无线传感器网络森林防火系统的开发可以将系统分解为三个大的模块进行。
[0016]图3描述了三个模块间彼此联系的纽带一通信协议。协议部分只需要设计两个就可以，即协议I (传感器节点与中心节点间)与协议2 (中心节点与远程监控软件)以及相应的传输数据格式。传感器网络部分(含传感器节点)、中心节点与远程监控端可以独立设计。
[0017]根据设计思路的方案，无线传感器网络森林防火系统的整体方案所包含的三个模块共同构成了森林防火系统，整体构架方案如图3所示:
图4中，表明了传感器节点间以及传感器与中心节点间的通信协议，即Zigbee通信协议；中心节点间与远程监控软件间采用Adhoc通信协议。因此，整个系统结构中，三个级别的体系结构和两个通信协议构成了森林防火系统的主体。协议担负系统中数据的流动，三个级别的体系结构分别对应数据源、数据传输和最终数据处理功能。由于传感器节点极其构成的网络系统处于森林环境，电源供给存在一定的困难，在设计上必须时刻以节能设计为核心，在合理分配数据流、处理数据、发送数据的过程中，尽量减少电能的消耗，使系统尽可能地延长有效时长。
[0018](I)无线传感器节点设计
无线传感器网络中的节点一般采用电池供电，可以使用的电量非常有限，而对于有成千上万节点的无线传感器网络来说，对电池的更换是非常困难，甚至是不可能的。但是无线传感器网络的生存时闻却要求长达数月甚至数年。因此，如何在不影响功能的前提下，尽可能节约无线传感器网络的电池能量成为无线传感器网络软硬件设计中的核心问题，也是当前国内外研究机构关注的焦点。
[0019]传感器节点由处理器模块、通信模块、传感器模块和能量供应模块4部分组成。其中，前3个模块消耗能量，由于传感器模块消耗能量相对较低，目前研究的重点主要集中在处理器模块和通信模块上。处理器模块节能策略通常有动态电压调节(Dynamic VoltageScaling, DVS)和动态功率管理(Dynamic Power Management, DPM)。前者的工作原理是当计算负载较低时，通过降低微处理器的工作电压和频率，从而降低处理能力，可以节约微处理器的能耗；后者是利用当节点周围没有感兴趣的事件发生时，部分模块处于空闲状态，把这些组件关掉或调到更低能耗的状态，以延长节点寿命。通信模块消耗能量是最多的，故为其制定有效的节能策略尤为重要，主要包括控制节点通信流量，合理安排工作休眠时间以及采用多跳通信方式等。无线传感器部分主要包括:低功耗硬件研究和节能软件设计两个部分组成；而网络节能优化主要包括流量分发、拓扑管理和计算和通信的折衷处理等三个组成部分。
[0020]I)单传感器节点设计 ①低功耗硬件设计
ZigBee技术是一种近距离、低功耗、低数据速率、低复杂度的双向无线通信技术，适用于无线传感器网络。
[0021]②节能软件设计
节点能耗绝大部分消耗在无线通信部分，传感节点使用无线方式传输I b到100 m远所消耗的能量可供执行3 000条指令。可见，如何有效传输数据，合理安排工作休眠时间对于节约传感节点能耗有着直接影响，这也是软件设计应重点考虑的问题。
[0022]为了实现传感节点的低功耗以及更优的测量性能，设计时采用工作模式的选择，通过无线配置传感节点的工作参数，使节点能够按照实际需要控制采集的时机和速率，从而降低能耗，以延长节点寿命。节点工作分空闲模式、触发模式、主动模式3种。其中，空闲模式下的节点大部分时间处于休眠状态，只是周期性的唤醒检查有无来自服务器的控制命令，以更好地节约能耗；触发模式下RF关闭，只有当传感器测量值达到设定门限后才触发RF进行无线数据收发，同时可以根据不同的门限选择相应的采样率，适用于如森林火灾等突发情况的监测和预警；主动模式下传感节点按配置的采样率进行数据采集发送，周期性转入休眠并自动唤醒。考虑到无线传感器在一定程度上需要实时地传输数据，使用触发模式无法提供实时的温度和湿度数据，因此，在设计上采用周期休眠机制与主动模式相结合的方法，使传感器节点工作时节能性能达到最优。另外，当采集的数据(温度或湿度)没有达到预设的阈值时，传感器节点会根据上一次采集的数据进行简单综合性分析，如果变化不是非常明显时，则不再发送数据，达到通过减少发送数据量的方法进一步节能。
[0023]另外，由于在森林环境下，自然火情发生有一定的规律性，一般是指某项参数在某段时间内呈线性或非线性递增趋势，直至灾害的发生。此段数据是具备可计算特点，在程序中引入卡尔曼滤波方法，根据上一次接收的结果对下一次可能出现的参数变化，根据预测的下一次数据的值，确定传感器节点当前采用的模式。决定该传感器节点是否根据火情预测的结果加速传输数据，做到在灾害未发生前提供充足的数据信息，为远程端的值班人员或监测人员提供决策依据。总体而言，节能软件的设计考虑节能的情况一般指当前火情参数属于正常值范围内的一种节能，但当火情参数发生异常波动趋于危险时，传感器节点将采用主动模式，不惜电能的消耗，将当前获得的参数发送至中心节点，以期待获得较好实时性，给处理人员以充足的时间进行反应。
[0024]传感器节点软件初始化默认是主动模式，当检测到当前数据没有超过阈值或与前一次数据进行卡尔曼滤波后估测值出现危险趋势时，传感器节点将工作模式切换为周期休眠模式，以降低发送数据所带来的成本。使用Zigbee协议传输数据时，根据邻居节点会自动产生多跳。在传感器节点软件中使用的卡尔曼滤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，设X(OlO)=I度，P(OlO)=IO0反复叠代即可估算出下一时刻的温度，通过估算值是否增幅操作危险温度值判断火灾发生的可能性，因此可以增加数据发送的频度。湿度也使用公式(I)?(5)预测下一个可能出现的值。这样可以尽可能地保证系统的可靠性和安全性。
[0025]2)无线传感器网络优化设计
①流量分发
流量是与传感器网络生命周期密切相关的一个关键点，减少网络中冗余数据的传递，是节能的一种非常有效的手段。在单节点中，使用阈值判断和卡尔曼滤波方法降低了无效包的发送几率。但在整个网络中存在大量的传感器节点，节点间的彼此请求及交互信息也会大大增加网络流量，浪费大量宝贵的电池能量。对整个无线传感器网络而言，需要从全局上考虑如何将流量从数据源传递到目的地，这里的重要问题是如何在源和目的地之间找到一条节能的多跳路由。节能路由是在普通的路由协议基础上，考虑相关的能耗因素，引入新的与电源消耗有关的衡量指标，实现能耗的节约。最简单的节能路由协议是最少能量路由，即寻找一条能耗最低的路由，通过它传送数据。但这样未必能延长网络的生存时间，因为某些处于关键位置的节点可能被过度使用而导致电源过早耗尽。为避免这种情况，最大最小路由使得节点的剩余电量尽可能多，即最大化节点的最小剩余电量。最大最小路由更多的考虑了电池的剩余电量，而最少能量路由考虑的是某次通信需要消耗的电量。
[0026]需要在Zigbee协议增加一个电池电量标记,在传输中如果发现当前节点电能低于传输过程中各个节点平均电能，则向上一个节点发送修改路由请求，建议上一个节点在下次传输时，不需要首先考虑当前节点作为传输数据的关键点。在实现上只需要在Zigbee协议中修改邻居节点和路由记录表传输过程中经过的每个节点的电量，当有建议修改请求时，只需要将该节点移动到该链表的尾节点即可。这样在传输查询时优先头节点，间接地降低了电能低的传感器节点传输。明显地可以看出，整个表未采用排序的方法排列节点电量的高低，而是通过“头删除，尾插法”的方式，完成路由表的调整，尽可能地将流量分派到电能比较高的节点上。
[0027]②拓扑管理
节点密度都比较高，因为提高节点密度可以提高结果的精确度，但如果系统生存时间更重要的话，就可以对网络拓扑进行管理，利用相对较少的节点进行跟踪。这样，除了减少计算复杂度之外，也降低了通信开销，因为没有参与跟踪的节点不会发送数据。拓扑管理中最重要的策略是“邻居节点发现策略”，由于森林环境下，节点布撒之后其位置一般不发生改变，因此，在Zigbee协议中不再频繁地与周围节点进行沟通，即不进行频繁地广播。当且仅当某条通讯链路失效时，则会引发新一轮对周围邻居节点的查询，及时更新通讯的路由表。
[0028]③通信的折衷处理
缩减数据流长度也是有效的节能手段。在无线传感器网络中，由于节点的高密度，使得同一时间被多个微传感节点同时感知并捕获处理，导致了数据采集的冗余性。在选定节点将一定区域内节点的数据进行汇聚或者融和，然后再将结果传送出去，不但可以提高事件/数据监测的可靠性，也可有效降低通信流量，从而节约能耗。
[0029]3)传感器节点发送的数据格式
在一级体系结构中，最基本的单元室单个无线传感器节点，每个节点按照各自的软件流程采集温度和湿度信息，则需要按照一定的规则将数据发送至中心节点。该数据格式必须严格遵守特定的格式，供中心节点接收并使用。
[0030]表1传感器节点发送的数据格式
【权利要求】
1.一种应用于森林防火中的无线传感器系统，其包括:传感器节点，中心节点以及远程监控系统，其中传感器节点间以及传感器与中心节点间的通信协议，为Zigbee通信协议；中心节点间与远程监控软件间采用Adhoc通信协议，三个级别的体系结构和两个通信协议构成了森林防火系统的主体，协议担负系统中数据的流动，三个级别的体系结构分别对应数据源、数据传输和最终数据处理功能。
2.如权利要求1所述的无线传感器系统，其中传感器节点由处理器模块、通信模块、传感器模块和能量供应模块4部分组成，其中，前3个模块消耗能量，由于传感器模块消耗能量相对较低，处理器模块节能策略通常有动态电压调节(Dynamic Voltage Scaling, DVS)和动态功率管理(Dynamic Power Management, DPM),前者的工作原理是当计算负载较低时，通过降低微处理器的工作电压和频率，从而降低处理能力，可以节约微处理器的能耗；后者是利用当节点周围没有感兴趣的事件发生时，部分模块处于空闲状态，把这些组件关掉或调到更低能耗的状态，以延长节点寿命，通信模块消耗能量是最多的，故为其制定有效的节能策略尤为重要，主要包括控制节点通信流量，合理安排工作休眠时间以及采用多跳通信方式，为了实现传感节点的低功耗以及更优的测量性能，设计时采用工作模式的选择，通过无线配置传感节点的工作参数，使节点能够按照实际需要控制采集的时机和速率，从而降低能耗，以延长节点寿命；节点工作分空闲模式、触发模式、主动模式3种，其中，空闲模式下的节点大部分时间处于休眠状态，只是周期性的唤醒检查有无来自服务器的控制命令，以更好地节约能耗；触发模式下RF关闭，只有当传感器测量值达到设定门限后才触发RF进行无线数据收发，同时可以根据不同的门限选择相应的采样率，适用于如森林火灾等突发情况的监测和预警；主动模式下传感节点按配置的采样率进行数据采集发送，周期性转入休眠并自动唤醒，考虑到无线传感器在一定程度上需要实时地传输数据，使用触发模式无法提供实时的温度和湿度数据，因此，在设计上采用周期休眠机制与主动模式相结合的方法，使传感器节点工作时节能性能达到最优，另外，当采集的数据(温度或湿度)没有达到预设的阈值时，传感器节点会根据上一次采集的数据进行简单综合性分析，如果变化不是非常明显时，则不再发送数据，达到通过减少发送数据量的方法进一步节能；对于无线传感器网络的流量分发，需要在Zigbee协议增加一个电池电量标记，在传输中如果发现当前节点电能低于传输过程中各个节点平均电能，则向上一个节点发送修改路由请求，建议上一个节点在下次传输时，不需要首先考虑当前节点作为传输数据的关键点；在实现上只需要在Zigbee协议中修改邻居节点和路由记录表传输过程中经过的每个节点的电量，当有建议修改请求时，只需要将该节点移动到该链表的尾节点即可，这样在传输查询时优先头节点，间接地降低了电能低的传感器节点传输，明显地可以看出，整个表未采用排序的方法排列节点电量的高低，而是通过“头删除，尾插法”的方式，完成路由表的调整，尽可能地将流量分派到电能比较高的节点上。
3.如权利要求1所述的无线传感器系统，其中的远程监控系统，该系统由传感器探测节点、汇聚节点、数据库服务器、中心服务器和Web服务器组成，该系统是由大量具有温度、湿度、光亮度和大气压力采集功能、无线通信与计算能力的微小传感器探测节点构成的自组织分布网络系统，每个探测节点具有数据采集与路由功能，探测节点把数据发送到汇聚节点，由汇聚节点负责融合、存储数据，并把数据通过Internet传送到数据库服务器，中心服务器分析数据库服务器的数据，对森林火险进行监测预报并将所有信息置于WEB服务器。
【文档编号】H04W84/18GK103702444SQ201310716411
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月23日 优先权日:2013年12月23日
【发明者】袁东锋, 齐立磊, 吴绍兴, 贺晨阳, 王建强 申请人:南阳理工学院