火災(zāi)危險無處不在．嚴(yán)重影響人類的生產(chǎn)、生活和生命交全，在對環(huán)境的危險程度未知的情況下，消防人員直接進入火災(zāi)現(xiàn)場進行偵察和滅火工作，是非常危險的。由具有感知能力、計算能力和通信能力的微型傳感器組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以替代消防人員在危險的火災(zāi)環(huán)境中進行偵察工作，在火災(zāi)發(fā)生時，微型傳感器實時感知現(xiàn)場環(huán)境信息，并將環(huán)境信息傳送到后方，人們就可以不需進入現(xiàn)場而知道詳細的火災(zāi)情況。

1、用于消防系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一組傳感器以Ad Hoc方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域中感知對象的信息。用于消防系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器接點應(yīng)該具有耐熱特性，并且對溫度具有敏感的感知能力，通過網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)傳感器溫度的變化情況及其位置信息，實現(xiàn)對火情的實時監(jiān)控。此系統(tǒng)示意圖如圖1所示。這些接點完成通常的數(shù)據(jù)采集、計算以及互聯(lián)功能，它們通過傳感器網(wǎng)絡(luò)將信息傳送給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)對這些數(shù)據(jù)做出響應(yīng)，并通過本地傳輸網(wǎng)絡(luò)送到遠端基站，基站通過互聯(lián)將數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，最后數(shù)據(jù)通過終端界面?zhèn)魉徒o消防人員。

由于布置于火災(zāi)現(xiàn)場的傳感器網(wǎng)絡(luò)成本問題和節(jié)點能量十分有限，而且節(jié)點無法補充，因而不適宜每個節(jié)點都裝備高成本、高能耗的GPS設(shè)備，實際上，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)常采用分布式的節(jié)點定位算法。定位算法根據(jù)是否測量距離，可分為距離有關(guān)的和距離無關(guān)的2種。距離有關(guān)的通過測量距離角度等信息進行定位，對硬件要求較高且成本較高。受無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)施限制，相對于花費較高的基于距離的方法，距離無關(guān)機制被認(rèn)為是性價比較高的選擇。

2、DV—hop定位算法

DV—hop算法是一種距離無關(guān)的定位算法，由NICULESCU D等在Navigate項目中提出，適用于Ad—Hoc網(wǎng)絡(luò)，并且在密集網(wǎng)絡(luò)中得到了大約射程范圍的1／3的精確度。在一個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，包含傳感器節(jié)點和錨節(jié)點。錨節(jié)點不僅可進行單級廣播，而且可把其位置信息廣播給整個網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點。節(jié)點根據(jù)接收到的錨節(jié)點位置、錨節(jié)點的跳數(shù)和每一跳的平均距離計算出自己的位置。該算法的實現(xiàn)大致分為如下3個階段。

（1）距離矢量交換階段。在該階段中，DV—hop算法采用類似于經(jīng)典的距離矢量路由算法的機制，使得網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都知曉其與各參考節(jié)點的跳數(shù)。為此，每個節(jié)點都維護著一個表{xi，yi，hi}，其中，xi，yi為參考節(jié)點i的坐標(biāo)，hi為該節(jié)點到參考節(jié)點i的跳數(shù)。在初始時，參考節(jié)點向鄰接節(jié)點廣播一個信標(biāo)（數(shù)據(jù)包），其中包含它的坐標(biāo)以及跳數(shù)，其初始值為1。鄰居節(jié)點接收到信標(biāo)后，將跳數(shù)加1后繼續(xù)向它的鄰居廣播（除了來源方向），如此通過洪泛的方式向整個網(wǎng)絡(luò)傳播。如果某節(jié)點接收到來自相同參考節(jié)點的多個信標(biāo)，則表明它到該參考節(jié)點有多條路徑。此時，節(jié)點將保留含有最小跳數(shù)值的信標(biāo)，而忽略其他信標(biāo)，這就保證了所得到的跳數(shù)值是它到參考節(jié)點的最短路徑。經(jīng)過這個過程，只要整個網(wǎng)絡(luò)是連通圖，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點（包括參考節(jié)點）都能得到各參考節(jié)點的坐標(biāo)，以及它到各參考節(jié)點的最短距離，也就是跳數(shù)。圖2中以單個參考節(jié)點為例，表示跳數(shù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳播過程，其中圓形表示節(jié)點的通信半徑。

（2）校正值計算與廣播階段。該階段中，每個參考節(jié)點在獲得其他參考節(jié)點位置和相隔跳數(shù)后，計算網(wǎng)絡(luò)平均每跳距離，然后將其作為一個校正值廣播至網(wǎng)絡(luò)中，參考節(jié)點i的平均每跳距離，也就是校正值。其計算方法如下：

式（1）中，（xi，yi），（xi，yi）分別是參考節(jié)點i與j的坐標(biāo)；hij表示參考節(jié)點i到參考節(jié)點j的跳數(shù)。

接下來，各參考節(jié)點進行第一次廣播，將其校正值以洪泛的方式在網(wǎng)絡(luò)中傳播。同樣，當(dāng)一個節(jié)點接收到了第一個校正值后，便丟棄所有后來者，這個策略確保了絕大多數(shù)節(jié)點從最近的參考節(jié)點接收校正值。這就意味著該校正值能夠比較真實地反映出該節(jié)點周圍的平均每跳距離。

未知節(jié)點接收到校正值后，便用校正值與跳數(shù)的乘積來近似代替它到各個參考節(jié)點的距離，最后進入第三階段的坐標(biāo)計算，即：

（3）坐標(biāo)計算階段。未知節(jié)點利用第二階段記錄得到各個信標(biāo)節(jié)點的跳段距離，利用三邊測量法或極大似然估計法計算自身坐標(biāo)。若未知節(jié)點u接收到n個參考節(jié)點的位置信息（x1，y1），（x2，y2），…，（xn，yn），并且在上述階段計算中到各參考節(jié)點的近似距離為d21，d22，…，d2n，則通過下列方程組得出未知節(jié)點u的坐標(biāo)從第一個方程開始分別減去最后一個方程，得：使用標(biāo)準(zhǔn)的最小均方差估計方法，可以得到節(jié)點u的坐標(biāo)為：

從第一個方程開始分別減去最后一個方程，得：

式（4）的線性方程可表示為：

使用標(biāo)準(zhǔn)的最小均方差估計方法，可以得到節(jié)點u的坐標(biāo)為：

只要ATA非奇異，節(jié)點u的坐標(biāo)X就有惟一解。

3、火災(zāi)現(xiàn)場定位原理

在火災(zāi)現(xiàn)場，火勢從火源開始向四周呈不規(guī)則的散射狀蔓延，在這個過程中，傳感器節(jié)點所在位置的可燃物經(jīng)歷了引燃、陰燃、明火燃燒、轟然、燃盡等燃燒過程，可按溫度變化劃分為燃燒前、燃燒中和燃燒后3個階段，溫度變化示意圖如圖3所示。從傳感器監(jiān)測到的溫度變化情況，可以判斷節(jié)點所在位置的火情：火勢是否正在逼近；是否開始燃燒；是否已經(jīng)燃燒完畢。在火勢蔓延區(qū)域，利用DV—hop算法獲得傳感器節(jié)點的位置信息，結(jié)合節(jié)點的溫度變化情況，就可以實時畫出火勢蔓延圖（見圖4），得知火場態(tài)勢。

4 、結(jié) 語

在此將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于消防系統(tǒng)，提出通過對傳感器節(jié)點的定位，結(jié)合節(jié)點處溫度變化情況，實現(xiàn)對火場環(huán)境的實時監(jiān)控。DV—hop算法只需要較少的錨節(jié)點，計算和通信開銷適中，不需要節(jié)點具備測距能力，是一個可擴展的算法。對于密集網(wǎng)絡(luò)，平均每跳距離接近于實際距離，可以得到合理的平均每跳距離，從而能夠達到較高定位精度。而且，隨著感溫探測器技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)工作環(huán)境溫度為一40～+900℃的傳感器節(jié)點已成為可能。因此，該技術(shù)在有效定位與跟蹤火源、火情上具有很好的可實現(xiàn)性和很高的應(yīng)用價值。

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