CN108093080A - 一种基于无线传感器网路的智能建筑消防监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于无线传感器网路的智能建筑消防监控系统，包括消防监控中心和用于火灾烟雾监测的无线传感器网络，所述的无线传感器网络包括汇聚节点以及多个部署于设定的建筑监测区域内的传感器节点，所述传感器节点经过汇聚节点连接消防监控中心的输入端。本发明实现了对建筑的智能消防监控。

Description

一种基于无线传感器网路的智能建筑消防监控系统

技术领域

本发明涉及消防监控技术领域，具体涉及一种基于无线传感器网路的智能建筑消防监控系统。

背景技术

随着传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术和半导体与微机电系统制造技术的飞速发展，具有感知、计算存储和通信能力的微型传感器应用于军事、工业、农业和宇航各领域。无线网络传感器是集传感器执行器、控制器和通信装置于一体。集传感与驱动控制能力、计算能力、通信能力于一身的资源(计算、存储和能源)受限的嵌入式设备。由这些微型传感器构成的无线传感器网络能够实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种监测对象信息，并对这些信息进行处理，传送给需要这些信息的用户。无线传感器网络具有价格低廉、体积小、组网方便、灵活等特点。这里将无线传感器网络引入安全保护系统，充分发挥无线传感器网络的优点，以提高智能仓库安全保护系统的整体性能。智能仓库安全保护系统具有自身的特点。其传感器节点可以有针对性的预先布置，因而具有相对固定的网络拓扑结构，网络通信和路由协议等也具有其特点。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种基于无线传感器网路的智能建筑消防监控系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了一种基于无线传感器网路的智能建筑消防监控系统，包括消防监控中心和用于火灾烟雾监测的无线传感器网络，所述的无线传感器网络包括汇聚节点以及多个部署于设定的建筑监测区域内的传感器节点，所述传感器节点经过汇聚节点连接消防监控中心的输入端。

优选地，所述传感器节点包含火灾烟感传感器、模数转换电路、放大电路、定位模块、微控制器模块、无线通信模块和电源模块，所述每个火灾烟感传感器的输出端依次经过模数转换电路、放大电路连接微控制器模的输入端，所述定位模块、无线通信模块和电源模块分别与微控制器模块连接，所述无线通信模块包含控制器模块以及与其连接的无线射频发射器。

优选地，所述的消防监控中心包括信息处理模块和报警模块，信息处理模块用于处理无线传感器网络发送的火灾烟雾信息，检测火灾烟雾信息是否超出设定的警戒范围，所述的报警模块用于在检测火灾烟雾信息超出设定的警戒范围时执行报警。

优选地，所述的无线传感器网络采用的网络模型为：将建筑监测区域划分为多个大小相等的虚拟的正方形监测子区域，每个正方形监测子区域内的传感器节点通过竞选选出一个骨干节点，剩余的传感器节点作为火灾烟雾监测节点，其中骨干节点用于收集所在正方形监测子区域内火灾烟雾监测节点采集的火灾烟雾信息，所有骨干节点在自身的通信范围下构成连通网络，各火灾烟雾监测节点通过单跳模式与所属正方形监测子区域内的骨干节点进行通信。

本发明的有益效果为：采用无线传感器网络对建筑物多个角落的烟雾参数进行实时监控，其具有价格低廉、体积小、组网方便、灵活等特点，将无线传感器网络引入安全保护系统，充分发挥无线传感器网络的优点，以提高建筑消防安全保护系统的整体性能；一旦发生火灾，消防监控中心立即进行有效措施，对安全事故进行紧急处理，避免人员财产损失。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1本发明的结构框图；

图2是本发明消防监控中心的连接框图。

附图标记：

消防监控中心1、无线传感器网络2、信息处理模块3、报警模块4。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

参见图1、图2，本实施例提供的一种基于无线传感器网路的智能建筑消防监控系统，包括消防监控中心1和用于火灾烟雾监测的无线传感器网络2，所述的无线传感器网络2包括汇聚节点以及多个部署于设定的建筑监测区域内的传感器节点，所述传感器节点经过汇聚节点连接消防监控中心1的输入端。

在一个实施例中，所述传感器节点包含火灾烟感传感器、模数转换电路、放大电路、定位模块、微控制器模块、无线通信模块和电源模块，所述每个火灾烟感传感器的输出端依次经过模数转换电路、放大电路连接微控制器模的输入端，所述定位模块、无线通信模块和电源模块分别与微控制器模块连接，所述无线通信模块包含控制器模块以及与其连接的无线射频发射器。

在一个实施例中，所述的消防监控中心1包括信息处理模块3和报警模块4，信息处理模块3用于处理无线传感器网络2发送的火灾烟雾信息，检测火灾烟雾信息是否超出设定的警戒范围，所述的报警模块4用于在检测火灾烟雾信息超出设定的警戒范围时执行报警。

在一个实施例中，所述的无线传感器网络2采用的网络模型为：将建筑监测区域划分为多个大小相等的虚拟的正方形监测子区域，每个正方形监测子区域内的传感器节点通过竞选选出一个骨干节点，剩余的传感器节点作为火灾烟雾监测节点，其中骨干节点用于收集所在正方形监测子区域内火灾烟雾监测节点采集的火灾烟雾信息，所有骨干节点在自身的通信范围下构成连通网络，各火灾烟雾监测节点通过单跳模式与所属正方形监测子区域内的骨干节点进行通信。

本发明上述实施例采用无线传感器网络对建筑物多个角落的烟雾参数进行实时监控，其具有价格低廉、体积小、组网方便、灵活等特点，将无线传感器网络引入安全保护系统，充分发挥无线传感器网络的优点，以提高建筑消防安全保护系统的整体性能；一旦发生火灾，消防监控中心立即进行有效措施，对安全事故进行紧急处理，避免人员财产损失。

在一个实施例中，设传感器节点中的最大通信半径为L_max，传感器节点中的最小通信半径为L_min，按照下列公式设定正方形监测子区域的规模：

式中，L表示正方形监测子区域的边长，r为设定的调节因子，其中设定r的取值范围为(0.4,0.6)。

本实施例中，无线传感器网络2被分为骨干节点和火灾烟雾监测节点两个层次，使得无线传感器网络2在结构上具有良好的拓展性，其中根据传感器节点的通信范围的实际情况控制正方形监测子区域的规模，能够在保证每个火灾烟雾监测节点与所属的骨干节点能够相互通信的前提下尽可能节省通信能量消耗，从而节约无线传感器网络2的火灾烟雾信息收集成本。

在一个实施例中，每个正方形监测子区域内的传感器节点通过竞选选出一个骨干节点，具体包括：

(1)开始时，每个传感器节点退避一个随机生成的小于T_o的时间来广播一个带有其所属正方形监测子区域的标识符以及当前状态值的选举包，T_o为设置消息发送或接收的超时时间，其中按照下列公式确定每个传感器节点的当前状态值：

式中，E_i为传感器节点i的当前状态值，U_i、U_imin分别表示传感器节点i的当前剩余能量、维持火灾烟雾信息采集功能所需的最低剩余能量，L_imax、L_imin分别为传感器节点i的最大通信半径、最小通信半径，L_max、L_min分别为传感器节点中的最大通信半径、最小通信半径，w₁、w₂为设定的权重因子且满足1>w₁>w₂>0；

(2)在相同的正方形监测子区域内，若传感器节点在一轮退避时间片内没有接收到其他当前状态值更大的选举包，则该传感器节点变为候选骨干节点，否则作为火灾烟雾监测节点并关闭其无线通道进入睡眠状态；

(3)当设定的超时时间T_o到期，变为候选骨干节点的传感器节点将变为最终的骨干节点，并向所在正方形监测子区域广播成功竞选消息，接收到成功竞选消息的传感器节点作为发送该成功竞选消息的骨干节点的成员，并向发送该成功竞选消息的骨干节点发送加入消息；

(4)每个选举出的骨干节点以最大功率广播“hello”包给相邻的骨干节点，并存储相邻骨干节点列表。

本实施例设置了骨干节点的竞选机制，其中当前状态值最优的传感器节点总是拥有成为骨干节点的更高优先权，使得选出的骨干节点能够更好地承担火灾烟雾信息汇聚的任务，有利于维护无线传感器网络2的稳定性，骨干节点的竞选机制保证了无线传感器网络2中任意个正方形监测子区域只竞选出一个骨干节点，使得骨干节点在无线传感器网络2的网络模型中分布均匀，有利于平衡无线传感器网络2的传感器节点的能量消耗，延长无线传感器网络2的网络生命周期。

在一个实施例中，所述的骨干节点与汇聚节点为多跳距离时，采用多跳传输的形式将汇聚的火灾烟雾信息传输至汇聚节点，其中，骨干节点获取其各邻居骨干节点作为下一跳中继节点的优先级，并从中选取优先级最大的邻居骨干节点作为下一跳中继节点，将汇聚的火灾烟雾信息发送至该下一跳中继节点，若选出的中继节点失效，骨干节点将在剩余的邻居骨干节点中选取优先级最大的邻居骨干节点作为备用节点。

其中，骨干节点的优先级按照下列公式计算：

式中，Q_j表示骨干节点v的第j个邻居骨干节点的优先级，K(v,sink)表示骨干节点v到汇聚节点的跳数，K(j,sink)表示骨干节点v的第j个邻居骨干节点到汇聚节点的跳数，l_j表示骨干节点v的第j个邻居骨干节点的最大通信半径，D(v,j)表示骨干节点v与其第j个邻居骨干节点之间的距离，U_j0、U_j分别表示骨干节点v的第j个邻居骨干节点的初始能量、当前剩余能量，d₁、d₂、d₃皆为设定的权重因子，且满足d₁+d₂+d₃＝1。

本实施例中，若选出的中继节点失效，骨干节点将在剩余的邻居骨干节点中选取优先级最大的邻居骨干节点作为备用节点，从而能够提供鲁棒的路由机制；骨干节点通过优先级选取下一跳中继节点，该量度综合考虑了邻居骨干节点距离汇聚节点的跳数、链路质量和能量三个方面的因素，能够保障路由的可靠性，并且有利于平衡无线传感器网络2中传感器节点的能量，提高无线传感器网络2的安全性，从而保障建筑消防监控系统的稳定运行。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (5)

1.一种基于无线传感器网路的智能建筑消防监控系统，其特征是，包括消防监控中心和用于火灾烟雾监测的无线传感器网络，所述的无线传感器网络包括汇聚节点以及多个部署于设定的建筑监测区域内的传感器节点，所述传感器节点经过汇聚节点连接消防监控中心的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网路的智能建筑消防监控系统，其特征是，所述传感器节点包含火灾烟感传感器、模数转换电路、放大电路、定位模块、微控制器模块、无线通信模块和电源模块，所述每个火灾烟感传感器的输出端依次经过模数转换电路、放大电路连接微控制器模的输入端，所述定位模块、无线通信模块和电源模块分别与微控制器模块连接，所述无线通信模块包含控制器模块以及与其连接的无线射频发射器。

3.根据权利要求2所述的一种基于无线传感器网路的智能建筑消防监控系统，其特征是，所述的消防监控中心包括信息处理模块和报警模块，信息处理模块用于处理无线传感器网络发送的火灾烟雾信息，检测火灾烟雾信息是否超出设定的警戒范围，所述的报警模块用于在检测火灾烟雾信息超出设定的警戒范围时执行报警。

4.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网路的智能建筑消防监控系统，其特征是，所述的无线传感器网络采用的网络模型为：将建筑监测区域划分为多个大小相等的虚拟的正方形监测子区域，每个正方形监测子区域内的传感器节点通过竞选选出一个骨干节点，剩余的传感器节点作为火灾烟雾监测节点，其中骨干节点用于收集所在正方形监测子区域内火灾烟雾监测节点采集的火灾烟雾信息，所有骨干节点在自身的通信范围下构成连通网络，各火灾烟雾监测节点通过单跳模式与所属正方形监测子区域内的骨干节点进行通信。

5.根据权利要求4所述的一种基于无线传感器网路的智能建筑消防监控系统，其特征是，每个正方形监测子区域内的传感器节点通过竞选选出一个骨干节点，具体包括：

(1)开始时，每个传感器节点退避一个随机生成的小于T_O的时间来广播一个带有其所属正方形监测子区域的标识符以及当前状态值的选举包，T_O为设置消息发送或接收的超时时间，其中按照下列公式确定每个传感器节点的当前状态值：

<mrow> <msub> <mi>E</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>w</mi> <mn>1</mn> </msub> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>U</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>U</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>min</mi> </mrow> </msub> </mrow> <msub> <mi>U</mi> <mi>i</mi> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msub> <mi>w</mi> <mn>2</mn> </msub> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>L</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>max</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>L</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>min</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>L</mi> <mi>max</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>L</mi> <mi>min</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> </mrow>

式中，E_i为传感器节点i的当前状态值，U_i、U_imin分别表示传感器节点i的当前剩余能量、维持火灾烟雾信息采集功能所需的最低剩余能量，L_imax、L_imin分别为传感器节点i的最大通信半径、最小通信半径，L_max、L_min分别为传感器节点中的最大通信半径、最小通信半径，w₁、w₂为设定的权重因子且满足1>w₁>w₂>0；

(2)在相同的正方形监测子区域内，若传感器节点在一轮退避时间片内没有接收到其他当前状态值更大的选举包，则该传感器节点变为候选骨干节点，否则作为火灾烟雾监测节点并关闭其无线通道进入睡眠状态；

(3)当设定的超时时间T_O到期，变为候选骨干节点的传感器节点将变为最终的骨干节点，并向所在正方形监测子区域广播成功竞选消息，接收到成功竞选消息的传感器节点作为发送该成功竞选消息的骨干节点的成员，并向发送该成功竞选消息的骨干节点发送加入消息；

(4)每个选举出的骨干节点以最大功率广播“hello”包给相邻的骨干节点，并存储相邻骨干节点列表。