CN108512905A - 一种基于wsn技术的建筑消防监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于WSN技术的建筑消防监测系统，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基站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基站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WSN技术的建筑消防监测系统

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WSN技术的建筑消防监测系统。

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WSN技术的建筑消防监测系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了一种基于WSN技术的建筑消防监测系统，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基站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基站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数据处理模块和报警模块，数据处理模块用于处理无线传感器网络发送的火灾烟雾参数数据，检测火灾烟雾参数数据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参数数据超出设定的警戒范围时执行报警。

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是本发明一个示例性实施例的建筑消防监测系统的结构框图；

图2是本发明一个示例性实施例的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、数据处理模块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WSN技术的建筑消防监测系统，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包括基站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基站连接消防监控中心1的输入端；各传感器节点通过分簇路由协议划分成多个簇，其中每个簇包括一个主要簇头和一个次要簇头，主要簇头用于聚合簇内传感器节点采集的火灾烟雾参数数据，次要簇头用于接收主要簇头发送的聚合的火灾烟雾参数数据，并将接收的聚合的火灾烟雾参数数据通过多跳路由的方式发送至基站。

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包括数据处理模块3和报警模块4，数据处理模块3用于处理无线传感器网络2发送的火灾烟雾参数数据，检测火灾烟雾参数数据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参数数据超出设定的警戒范围时执行报警。

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，所述的各传感器节点通过分簇路由协议划分成多个簇，包括：

(1)建筑监测区域内的传感器节点接收基站广播的“hello”数据包，确定自身到基站的距离，并记录接收到基站广播的“hello”数据包的实际信号强度和时间，所述的“hello”数据包还包括由基站设定的各传感器节点接收“hello”数据包的理论信号强度和理论时间；

(2)每一轮的主要簇头选举开始时，每个传感器节点i随机生成一个介于0到1之间的随机数，并设定阈值G_i，若生成的随机数小于阈值G_i，则该传感器节点i成为工作节点，并立刻加入工作节点集；

(3)工作节点向工作节点集中的其余工作节点广播节点信息，其中节点信息包括自身ID号；

(4)当工作节点接收到其余工作节点的节点信息后，若工作节点α位于工作节点β的感知范围内，则工作节点α加入到工作节点β的邻居节点集中；

(5)工作节点计算自身的竞选能力值，并向邻居节点广播，若在设定的时间阈值内收到竞选能力值更大的邻居节点广播的信息，则放弃主要簇头的竞选；工作节点若在设定的时间阈值内未收到竞选能力值更大的邻居节点广播的信息，则当选为主要簇头并向其余传感器节点广播当选信息，未当选主要簇头的工作节点成为成员节点并加入到最近的主要簇头；

(6)睡眠节点接收到所述的广播当选信息后被激活，并加入到最近的主要簇头，分簇完成后，主要簇头在其簇内的成员节点中选择一个成员节点作为次要簇头。

在一种可选的方式中，主要簇头的当前剩余能量低于其簇内成员节点的平均剩余能量时，主要簇头促使其簇内的所有成员节点重新选举竞选能力值最大的成员节点作为新的主要簇头。

现有技术中利用LEACH分簇路由协议进行分簇，LEACH分簇路由协议直接将生成的随机数小于阈值的传感器节点作为簇头，这并没有考虑到传感器节点的能耗和传感器节点位置的因素，并且可能生成过多的簇头，从而引起大量的能量消耗。

本实施例在LEACH分簇路由协议的基础上，提出了一种新的分簇路由协议，该协议将生成的随机数小于阈值的传感器节点作为参与到簇头竞选的工作节点，并在工作节点及其邻居节点集中选择竞选能力值较大的作为主要簇头，并由主要簇头进一步选取次要簇头，该协议通过选取主要簇头和次要簇头共同来承担火灾烟雾参数数据的聚合和转发任务，能够降低主要簇头的能耗以及主要簇头轮换的频率，实现能耗分散，进而延长网络的生存时间。

其中，竞选能力值的计算公式为：

式中，Z_j表示工作节点j的竞选能力值，W_j为工作节点j的当前剩余能量，W_min为设定的最小能量值，d_j为工作节点j初始化时的半径，Y(j,sink)为工作节点j到基站的距离，r_j为工作节点j收到基站“hello”数据包的时间，为由基站设定的工作节点j收到基站“hello”数据包的理论时间，P_j为工作节点j收到基站“hello”数据包的实际信号强度，由基站设定的工作节点j收到基站“hello”数据包的理论信号强度，f(r_j,P_j)为设定的比较取值函数，当且时，f(r_j,P_j)＝1，否则f(r_j,P_j)＝0。

本实施例进一步创造性地设计了竞选能力值的计算公式，考虑了能耗和传感器节点位置的因素，并引入了根据传感器节点接收基站数据包的实际信号强度与理论信号强度的差别、实际时间与理论时间的差别设计的用于距离的加权系数，使得竞选能力值能够更精确地衡量工作节点的位置优势和能量优势，在工作节点中选择竞选能力值较大的作为主要簇头，能够避免产生过多的簇头，使得距离基站更近、能量越大的工作节点具有更大概率成为主要簇头，从而有利于避免主要簇头快速失效，同时能够降低火灾烟雾参数数据传输至基站的能耗，节约建筑消防监测系统的通信成本。

在一个实施例中，所述阈值G_i的设定公式为：

式中，e为设定的主要簇头个数占传感器节点个数百分比的期望值，η为当前轮数，Q为在前轮中未当选过主要簇头的传感器节点集合，W_i为传感器节点i的当前剩余能量，W_min为设定的最小能量值，W_i0为传感器节点i的初始能量，Q(W_i,W_min)为设定的比较取值函数，当W_i-W_min≥0时，Q(W_i,W_min)＝1，当W_i-W_min＜0时，Q(W_i,W_min)＝0。

本实施例在现有的LEACH分簇路由协议的阈值计算公式的基础上进行改进，引入了能量因素，在限制传感器节点当选为主要簇头的次数的同时降低了剩余能量较小的传感器节点当选为主要簇头的概率，并使得剩余能量小于最小能量值的传感器节点不参与到主要簇头的竞选，有利于保证主要簇头的工作时间，同时降低主要簇头的能耗速率，避免主要簇头过早死亡而影响无线传感器网络2的稳定性，从而保障建筑消防监控系统的稳定运行。

在一个实施例中，主要簇头在其簇内的成员节点中选择一个成员节点作为次要簇头，具体包括：

(1)主要簇头计算其簇内成员节点的权值，设T_k表示主要簇头a的成员节点k的权值，T_k的计算公式为：

式中，W_k为成员节点k的当前剩余能量，W_min为所述设定的最小能量值，Y(a,sink)为主要簇头a到基站的距离，Y(k,a)为成员节点k到其主要簇头a的距离，Y(k,sink)为成员节点k到基站的距离；

r_k为成员节点k收到基站“hello”数据包的时间，为由基站设定的成员节点k收到基站“hello”数据包的理论时间，P_k为工作节点k收到基站“hello”数据包的实际信号强度，由基站设定的工作节点k收到基站“hello”数据包的理论信号强度，f(r_k,P_k)为设定的比较取值函数，当且时，f(r_k,P_k)＝1，否则f(r_k,P_k)＝0；

(2)主要簇头将权值最大的成员节点作为次要簇头。

本实施例根据能量以及位置因素创造性地设计了权值的计算公式，并从中引入了根据传感器节点接收基站数据包的实际信号强度与理论信号强度的差别、实际时间与理论时间的差别设计的用于距离的加权系数，使得权值能够更精确地衡量成员节点的位置优势和能量优势；

本实施例将权值最大的成员节点作为次要簇头，能够为主要簇头选择最佳的次要簇头用于承担转发火灾烟雾参数数据的任务，降低了网络中主要簇头与次要簇头之间通信能耗以及次要簇头转发火灾烟雾参数数据到基站的整体能耗，节约了建筑消防监测系统的通信成本。

在一个实施例中，次要簇头将接收的聚合的火灾烟雾参数数据通过多跳路由的方式发送至基站，具体为：

(1)当次要簇头与基站的距离小于或等于设定的最大距离阈值时，次要簇头的火灾烟雾参数数据以单跳通信的形式直接传输至基站；

(2)当次要簇头与基站的距离大于设定的最大距离阈值时，次要簇头在其一跳邻居节点集内选择当前剩余能量最大的作为中继节点，以完成火灾烟雾参数数据的传输。

本实施例根据次要簇头与基站的距离设定了相应的最佳路由方案，有益于节省将火灾烟雾参数数据转发至基站的能耗。

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 (6)

1.一种基于WSN技术的建筑消防监测系统，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基站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基站连接消防监控中心的输入端；各传感器节点通过分簇路由协议划分成多个簇，其中每个簇包括一个主要簇头和一个次要簇头，主要簇头用于聚合簇内传感器节点采集的火灾烟雾参数数据，次要簇头用于接收主要簇头发送的聚合的火灾烟雾参数数据，并将接收的聚合的火灾烟雾参数数据通过多跳路由的方式发送至基站。

2.根据权利要求1所述的一种基于WSN技术的建筑消防监测系统，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WSN技术的建筑消防监测系统，其特征是，所述的消防监控中心包括数据处理模块和报警模块，数据处理模块用于处理无线传感器网络发送的火灾烟雾参数数据，检测火灾烟雾参数数据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参数数据超出设定的警戒范围时执行报警。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于WSN技术的建筑消防监测系统，其特征是，所述的各传感器节点通过分簇路由协议划分成多个簇，包括：

(1)建筑监测区域内的传感器节点接收基站广播的“hello”数据包，确定自身到基站的距离，并记录接收到基站广播的“hello”数据包的实际信号强度和时间，所述的“hello”数据包还包括由基站设定的各传感器节点接收“hello”数据包的理论信号强度和理论时间；

(2)每一轮的主要簇头选举开始时，每个传感器节点i随机生成一个介于0到1之间的随机数，并设定阈值G_i，若生成的随机数小于阈值G_i，则该传感器节点i成为工作节点，并立刻加入工作节点集；

(3)工作节点向工作节点集中的其余工作节点广播节点信息，其中节点信息包括自身ID号；

(4)当工作节点接收到其余工作节点的节点信息后，若工作节点α位于工作节点β的感知范围内，则工作节点α加入到工作节点β的邻居节点集中；

(5)工作节点计算自身的竞选能力值，并向邻居节点广播，若在设定的时间阈值内收到竞选能力值更大的邻居节点广播的信息，则放弃主要簇头的竞选；工作节点若在设定的时间阈值内未收到竞选能力值更大的邻居节点广播的信息，则当选为主要簇头并向其余传感器节点广播当选信息，未当选主要簇头的工作节点成为成员节点并加入到最近的主要簇头；

(6)睡眠节点接收到所述的广播当选信息后被激活，并加入到最近的主要簇头，分簇完成后，主要簇头在其簇内的成员节点中选择一个成员节点作为次要簇头。

5.根据权利要求4所述的一种基于WSN技术的建筑消防监测系统，其特征是，所述阈值G_i的设定公式为：

式中，e为设定的主要簇头个数占传感器节点个数百分比的期望值，η为当前轮数，Q为在前轮中未当选过主要簇头的传感器节点集合，W_i为传感器节点i的当前剩余能量，W_min为设定的最小能量值，W_i0为传感器节点i的初始能量，Q(W_i,W_min)为设定的比较取值函数，当W_i-W_min≥0时，Q(W_i,W_min)＝1，当W_i-W_min＜0时，Q(W_i,W_min)＝0。

6.根据权利要求1所述的一种基于WSN技术的建筑消防监测系统，其特征是，次要簇头将接收的聚合的火灾烟雾参数数据通过多跳路由的方式发送至基站，具体为：

(1)当次要簇头与基站的距离小于或等于设定的最大距离阈值时，次要簇头的火灾烟雾参数数据以单跳通信的形式直接传输至基站；

(2)当次要簇头与基站的距离大于设定的最大距离阈值时，次要簇头在其一跳邻居节点集内选择当前剩余能量最大的作为中继节点，以完成火灾烟雾参数数据的传输。