基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息融合的森林火災(zāi)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)

康萬(wàn)杰，潘有順，陳秋菊

(茅臺(tái)學(xué)院 釀酒工程自動(dòng)化系，貴州 仁懷 564500)

森林火災(zāi)的發(fā)生嚴(yán)重影響到大自然生態(tài)環(huán)境，并且使人類(lèi)生命財(cái)產(chǎn)等出現(xiàn)重大損失.我國(guó)的森林環(huán)境所面臨的關(guān)鍵問(wèn)題之一為森林火災(zāi)，但因人類(lèi)的活動(dòng)與自然狀況等時(shí)常造成不同程度的森林火災(zāi)，且全球氣候逐漸變暖，導(dǎo)致森林火災(zāi)的發(fā)生概率逐漸上升.為了有效保護(hù)森林資源，需采取相應(yīng)的措施，實(shí)時(shí)監(jiān)控森林狀況[1].以往大多采取人工特定時(shí)間的航空巡邏及觀測(cè)臺(tái)監(jiān)測(cè)等方式監(jiān)控森林火災(zāi)，但此類(lèi)方法耗費(fèi)大量人力和物力，且技術(shù)相對(duì)落后，無(wú)法實(shí)時(shí)采集信息，無(wú)法達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控森林狀況的目的[2-4].為解決以上問(wèn)題，運(yùn)用火災(zāi)探測(cè)器等傳感器類(lèi)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控森林火災(zāi)信號(hào).通常森林火災(zāi)發(fā)生的不同時(shí)期，形成的特征信號(hào)存在差別，僅依靠單一探測(cè)傳感器只能對(duì)某一種特征信號(hào)實(shí)施監(jiān)測(cè)，易遺漏森林火災(zāi)發(fā)生的關(guān)鍵特征信號(hào)[5].因此，運(yùn)用各種不同參數(shù)的探測(cè)傳感器監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)的各種特征信號(hào)，能夠及時(shí)精準(zhǔn)地監(jiān)控森林火災(zāi)，降低火災(zāi)的危害[6].

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)由數(shù)個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，各傳感器節(jié)點(diǎn)可以任意布設(shè)于需要監(jiān)控的區(qū)間，并通過(guò)自組織形式形成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在各類(lèi)災(zāi)害監(jiān)控領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用較多，其優(yōu)點(diǎn)包括低功耗、方便布設(shè)、時(shí)延少及結(jié)構(gòu)緊湊等，能夠達(dá)到多點(diǎn)持續(xù)檢測(cè)監(jiān)控區(qū)間的目的[7-8].該監(jiān)測(cè)通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各種參數(shù)傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)特征信號(hào)，并將各傳感器采集的無(wú)線傳感器信息融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類(lèi)傳感器信息的綜合運(yùn)用，提升森林火災(zāi)無(wú)線監(jiān)控的可靠性[9].

綜合以上分析，設(shè)計(jì)一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息融合的森林火災(zāi)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)森林環(huán)境溫度、CO氣體濃度及煙霧濃度信息數(shù)據(jù)，并對(duì)多個(gè)無(wú)線傳感器信息實(shí)施融合，運(yùn)用融合后的信息判別森林火災(zāi)的發(fā)生概率，實(shí)現(xiàn)對(duì)森林火災(zāi)的無(wú)線監(jiān)控，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)森林火災(zāi)和降低其危害程度提供有效幫助.

1 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息融合的森林火災(zāi)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

以實(shí)時(shí)監(jiān)控森林火災(zāi)的狀況為目標(biāo)，構(gòu)建基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息融合的森林火災(zāi)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng).該系統(tǒng)具備的關(guān)鍵功能包括及時(shí)對(duì)森林不同區(qū)域的環(huán)境狀態(tài)實(shí)施監(jiān)測(cè)，有效預(yù)警森林火災(zāi)出現(xiàn)的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域；及時(shí)有效地融合煙霧濃度、環(huán)境溫度以及CO濃度多源無(wú)線傳感器采集的信息，在監(jiān)測(cè)到融合后的信息比設(shè)定預(yù)警值高時(shí)，精準(zhǔn)高效地發(fā)出報(bào)警信號(hào)；監(jiān)控到有森林火災(zāi)發(fā)生時(shí)，操控現(xiàn)場(chǎng)滅火設(shè)備開(kāi)啟控制火勢(shì).系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示.

圖1 森林火災(zāi)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

該系統(tǒng)的操作系統(tǒng)與硬件平臺(tái)分別為L(zhǎng)inux和嵌入式微處理器，其集成開(kāi)發(fā)環(huán)境為ADS1.2；傳輸與預(yù)處理數(shù)據(jù)通過(guò)PESD5V0F1USF芯片完成，其主要包括高性能射頻收發(fā)器與微控制器核，能夠同步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與預(yù)處理；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)內(nèi)包含煙霧傳感器、溫度傳感器及CO濃度傳感器，為整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，在所需監(jiān)控的森林范圍內(nèi)分散布設(shè)數(shù)個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，各傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)提供支持.

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 微處理器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件平臺(tái)主要由嵌入式微處理器與其外圍設(shè)備等構(gòu)成，其中外圍設(shè)備主要包含SDRAM芯片、報(bào)警模塊、CUP芯片、LCD顯示及RESET電路等，硬件平臺(tái)嵌入式微處理器的主要結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2.

圖2 微處理器結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

(i)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)森林火災(zāi)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，其重點(diǎn)包含設(shè)備驅(qū)動(dòng)單元、傳感器單元、處理器單元、電源供應(yīng)單元與無(wú)線通信單元，詳見(jiàn)圖3.

圖3 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

設(shè)備驅(qū)動(dòng)單元通過(guò)脈沖信號(hào)操控電磁閥開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)功能；傳感器單元主要由煙霧傳感器NIS07、溫度傳感器PT100、CO濃度傳感器CO/MF-500構(gòu)成；處理器單元主要由STM32處理器構(gòu)成，其核心為ARM Cortex-M3，具備功耗較低、可實(shí)現(xiàn)上萬(wàn)次的編程的優(yōu)點(diǎn)，且其支持串行總線通信[10]，外圍設(shè)備包括JTAG接口、12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器、SPI端口以及定時(shí)器等，同時(shí)，具備八通道的十位采樣精度控制器；電源供應(yīng)單元包含太陽(yáng)能與蓄電池兩類(lèi)供電措施，實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的電源供應(yīng)；無(wú)線通信單元采用LR30無(wú)線射頻芯片模塊，其接收靈敏度與抗干擾性較高，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)及采集等[11-12].

(ii)節(jié)點(diǎn)功能設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的功能設(shè)計(jì)模型詳見(jiàn)圖4.

圖4 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)功能設(shè)計(jì)模型

因?yàn)楸O(jiān)控森林均與指揮中心相距較遠(yuǎn)，若布設(shè)電纜將延長(zhǎng)工期，且導(dǎo)致費(fèi)用升高，因此，該系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線傳輸方式，實(shí)現(xiàn)森林火災(zāi)的監(jiān)控[13].由布設(shè)于森林現(xiàn)場(chǎng)的各傳感器采集信號(hào)，并通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路對(duì)采集的信號(hào)實(shí)施調(diào)理，在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換調(diào)理信號(hào)后，獲得可通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男盘?hào)模式，并交由PESD5V0F1USF芯片處理后，通過(guò)相關(guān)射頻電路接收與傳送處理后信號(hào).

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.3.1 數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程

無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)結(jié)合傳感器節(jié)點(diǎn)事件觸發(fā)響應(yīng)與監(jiān)控主機(jī)自動(dòng)查詢，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，同時(shí)為提升傳輸數(shù)據(jù)的質(zhì)量，運(yùn)用分層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，具體數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程見(jiàn)圖5.

圖5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程圖

由監(jiān)控人員通過(guò)監(jiān)控主機(jī)發(fā)出森林環(huán)境溫度、CO濃度及煙霧濃度的查詢請(qǐng)求，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器的傳送后抵達(dá)基站；基站以接收查詢請(qǐng)求為依據(jù)，對(duì)目標(biāo)協(xié)調(diào)器實(shí)施選取，由選取的目標(biāo)協(xié)調(diào)器將休眠節(jié)點(diǎn)激活實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；傳感器節(jié)點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)后，向待查詢簇首傳送，通過(guò)該簇首融合處理多個(gè)無(wú)線傳感器信息后，經(jīng)由原路向監(jiān)控主機(jī)反饋融合后的信息.

1.3.2 無(wú)線傳感器信息融合處理

因?yàn)閱蝹€(gè)傳感器采集到的特征信號(hào)較為單一，而森林火災(zāi)產(chǎn)生時(shí)，產(chǎn)生的特征信號(hào)較多，如溫度、氣體濃度及煙霧等[14]，因此，通過(guò)溫度傳感器、CO濃度傳感器及煙霧傳感器分別采集各類(lèi)特征信號(hào)信息，并對(duì)采集的無(wú)線傳感器信息實(shí)施融合，通過(guò)融合后的溫度、CO濃度和煙霧信息，判別監(jiān)控森林是否出現(xiàn)火災(zāi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)森林火災(zāi)的監(jiān)控，并提升監(jiān)控的精度.

以D -S證據(jù)論為依據(jù)，融合溫度、CO濃度及煙霧多個(gè)無(wú)線傳感器信息，同時(shí)，利用不同信息對(duì)森林火災(zāi)產(chǎn)生的信度函數(shù)予以表征，實(shí)現(xiàn)對(duì)森林火災(zāi)是否發(fā)生的推理[15].設(shè)定森林火災(zāi)包含有p1、無(wú)p2、不確定p3三種狀態(tài)，且各狀態(tài)屬于互斥關(guān)系.將三種森林火災(zāi)狀態(tài)歸到識(shí)別框架Θ內(nèi)，也就是Θ={p1,p2,p3}.若n∶2Θ→[0,1]函數(shù)能夠達(dá)到的條件為

(1)

式中，Φ為空集.n(S)為命題S的信任度.

以傳感器的輸出響應(yīng)特性為依據(jù)，溫度、CO濃度及煙霧多個(gè)傳感器的輸出選取為高斯函數(shù)，用于對(duì)森林火災(zāi)產(chǎn)生的信任度函數(shù)實(shí)施表征.當(dāng)煙霧傳感器、溫度傳感器及CO濃度傳感器的輸出被獲取之后，以森林火災(zāi)產(chǎn)生的信任度函數(shù)為依據(jù)，將當(dāng)下森林火災(zāi)發(fā)生的信任度n1、n2、n3獲取到，依次表示為

(2)

式中，通過(guò)煙霧濃度對(duì)森林火災(zāi)三種狀態(tài)實(shí)施判別的概率以S1～S3表示；經(jīng)由環(huán)境溫度判別森林火災(zāi)三種狀態(tài)的概率以T1～T3表示；CO濃度對(duì)森林火災(zāi)三種狀態(tài)的判別概率以G1～G3表示.

依次對(duì)煙霧傳感器、溫度傳感器及CO濃度傳感器信息實(shí)施融合.首先將煙霧傳感器與溫度傳感器信息融合，獲取到森林火災(zāi)產(chǎn)生的信任度函數(shù)，其次，融合CO濃度傳感器信息與獲取到的信任度函數(shù)，以D-S證據(jù)論為依據(jù)，獲取融合后的信任度函數(shù)表示為

(3)

式中，完全沖突假設(shè)Si與Tj全部信任度相乘后的總和以k表示，同時(shí)k<1，其表達(dá)式為

(4)

基于此，實(shí)現(xiàn)融合CO濃度、溫度及煙霧多個(gè)傳感器的信息，并獲取各傳感器信息的森林火災(zāi)三種狀態(tài)判別概率，達(dá)到對(duì)森林火災(zāi)是否產(chǎn)生的有效判別.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在某處野外環(huán)境內(nèi)對(duì)本文系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用性能實(shí)施檢測(cè)，分別檢測(cè)本文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、報(bào)警功能、信息融合處理性能和并發(fā)響應(yīng)性能.實(shí)驗(yàn)中設(shè)定本文系統(tǒng)的預(yù)警閾值依次為溫度大于55℃、CO氣體濃度大于75 ppm、煙霧濃度大于1100 ppm，在設(shè)定預(yù)警閾值下，實(shí)施仿真測(cè)試實(shí)驗(yàn).

2.1 數(shù)據(jù)采集與報(bào)警功能檢測(cè)

檢測(cè)本文系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)各傳感器是否正常運(yùn)行，并采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，以及本文系統(tǒng)是否能夠在各傳感器采集數(shù)據(jù)比設(shè)定預(yù)警閾值高時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào).通過(guò)模擬的方式進(jìn)行檢測(cè)，在測(cè)試CO氣體濃度時(shí)，將本文系統(tǒng)的CO濃度傳感器放到一個(gè)封閉的容器中，并向該容器中投入一定濃度的可燃性氣體；在實(shí)施煙霧測(cè)試時(shí)，取廢棄可燃物實(shí)施燃燒試驗(yàn)，通過(guò)煙霧傳感器采集煙霧濃度信息；在實(shí)施溫度測(cè)試時(shí)，對(duì)放置溫度傳感器的測(cè)試容器實(shí)施持續(xù)加熱，由溫度傳感器采集不同階段的溫度信息，所得檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 數(shù)據(jù)采集與報(bào)警功能檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)表1能夠看出，本文系統(tǒng)中各類(lèi)傳感器所采集信息隨著檢測(cè)環(huán)境的變化而產(chǎn)生改變，可見(jiàn)本文系統(tǒng)各類(lèi)傳感器運(yùn)行正常且能夠采集到不同檢測(cè)階段中的相關(guān)信息，采集信息符合實(shí)際情況.另外，本文系統(tǒng)能夠在采集的信息高出設(shè)定預(yù)警閾值時(shí)發(fā)出報(bào)警，數(shù)據(jù)采集功能與報(bào)警表現(xiàn)良好.

2.2 信息融合處理性能檢測(cè)

在實(shí)驗(yàn)環(huán)境內(nèi)選取一處空曠場(chǎng)地通過(guò)燃燒大量廢棄可燃物實(shí)施模擬火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，經(jīng)由本文系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)控，并以15s的時(shí)間間隔采集溫度、CO濃度及煙霧濃度數(shù)據(jù)，對(duì)各傳感器信息融合處理后，獲取到融合信息的火災(zāi)發(fā)生概率，并對(duì)比獲得結(jié)果與各個(gè)單獨(dú)傳感器信息的火災(zāi)發(fā)生概率，檢驗(yàn)本文系統(tǒng)的信息融合處理性能.具體對(duì)比結(jié)果如圖6所示.

圖6 融合前后傳感器信息判別概率對(duì)比

分析圖6能夠得知，溫度傳感器信息與CO濃度傳感器信息判別有火災(zāi)的概率在三種判別狀態(tài)中均為最高，分別為0.475和0.512，煙霧傳感器信息判別不確定的概率為最高，可到達(dá)0.510.同時(shí)，各單獨(dú)傳感器判別有火災(zāi)與不確定的概率均較為相近.由此可見(jiàn)，溫度傳感器信息與CO濃度傳感器信息的判別結(jié)果均為有火災(zāi)，而煙霧傳感器信息所判別結(jié)果為不確定是否有火災(zāi)，此結(jié)果表明性質(zhì)單一的傳感器對(duì)是否發(fā)生火災(zāi)的判別結(jié)果存在一定的差距，且有火災(zāi)與不確定的判別概率相近，不利于精準(zhǔn)判別森林火災(zāi)的狀態(tài)，不確定性較高；而本文系統(tǒng)信息融合后所判別有火災(zāi)的概率可達(dá)到0.852，較單獨(dú)傳感器信息的有火災(zāi)概率最高值0.512有較大提升，同時(shí)大幅度降低了不確定概率，有效避免了各個(gè)單一性質(zhì)傳感器判別火災(zāi)是否發(fā)生所存在的判別缺陷，并將多個(gè)無(wú)線傳感器信息間的矛盾消除掉，有效實(shí)現(xiàn)信息融合，提升整體火災(zāi)判別的精度.

2.3 并發(fā)響應(yīng)性能檢測(cè)

檢測(cè)本文系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，隨著并發(fā)用戶數(shù)量的增長(zhǎng)，本文系統(tǒng)的事務(wù)響應(yīng)時(shí)間及成功并發(fā)用戶數(shù)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖7.

由圖7(a)可得出，在并發(fā)用戶數(shù)量不高于100個(gè)的情況下，本文系統(tǒng)的事務(wù)平均響應(yīng)時(shí)間均低于3.5 s，且隨著并發(fā)用戶數(shù)量的上升，本文系統(tǒng)的事務(wù)最快響應(yīng)時(shí)間及平均響應(yīng)時(shí)間均呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，在并發(fā)用戶數(shù)量低于70個(gè)時(shí)升高幅度稍低，當(dāng)并發(fā)用戶數(shù)量高于70個(gè)時(shí)升高趨勢(shì)明顯；通過(guò)圖7(b)可看出，當(dāng)并發(fā)用戶數(shù)量在10個(gè)～90個(gè)之間時(shí)，本文系統(tǒng)的執(zhí)行成功并發(fā)用戶數(shù)大幅度持續(xù)上升，當(dāng)并發(fā)用戶數(shù)量不低于90個(gè)時(shí)，執(zhí)行成功的并發(fā)用戶數(shù)保持在85個(gè)，總體可見(jiàn)，本文系統(tǒng)的并發(fā)事務(wù)響應(yīng)用時(shí)短，可達(dá)到用戶的使用需求，最高執(zhí)行成功并發(fā)用戶數(shù)為85個(gè)，綜合并發(fā)響應(yīng)性能較為理想.

3 結(jié)論

及時(shí)精準(zhǔn)地監(jiān)控森林火災(zāi)的發(fā)生，是有效降低森林火災(zāi)危害程度和科學(xué)合理保護(hù)森林資源的關(guān)鍵手段.因此，本文針對(duì)一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息融合的森林火災(zāi)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)展開(kāi)研究，通過(guò)布設(shè)于監(jiān)控森林不同區(qū)域內(nèi)的溫度、煙霧及CO濃度傳感器構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并由數(shù)個(gè)此類(lèi)節(jié)點(diǎn)組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建森林火災(zāi)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng).通過(guò)構(gòu)建的系統(tǒng)采集實(shí)時(shí)溫度、煙霧及CO濃度信息，并實(shí)施多個(gè)無(wú)線傳感器的信息融合，通過(guò)獲取融合信息得到森林火災(zāi)的狀態(tài)判別概率，當(dāng)此概率值高于設(shè)定預(yù)警閾值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，并啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)滅火設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)森林火災(zāi)的無(wú)線監(jiān)控.仿真測(cè)試結(jié)果表明，本文系統(tǒng)內(nèi)的各傳感器運(yùn)行狀況良好，可完成相關(guān)信息的采集，且可在采集信息數(shù)據(jù)比設(shè)定預(yù)警值高時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，未出現(xiàn)漏報(bào)現(xiàn)象.本文監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)信息融合處理將各傳感器信息間的矛盾去除掉，解決單個(gè)傳感器對(duì)火災(zāi)發(fā)生概率實(shí)施判別時(shí)的差距缺陷，提高判別的精度.實(shí)現(xiàn)85個(gè)執(zhí)行成功并發(fā)用戶數(shù)，且在并發(fā)用戶數(shù)量不高于100個(gè)的情況下，事務(wù)平均響應(yīng)時(shí)間低于3.5 s，滿足用戶的使用需求.