1、第 19 卷?第 6期2006 年 12 月传 感 技 术 学 报CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORSVol.19?No.6Dec.2006Forest Fire Detection System Based on Wireless Sensor Network*LI Guang-hui1*,ZH A O Jun2,WANG Zhi21?School of Inf ormation Engineering,Zhejiang Forestry College,H angzhou 311300,China;2?National Laboratory of
2、 Industrial Control T echnology,H angzhou 310027,ChinaAbstract:Wireless sensor network(WSN)is a new research field of information sciences.T his paper pres-ents a forest fire detection system frame based on WSN and its implementation scheme,then discussessome key problems,which focuses on the forest
3、 fire forecast modeling,WSN nodes deployment,WSNnodes and forest fire positioning,wireless communication control protocol.Key words:wireless sensor network;forest fire;remote monitoring;?3S?technology;wireless commun-icationEEACC:7230;6150P基于无线传感器网络的森林火灾监测预警系统*李光辉1*,赵?军2,王?智21.浙江林学院信息工程学院,杭州 311300;
4、2.浙江大学工业控制技术国家重点实验室,杭州 310027收稿日期:2005-12-12基金项目:国家自然科学基金项目资助(60674072);浙江省自然科学基金项目资助(M603097)作者简介:李光辉(1970-),男,博士,副教授,主要从事容错计算、嵌入式系统、智能控制等领域的研究,lgh ;王?智(1969-),男,博士后,副研究员,主要从事自动控制、无线传感器网络等方面的研究,wangzhi .摘?要:无线传感器网络是信息科学的一个新研究领域,提出了一种基于无线传感器网络的森林火灾监测预警技术的系统框架及其实现方案,重点讨论了森林火灾预测预报模型、无线传感器网络节点的部署及拓扑形成机
5、制、传感器网络节点与火险精确定位方法、无线通信协议等关键问题.关键词:无线传感器网络;森林火灾;远程监测;?3S?技术;无线通信中图分类号:TP212;S776?292?文献标识码:A?文章编号:1004-1699(2006)06-2760-05?森林是人类赖以生存和社会发展最重要的和不可缺少的资源.由于人们在社会活动中的某些失控及异常自然因素影响等原因,森林火灾时有发生,对人类生命财产及生态环境造成了巨大危害.中国地域辽阔,地形复杂,气候多样,森林类型与分布各异,再加上社会经济发展水平不一,森林火灾状况在各地存在很大的差异,致使森林防火工作面临的任务十分艰巨,特别针对珍稀动植物保护区域的森林
6、防火工作.同时,我国目前正面临着生态环境保护与发展的严峻挑战.我国各大自然保护区的物种资源十分丰富,有大量的野生珍贵稀有动植物种类,带动了旅游等相关产业的发展.针对珍稀动植物保护区的森林防火工作对保护资源、保证生态环境可持续发展具有十分重要的意义.如何对森林火险进行实时、准确的监测预警,进而为林火的预防和灭火指挥提供决策支持,已成为亟待解决的问题.森林防火理论与实践的研究一直是伴随着林业的发展而形成的专门研究领域.随着计算机技术、网络与通信技术、地理信息系统(GIS)、遥感(RS)和全球定位系统(GPS)的快速发展,?3S?技术在森林防火管理中得到了广泛应用.例如,林火信息管理、林火设施布局分
7、析、实时监测林火扑救和指挥、林火的预测预报等.使用?3S?技术可以实现林火实时监控和森林资源信息的快速采集与处理,为森林防火提供早期预警信息和强有力的决策支持 10,26.然而,这类火险监测方法仍然存在不少问题,如数据来源和精度一直是 GIS 技术解决资源环境问题的一个瓶颈,卫星遥感图像实时性不高,对同一地区不能全天候全时段监控,受天空云层厚度或卫星偏轨现象等因素的影响导致火点定位精度较低,以及存在漏判与误判的现象 16,28.这些问题降低了?3S?技术的森林火灾监测效果.微机电和集成电路生产工艺技术的快速发展使得传感器的尺寸越来越小,成本不断下降,同时传感器的感应能力与响应速度在不断提高.近
8、年来,作为普适计算思想衍生的产物,低成本、易于部署、具备自组织能力且广泛分布的微小节点构成的无线传感 器 网 络(wireless sensor network,简 记 为WSN)引起了国内外学术界和工业界的高度重视.由于传感器能够灵敏地感应温度、湿度、光亮度等参数的快速变化,无线传感器网络具备实时性和监测精度高的优势,非常符合重点监控林区的火险监测要求.通过把微传感器撒在森林中,让其自动组织成一个无线网络,实时采集各种环境数据(温度、湿度、大气压力、光亮度等),并通过网络传递到用户,从而实现对重点监控林区的全天不间断 24 h 实时监测,对采集数据实时处理,对异常情况迅速报警.通过卫星或摄像
9、头等装置所获取的图像主要反映出火光、烟雾等情况,而非温度、湿度以及大气压力等直接因素,而且图像数据占用大量存储空间,处理难度较大.相比之下,无线传感器网络采集到的数据更为准确、直接地反映监控现场的各种环境因素变化情况,而且时效性更好,能够很好地弥补?3S?防火技术的不足.1?WSN 在森林火灾监测中的进展1.1?无线传感器网络概述无线传感器网络是由大量广泛分布,具有通信与计算能力的微小传感器节点构成的自治网络系统,是能根据环境自主完成指定任务的智能系统.由于其部署方便、自治力强,在军事领域、环境监测、灾难预防、生物医学监测、诊断与治疗系统等方面都具有十分广阔的应用前景,尤其在无人值守的环境监测
10、、灾害扑救等特殊领域,具有传统技术无可比拟的优势 7.无线传感器网络综合了传感器、嵌入式计算、及无线通信等 3 大技术,是信息科学的一个新研究领域,引起了国内外学术界和工业界的高度重视.美国和欧洲相继启动了许多关于无线传感器网络的研究计划:WINS,Smart Dust,?AMPS,SensIT,SeaWeb等,以 U.C Berkeley 和 UCLA 为代表的各著名大学和研究机构均开展了此项技术的研究.2002 年,英特尔公司宣布基于微传感器网络的新型计算发展规划.今后,英特尔公司将致力于微传感器网络在预防医学、环境监测、森林防火、行星探测等领域的应用.目前,无线传感器技术的研究在国际上还
11、处于起步阶段,我国的科技界和产业界开始重视无线传感器网络技术和应用的研究.例如,哈尔滨工业大学、天津大学、中国科技大学、东南大学、华中科技大学、中科院、浙江大学等单位对无线传感器网络的通信协议、节点定位算法、部署及其覆盖和智能信息处理、传感器网络节点体系结构等方面进行较深入的研究.1.2?相关研究由于无线传感器网络在无人值守的环境监测、灾害扑救等特殊领域,具有传统技术无可比拟的优势,基于无线传感器网络的森林火险实时监测预警技术在国外已经引起高度重视.这类技术不仅可以弥补基于?3S?的防火技术的不足之处,而且比基于固定摄像装置的监控技术成本低,部署方便,更节省数据存储空间.在美国国家科学基金的资
12、助下,加州大学伯克利分校率先对无线传感器网络在森林火险监测中的应用进行了研究,研制出了 FireBug 系统.该系统由环境传感器组成,这些传感器用于采集温度、相对湿度和大气压力等数据.在每个传感器节点上设置一个类似于 GPS 的定位器,这些节点通过基站与远程的数据库服务器通信,用户则可以通过WEB 浏览器与该服务器通信.这个监控系统在美国圣弗兰西斯科附近的森林火灾监测实验中得到了实际应用,系统的性能很令人满意.美国华盛顿大学的学者也对此展开了研究,他们通过在无线传感器网络中使用移动智能体来查找火源,而且使得该网络具有较大的灵活性来完成其它的任务 8.加拿大Calgary 大学的学者开发的森林火
13、灾实时监测与管理系统包含数据采集与处理系统、基于 GIS 的 Web浏览器.该系统将热红外传感器、无线通信技术、惯性导航系统和火灾预测模型有效地结合起来,能够分辨 5 米以内的火点,并预测最可能的火灾蔓延方向,还能根据烟雾、光亮度等因素较准确地监测到火险 25.德国、英国等国家的学者对无线传感器网络在林火监测中的应用也做了许多研究 2.纵观这些研究,大都还处于实验室阶段,距离广泛的实际应用可能还要较长一段时间.然而,我国在这方面的研究尚未见到,利用无线传感器网络进行森林火险监测2761第 6 期李光辉,赵?军等:基于无线传感器网络的森林火灾监测预警系统具有很大的研究潜力和广阔的应用前景.2?基
14、于 WSN 的森林火灾监测预警系统及其实现方案?基于 Internet 的实时监控现已成为智能控制技术的发展趋势.我们设计的基于 WSN 的森林火险监测系统通过无线传感器网络采集林区现场数据(温度、湿度、大气压力、烟雾、光亮度等),并迅速传递到监控中心服务器进行实时处理与分析,远程用户可以通过 Internet 实现对林区全天候的实时监测,并对异常情况实时报警,为防火指挥部门制定正确决策提供客观依据.系统框架如图 1所示.图 1?基于 WSN 森林火险实时监测系统示意图根据森林火险实时监测的具体要求,需要在了解森林火险特征、林火发生机理等因素的基础上,建立准确的林火预测预报模型.为了提高火险预
15、测的精度和准确、实时地响应,必须结合 GIS 系统,合理部署传感器节点,实时进行数据采集与处理,以便快速、准确地知道何时、何地存在火险,并且可靠地传送消息、制定正确的响应方案.整个监测预警系统分成三个子系统:数据采集系统、控制中心系统和应急响应系统.每个子系统的功能如图 2 所示.数据采集系统主要是通过无线传感器网络采集温度、湿度、大气压力、烟雾、光亮度等现场数据,并进行预处理后,与节点位置、时间等信息实时传输到控制中心服务器.帮助防火部门有效地确定资源配置方案,快速检测到潜在的火险.控制中心服务器需要处理来自数据采集系统的所有信息,并结合 GIS 系统,确定传感器节点与火险的位置、地形以及森
16、林资源的各种属性,对异常情况报警.其次,控制中心必须完成林火行为分析,预测火灾蔓延方向.最后,控制中心还须实时显示火情监测信息,并将所有信息置于 web 服务器.应急响应系统使得远程用户包括管理部门能够通过 web 浏览器实时掌握控制中心的火险监测信图 2?基于 WSN 的森林火险监测预警系统功能结构图息,并制定相应的响应措施.因此,研究结合 WSN与?3S?技术的森林火险监测系统必须解决以下几个关键问题:森林火险蔓延预测模型、传感器网络节点的部署与拓扑生成、传感器网络节点的定位算法、具备容错机制的传感器网络通信协议.3?森林火灾蔓延预测模型森林火灾具有难以预测、着火面积大、难以控制和扑救等特
17、点,如何对林火的发生和蔓延进行预测与预报,为林火的预防和灭火指挥提供正确的决策支持,成为迫切需要解决的问题.在准确的火灾预测预报与蔓延模型支持下,结合高效的传感器网络节点定位算法,可以在接到火险预警之后,迅速、准确地查明火源发生地点,为组织指挥灭火争取到宝贵时间.目前,我国对火灾的预报预测工作,以天气预报和人工巡逻为主要方法.天气预报仅仅能够从气象角度进行预报,事实上,森林火灾发生的原因是多方面的,如植被中可燃物成分、地形等原因.而对于地形复杂的大型林区,人工巡查难以达到全面监测,而且浪费大量的人力、物力 10.林火蔓延是一个多相、多组分可燃物在各种气象条件和地形影响下燃烧和运动的复杂现象.至
18、今国内外所做的研究大多是根据现场观察和实验室实验,按照统计或物理规律,建立相应的数学模型,以估计林火的属性.各种模型都有一定的局限性,有时甚至出现很大误差,给林火扑救造成不利影响 25.一旦发生火灾,为了更好、更快地扑灭林火,必须对森林火灾的蔓延方向进行准确地预测,为此需要对森林火灾蔓延模型进行研究.准确预报森林火2762传?感?技?术?学?报2006 年灾蔓延的关键就是在森林火灾本底数据库的基础上研究气象、地形、植被等与火灾蔓延的数学关系,然后用数学模型对这些数学关系进行表达,模型在修正的过程中也不断进行自学习,从而对林火的蔓延进行较为准确的预测.我们提出了以 Rothermel 林火蔓延模
19、型基础、基于 GIS 和动态数据驱动的林火行为建模方法.通过无线传感器网络节点采集的火场信息,包括温度、湿度、大气压力等现场数据不断对火灾蔓延模型进行优化,系统还可以实现火灾蔓延过程的可视化模拟.4?传感器节点部署与拓扑形成机制为了使有限的传感器网络节点能够监控到尽可能大的区域,需要通过一定的算法来合理部署节点,优化现有的网络资源,以期网络在未来的应用中获得最大的利用率或单个任务的最少消耗量.综合考虑网络节点的传感能力和通信能力,结合森林火险预测预报模型和地形、植被、气象等特点,研究面向森林火险监测预报的传感器节点部署与拓扑形成机制,降低系统成本.在研究节点部署时,要综合考虑覆盖、连通性和节能
20、三个方面的性能.这些方面的研究涉及到覆盖程度的调节、节点采集频率的转换、节点的开启与关闭的调度、对邻居节点覆盖范围的判定 18等等,同时还涉及到工作节点的调度问题.为此,我们采取了以下解决办法:用已经掌握的森林火险预报模型,根据预测的模拟结果,指导性地布置不同精度、密度的传感器.根据实际的参数分布梯度确定节点的位置分布和合理的密度分配,以期提高整个网络的覆盖、连接效率,减少初始化的时间,节约了系统能量.为了更准确的预报森林火险,考虑多参数测量从不同角度监测物理环境,通过参数间的耦合信息,指导目标区域的覆盖和监测工作.在监测过程中有突发事件发生时(火灾发生等导致异常数据),进入火险预测预报模型,
21、触发相应的调度算法.进一步量化连接和覆盖关系问题.5?传感器节点和火险精确定位方法为了能够迅速、准确地判断何时、何地存在火险,需要研究高效的节点和火险定位方法,在 GIS技术的指导下,指挥救火人员迅速赶赴火警地点.在研究精度可变的定位机制基础上,利用森林火险预测预报模型以及 GIS 技术来指导传感器节点的定位,面向火险预警需求确定合理、高效的定位方法.目前,无线传感器网络的定位机制可以分为两类:基于测距(Range-based)和无需测距(Range-free)的定位算法.前者有较高的精度,但是需要昂贵的硬件(测量节点间的距离或角度),且适用范围有限(需要较多的基准节点)19,1;后者等不需要
22、特殊的硬件,但测量精度不高,易受节点密度的影响 17,9.本系统主要考虑以下问题:根据信标节点(GPS 等)与传感器节点比例对定位精度的影响,选择合适的比例,降低成本;建立信标节点分布对定位精度影响的关系以及不同定位算法精度对信标节点分布的依赖性;根据森林火灾预报对定位的角度要求以及森林地形的特点,选择合适比例和数目的信标节点以及相应的定位算法.6?具有容错机制的 WSN 通信协议由于森林火险监测环境恶劣、多变以及能源有限等因素,可能造成部分节点损坏,又因为客观原因难以维护或更换失效传感器,影响网络性能.为了使网络具有高度的容错能力,以保证网络具有高度的强健性,使得网络出现故障时,系统能够自动
23、调整或重构纠正错误,以便网络正常工作.针对无线传感器网络的动态自组织需求,Es-trin 首先提出了以数据为中心的定向扩散路由(D-irected Diffusion)11;为了避免能量不均衡使用,Heinzelman 提出了 LEACH 动态分簇算法?;为了提供实时性,Stankovic 提出了基于反馈控制的SPEED 路由算法 9;考虑到应用与节点位置的紧密关联和快速路由,Yu 提出基于地理位置信息的GEAR 路由 27.这些已有路由机制多侧重于单项指标,没有综合考虑各种因素,尤其是容错能力.为此,在我们的系统中,采取了下列策略:在基于分簇的层次型拓扑结构上,利用无线传感器网络传输数据携带
24、的检测对象名称、地理位置等有用信息作为启发式信息,在簇头之间快速生成传输路径;采用基于链路质量估计路由建立机制和路由反馈调整机制,通过路径的链路质量和节点能量等反馈信息,数据源和中间节点实时调整路径选择,具备动态自组织能力,及时适应网络状态的变化.7?结束语无线传感器网络在无人值守的环境监测、灾害扑救等特殊领域,具有传统技术无可比拟的优势.无线传感器网络技术在森林火险实时监测领域有着广阔应用前景,这已经引起国外许多研究者的高度重视.据了解,目前这方面的研究在国内尚未开展.我们在国外已有的研究成果基础上,将?3S?技术与2763第 6 期李光辉,赵?军等:基于无线传感器网络的森林火灾监测预警系统
25、WSN 有效地结合起来,建立起一个低成本、实用性强的森林火险实时、远程监测原型系统.下一步我们将把该系统用于实际林区进行测试,以获取相关的实验结果,对系统进行改进和完善.参考文献:1?Bahl P and Padmanabhan V N?RADAR:An In-Building RF-Based U ser Location and Tracking System C?Proceedingsof the IEEE INFOCOM 00,March 2000.2?Chen M M,Majidi C,Doolin D M,Glaser S and Sitar N.Design and Constr
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