作者簡介：王濤（1990— ），男，河南三門峽人，助理工程師，本科；研究方向：通信工程。

摘要：智能火災(zāi)檢測與報警系統(tǒng)在保護(hù)人們生命財產(chǎn)安全方面發(fā)揮著重要作用。文章提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能火災(zāi)檢測與報警系統(tǒng)，著重研究該系統(tǒng)中的無線路由算法，旨在保證數(shù)據(jù)傳輸可靠穩(wěn)定的前提下，優(yōu)化能耗，延長無線傳感器節(jié)點壽命。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；智能火災(zāi)檢測；無線路由算法；能耗優(yōu)化

中圖分類號：TP277;TN92? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0? 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)火災(zāi)智能報警系統(tǒng)是一種利用無線傳感器節(jié)點構(gòu)建的監(jiān)測和報警系統(tǒng)，用于檢測和及時響應(yīng)火災(zāi)事件。該系統(tǒng)是為了提高火災(zāi)的檢測速度、減少人員傷亡和財產(chǎn)損失，并增加火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)的效率［1］。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的無線路由問題是指如何有效地選擇和建立傳感器節(jié)點之間的通信路徑，以便可靠地傳輸數(shù)據(jù)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點通常具有有限的能源和計算能力，并且節(jié)點分布在廣闊的區(qū)域內(nèi)［2］。因此，對如何提高能源效率、延長網(wǎng)絡(luò)壽命以及保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性的研究就顯得至關(guān)重要。

1? 系統(tǒng)架構(gòu)與設(shè)計

1.1? 系統(tǒng)架構(gòu)

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能火災(zāi)檢測與報警系統(tǒng)由以下3個主要部分構(gòu)成。

1.1.1? 無線傳感器節(jié)點

分布在檢測區(qū)域內(nèi)的無線傳感器節(jié)點負(fù)責(zé)感知和采集環(huán)境參數(shù)，如溫度、煙霧、氣體濃度等。每個傳感器節(jié)點包含一個或多個傳感器，用于實時監(jiān)測環(huán)境參數(shù)，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和傳輸。傳感器節(jié)點具有無線通信功能，可以與其他節(jié)點和中心控制節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信。

1.1.2? 數(shù)據(jù)傳輸與處理模塊

傳感器節(jié)點通過無線通信將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給中心控制節(jié)點。中心控制節(jié)點接收到傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。這包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取、數(shù)據(jù)融合等操作。中心控制節(jié)點應(yīng)用火災(zāi)檢測算法對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判定，以確定是否存在火災(zāi)情況。

1.1.3? 中心控制節(jié)點

中心控制節(jié)點負(fù)責(zé)監(jiān)控和管理分布在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點。它可以收集節(jié)點的狀態(tài)信息、數(shù)據(jù)傳輸情況等，并確保節(jié)點的正常運(yùn)行。一旦中央控制節(jié)點檢測到火災(zāi)情況，節(jié)點會觸發(fā)報警機(jī)制，并生成相應(yīng)的報警信息。中心控制節(jié)點將報警信息發(fā)送給相關(guān)人員或部門，如消防部門、安保人員等，以便及時采取緊急響應(yīng)措施。這些措施可以包括啟動滅火系統(tǒng)、疏散人員、通知相關(guān)人員等［3］。

1.2? 無線傳感器節(jié)點的布置和要求

1.2.1? 傳感器節(jié)點的布置

（1）傳感器節(jié)點的密度布置取決于火災(zāi)監(jiān)測的需求和覆蓋區(qū)域的特性。對于高風(fēng)險區(qū)域，傳感器節(jié)點的密度可以更高。這種布置方式可以確?；馂?zāi)事件的及時檢測和報警。在低風(fēng)險區(qū)域為了節(jié)約能源和成本，節(jié)點的密度可以相對較低。

（2）傳感器節(jié)點應(yīng)放置在可能發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域，如廚房、電氣設(shè)備附近等。節(jié)點之間應(yīng)具有足夠的通信范圍，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。?jié)點的位置選擇應(yīng)避免過大的通信距離或過多的障礙物，以防止信號弱化或中斷。

1.2.2? 無線通信要求

（1）節(jié)約能耗、延長使用壽命。由于傳感器節(jié)點通常由有限的電池供電，延長網(wǎng)絡(luò)壽命對于系統(tǒng)的可持續(xù)運(yùn)行至關(guān)重要。路由算法應(yīng)選擇能量消耗較低的路徑，以減少節(jié)點能源的消耗。節(jié)點在非活動狀態(tài)時可以進(jìn)入休眠模式，以降低能耗。在需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸或處理時，節(jié)點重新激活以完成任務(wù)。

（2）數(shù)據(jù)可靠并確保報警信息的準(zhǔn)確傳遞。路由算法應(yīng)確保數(shù)據(jù)能夠可靠地從源節(jié)點傳遞到目標(biāo)節(jié)點，即使在網(wǎng)絡(luò)中存在丟包、信號干擾或節(jié)點失效等情況下也能保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。路由算法可以采用錯誤檢測和糾正機(jī)制，如校驗和、重傳和冗余傳輸?shù)?，以檢測和糾正數(shù)據(jù)傳輸中的錯誤，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?/p>

（3）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂凭S持網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和連通性。路由算法應(yīng)能選擇穩(wěn)定的路徑，避免不穩(wěn)定或易失效的節(jié)點或鏈路。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時（如節(jié)點故障、新節(jié)點加入或離開網(wǎng)絡(luò)），路由算法應(yīng)及時更新路由信息，以維持網(wǎng)絡(luò)的連通性和穩(wěn)定性。路由算法可以通過路徑質(zhì)量估計，如鏈路質(zhì)量、擁塞程度或傳輸延遲等指標(biāo)，來選擇最佳的傳輸路徑。這樣可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎托阅堋?/p>

2? 優(yōu)化能耗的路由算法設(shè)計

2.1? 算法建模

本設(shè)計結(jié)合無線火災(zāi)自動報警的通信需求，構(gòu)建無線火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的通信系統(tǒng)建模，考慮能耗模型和數(shù)據(jù)傳輸模型的因素，建模如下：

2.1.1? 能耗模型

模型假設(shè)每個傳感器節(jié)點的總能量為E（單位：J），初始能量為E0，每個節(jié)點在傳輸和接收過程中消耗的能量可以表示為以下幾種。

發(fā)送能量消耗：E_send = k_send × dα× L （單位：J）

接收能量消耗：E_receive = k_receive × L （單位：J）

空閑能量消耗：E_idle = k_idle （單位：J）

其中，k_send、k_receive和k_idle是與無線模塊和硬件相關(guān)的能量常數(shù)，d是傳輸距離，α是路徑損耗指數(shù)，L是數(shù)據(jù)包的長度。

2.1.2? 數(shù)據(jù)傳輸模型

數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾士梢员硎緸椋篟=B/T （單位：bit/s）。其中，B是數(shù)據(jù)包的大小（單位：bit），T是傳輸時間（單位：s）。

數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延可以表示為：D = T_prop + T_trans （單位：s）。其中，T_prop是傳輸時延，表示信號傳播在空間中的傳播延遲；T_trans是傳輸時延，表示數(shù)據(jù)包的傳輸時間。

2.1.3? 誤碼率模型

誤碼率（Bit Error Rate， BER）表示在數(shù)據(jù)傳輸過程中發(fā)生比特錯誤的概率，可以表示為P_err。誤碼率可以受到信噪比（SignaltoNoise Ratio， SNR）的影響，可以表示為：P_err=f（SNR）。

2.2? 三種傳輸模型結(jié)合方式

傳輸模型的輸入?yún)?shù)包括：傳感器節(jié)點數(shù)量N、通信范圍W、數(shù)據(jù)包大小B、傳輸速率目標(biāo)值R_target、信噪比SNR。輸出參數(shù)包括：選擇的簇首節(jié)點集合 Cluster_heads、總能耗 E_total、傳輸速率 R、誤碼率 P_err。具體算法步驟如下：

2.2.1? 初始化階段

每個節(jié)點根據(jù)能耗模型計算發(fā)送能量消耗E_send和接收能量消耗 E_receive。

2.2.2? 簇首節(jié)點選擇階段

每個節(jié)點根據(jù)能耗模型計算空閑能量消耗 E_idle。每個節(jié)點計算選擇為簇首節(jié)點的概率p = （P× E_idle） / （1 - P×（r mod （1/P）））。其中，P 是用于控制簇首節(jié)點選擇概率的參數(shù)，通常取值在0到1之間。

r 是一個在［0，1］范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)，用于實現(xiàn)節(jié)點的隨機(jī)性。mod表示取模運(yùn)算，計算r mod （1/P）的結(jié)果。P × E_idle表示節(jié)點的空閑能量消耗與P的乘積，表示節(jié)點具備成為簇首節(jié)點的能量。（r mod （1/P））的結(jié)果在 ［0，1/P］范圍內(nèi)，可以看作是一個隨機(jī)數(shù)，用于控制節(jié)點選擇為簇首節(jié)點的概率。1-P×（r mod （1/P））的結(jié)果在［1-1/P，1］范圍內(nèi)，表示非簇首節(jié)點的概率。

因此，概率p表示節(jié)點選擇自身作為簇首節(jié)點的概率。每個節(jié)點根據(jù)該概率 p 進(jìn)行選擇，并將選擇結(jié)果存儲在 Cluster_heads 集合中。概率公式的設(shè)計使得能量較高的節(jié)點更有可能被選為簇首節(jié)點，但也引入了隨機(jī)性，以實現(xiàn)簇首節(jié)點的均衡分布。

2.2.3? 數(shù)據(jù)傳輸階段

普通節(jié)點將數(shù)據(jù)包發(fā)送給所屬簇首節(jié)點。簇首節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)聚合和轉(zhuǎn)發(fā)操作，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸模型計算傳輸時間T=B/R_target和傳輸速率R=B/T。簇首節(jié)點向控制中心節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)，并根據(jù)能耗模型計算簇首節(jié)點到控制中心節(jié)點的能量消耗 E_send_cc。

2.2.4? 誤碼率計算階段

每個節(jié)點根據(jù)傳輸距離d和信噪比SNR，使用誤碼率模型計算誤碼率P_err。

2.2.5? 能耗計算階段

每個節(jié)點根據(jù)能耗模型計算總能耗E_total，包括發(fā)送能量消耗、接收能量消耗、空閑能量消耗和簇首節(jié)點到控制中心節(jié)點的能量消耗的總和。

2.2.6 ?輸出結(jié)果

輸出結(jié)果包括返回選擇的簇首節(jié)點集合Cluster_heads、返回總能耗 E_total、返回傳輸速率R和返回誤碼率P_err。

3? 實驗與評估

3.1? 參數(shù)賦值

本設(shè)計采用NS-3模擬系統(tǒng)進(jìn)行仿真，使用C語言進(jìn)行模擬程序編寫，在模擬環(huán)境輸入?yún)?shù)取值為：N=100；W=80 meters；B=1 024 bytes；R_target=1 Mbps；SNR=10 dB。另外，算法中所涉及的參數(shù)根據(jù)實際情況、結(jié)合模擬數(shù)據(jù)，按照如下方式獲?。?/p>

3.1.1? 能耗模型的參數(shù)

實驗測試過程將發(fā)送能量常數(shù)（k_send）模擬為0.02 J/mα；將接收能量常數(shù)（k_receive）模擬為 0.01 J/bit；將空閑能量常數(shù)（k_idle）模擬為0.001 J。

3.1.2? 數(shù)據(jù)傳輸模型的參數(shù)

傳輸時延的傳播延遲根據(jù)信號傳播速度來估計，如取值為在自由空間中的光速3 × 108 m/s。

傳輸時延的傳輸時間根據(jù)無線模塊的特性和數(shù)據(jù)處理時間來估計，如取值為 0.001 s。

3.1.3? 誤碼率模型的函數(shù)

誤碼率函數(shù)f（SNR）根據(jù)具體的無線信道模型和調(diào)制方式選擇適當(dāng)?shù)暮瘮?shù)，如經(jīng)驗?zāi)Ｐ突蚶碚撃Ｐ?。對于二進(jìn)制相干調(diào)制（BPSK）在高信噪比下，誤碼率可以使用Q函數(shù)來近似估計，P_err=0.5×erfc（sqrt（SNR））。

3.2? 對比評估

在本文設(shè)計的無線路由算法中，P 是用于控制簇首節(jié)點選擇概率的參數(shù)，P值的大小直接影響算法的適用性。因此，實驗結(jié)果需要設(shè)定不同的P值來做對比。具體對比實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

數(shù)據(jù)選擇概率在0.03～0.15之間變化。對應(yīng)的簇首節(jié)點數(shù)量隨機(jī)生成。模擬數(shù)據(jù)包括總能耗、平均傳輸時延、平均傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)連通性和誤碼率等指標(biāo)。P值選擇概率為0.12時，總能耗和誤碼率相對較低。平均傳輸時延和平均傳輸速率也達(dá)到了較好的值。整體性能得到了一個較為平衡的性能表現(xiàn)。

同時，為了檢驗本文設(shè)計的無線路由算法的性能，本研究進(jìn)行了對比實驗，一組采用本文設(shè)計的能耗為主的路由算法，另一組采用距離判定路由的算法進(jìn)行測試。采用能耗路由算法比采用通訊距離路由算法的性能指標(biāo)提升很多，具體指標(biāo)包括總能耗從7 612 J降低到5 395 J、平均傳輸時延降低了8 ms，平均傳輸速率提升0.1 Mbps、網(wǎng)絡(luò)連通性從0.75提升為0.8、誤碼率由0.05降低至0.043。

實驗測試結(jié)果說明能耗控制路由算法在提高網(wǎng)絡(luò)性能、降低能耗和改善數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量方面具有優(yōu)勢。

4? 結(jié)語

無線火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計中的路由算法應(yīng)注重能耗優(yōu)化、數(shù)據(jù)可靠性、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂啤⒙酚蛇x擇策略的設(shè)計，并具備自適應(yīng)性和靈活性。這樣可以有效地傳輸報警信息，延長傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命，并保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。研究人員期望通過本設(shè)計為無線火災(zāi)自動報警系統(tǒng)中的無線路由設(shè)計提供參考，以提升系統(tǒng)在火災(zāi)防控能力，為保障人類生命財產(chǎn)安全做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

［1］劉大維.無線火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計思路探討［J］.消防界，2020（12）：68.

［2］羅夢瑩.綜合管廊火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計研究［J］.智能建筑與智慧城市，2023（2）：136-138.

［3］苗程賓.基于物聯(lián)網(wǎng)的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計：中國消防協(xié)會學(xué)術(shù)工作委員會消防科技論文集（2022）［C］.北京：中國石化出版社，2022.

（編輯? 姚? 鑫）

Design of intelligent fire detection and alarm system based on wireless sensor networks

Wang? Tao

（Huzhou Tatong Communication Technology Co.， Ltd.， Huzhou 313300， China）

Abstract： Intelligent fire detection and alarm systems play an important role in protecting the safety of peoples lives and property. This article proposes an intelligent fire detection and alarm system based on wireless sensor networks， focusing on the wireless routing algorithm in the system. The aim is to optimize energy consumption and extend the lifespan of wireless sensor nodes while ensuring reliable and stable data transmission.

Key words： wireless sensor network; intelligent fire detection; wireless routing algorithm; energy consumption optimization