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基于传感器网络的建筑灾难救援系统若干关键技术研究

张云洲  
【摘要】:随着社会与经济的发展,大型建筑的数量迅速增多,其结构更加复杂,对火灾、爆炸等突发灾难的救援提出了更高的要求。无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)具有不依赖基础设施、分布式数据结构、更高的可靠性等优点,为大型建筑灾难救援提供了崭新的研究手段。本文面向大型建筑的火灾等突发灾难,在传统总线型火灾报警系统的基础上,引入无线传感器网络,探索建立具有精确定位能力、能够快速准确传递信息、具有更强生命力和更高效率的大型建筑突发灾难救援系统,论文对其中的若干关键技术进行了理论探索和应用研究。 首先,研究开发了基于现场总线的大型建筑智能火灾报警系统,采用高性能微处理器和多种通信协议相结合的模块化设计方案,使系统具备了良好的扩展能力,可以适应不同规模建筑物的需求。同时开发了面向灾难救援的便携式信息终端,能够使救援人员及时获取现场信息,并实现与指挥中心的多媒体综合信息交互,从而与指挥员建立通畅的联系,有助于提高救援效率。 其次,研究基于无线传感器网络的着火点定位和多目标定位方法。在高斯空间多峰火灾模型的基础上,对基于能量的多目标定位算法进行了改进,提出了一种新颖的EM-MR算法,接着将禁忌搜索算法用于目标位置参数估计,成功实现了多着火点位置参数的准确搜索,在提高定位精度的同时有效降低了计算复杂度;建立了多声源定位的模型,分别将所提出的改进MR算法和禁忌算法应用于多声源定位,通过仿真实验证明了所提算法的有效性。 再次,对含障碍物区域内的无线传感器网络确定性部署问题进行了研究。建立了传感器节点的探测模型和网络部署质量评价方式;基于考虑误警率的概率探测模型,提出了一种新的部署方法,先采用分水岭算法选取新增节点的部署区域,再以Delaunay剖分算法产生新增节点的候选部署位置。结合合理的节点部署位置评价机制,实现了传感器节点的有序高效部署。与随机部署、MAX_MIN_COV和MAX AVG COV等算法相比,所实现的部署策略在节点数有限的情况下,能够实现更高的覆盖探测概率和更好的覆盖一致性。 由于建筑灾难救援系统对信息的快速、准确传递有严格的要求,本文采用簇内的数据融合树结构,以顶点覆盖技术为基础,形成最小转发最短路径数据融合树结构,并根据树形结构动态分配融合节点的融合时间,减少数据的传输时延,避免数据传输过程中产生的冲突。应用图理论及聚类技术,提出了一种以分簇协议及顶点覆盖技术为基础的簇内树状模糊C-均值分布式异类数据融合算法,并通过仿真实验证明了算法的效率。 最后,考虑现有节点均存在不同程度的技术保密、无法完全开展路由协议和特定信号探测研究的实际情况,基于ZigBee协议开发了一种新型的无线传感器网络节点。在分析ZigBee的协议体系结构及协议各层作用的基础上,采用微处理器和ZigBee器件设计了节点硬件,将基于Micaz硬件平台的TinyOS系统移植到自主研发的节点硬件平台上;利用TinyOS系统编程实现了节点各模块功能,并开发了由多个网络节点组成星型网络的应用程序,对节点性能进行了测试和应用分析。


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