面向智能消防的WSN信息保障关键技术研究

发布时间：2020-10-08 15:45

　　随着国民经济与科技的快速发展,建筑物种类和数量不断增多,其在给生产生活带来便利的同时,也给消防带来了新的挑战。因此,研究有效的消防预警系统意义重大。传统消防报警系统大多是采用有线方式,不具备火灾早期的检测能力。而现有无线消防报警系统检测报警方面仍存在一定的问题。随着无线通信技术的飞跃式发展,无线消防探测节点己经成为无线消防发展的必然趋势,加之近年来无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)技术日趋成熟,可将无线传感器网络和智能消防结合,构建基于WSN的智能消防报警系统。该系统具有功耗低、系统构成简单,组网方式灵活、成本低和低时延等优势,能在很大程度上提高火灾报警的可靠性,从而有效避免火灾的发生。信息的实时可靠传输是提高基于WSN智能消防系统的预警能力的前提,因此本文对WSN的信息保障技术进行研究,包括分簇、跨层路由以及故障容错机制,为WSN信息传输提供有力保障。主要工作如下:首先,研究了面向智能消防的WSN分簇算法。分簇可简化WSN拓扑结构,提高数据交换效率和信道复用率。由于面向智能消防的WSN节点众多,传统分簇算法效率较低。因此,本文以能量有效为前提,基于粒子群(Particle Swarm Optimization,PSO)算法与和声搜索(Harmony Search,HS)算法对WSN进行分簇,提出了PSO-C分簇算法。首先利用HS算法对局部进行最优解的搜索;然后在每轮结束时,借助PSO粒子的移动性利用HS算法对另一区域进行最优解搜索,并更新和声记忆矩阵;最后轮回次数结束,得到最优簇头数和簇头节点。仿真结果表明,与经典LEACH分簇协议相比,PSO-C的分簇结果较好,有效提高了网络的能量利用效率,延长了网络的生存周期。其次,研究了面向智能消防的WSN跨层路由问题。设计了MNCLR跨层路由协议,其融合网络层和MAC层的分簇、时隙分配信息。首先对网络进行初始化即建立局部位置信息表和簇划分。然后建立路由表,包括簇内路由和簇间路由协议的设计。最后根据WSN的特点,设计了相应的簇及路由表的维护规则。仿真结果表明,与传统AODV和GPRS路由协议相比,在网络规模一定的前提下,MNCLR路由协议能有效降低端到端的信息传输时延,并有效提高了网络的吞吐量。最后,研究了面向智能消防的WSN故障容错机制,设计了基于网络编码的ARQ容错机制,其通过随机网络编码的方式对数据包进行编码,然后根据信宿节点需要收到的数据包的个数和信道丢失率来确定编码产生的冗余数据包的个数,以减小传输过程中的开销。最后,分别建立了无任何容错机制的WSN、基于传统ARQ的WSN和基于网络编码的WSN的数学模型,从其可靠性和能量消耗的角度对三种模型进行性能比较分析。最后对其性能进行了仿真,仿真结果表明,与传统的ARQ机制相比,NC-ARQ机制能在不增加能耗的前提下提高信息传输的可靠性,从而保证面向智能消防WSN消息的可靠性传输。
【学位单位】：石家庄铁道大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU892;TP212.9;TN929.5
【部分图文】：

无线传感器网络,广泛应用,智能物流

(5) 智能家居利用 WSN 技术将各种家具设备联系起来，通过无线网络控制操作它们，而且居民能够对家具随时随地的进行监控，使得住房体验更加舒适，安全性也得以极大提高。除此之外，WSN 技术也适用于安全设施监测、自然灾害搜救、工业自、智能农业生产、精细农业、智能物流、目标跟踪等诸多领域均。相用见图 2-4。

示意图,分簇,结构示意图

第三章基于能量有效的 WSN 分簇协议设计3.1 引言分簇是 WSN 的一项关键技术，通过分簇将 WSN 网络分为多个子网络，簇内通过簇头的调度完成通信过程，簇间则通过各簇头和网关节点的中继完成通信，大大简化 WSN 的拓扑结构，降低了通信链路间的干扰，从而提高数据交换效率和信道复用率，同时避免了因网络拓扑局部变化对整个网络路由重构、资源重新分配带来的资源开销，提高网络稳健性。分簇示意图如图 3-1 所示。

能耗模型

（4）进行选择操作更新HM（5）当前迭代次数达到T ，则停止；否则，重复（3）、（4）直至当次数达到T 。HS 搜索算法能够在较短时间内从解空间中搜索到最优解。但是在数值程中，易陷入局部最优。3.3 PSO-C 算法能耗模型与网络模型.3.1 能耗模型由于 WSN 节点能量受限，在进行分簇协议设计时必须参考节点能量消，其能耗模型如图 3-2 所示[8]。

【参考文献】