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2009年关于无线网络和信息系统的国际会议

一个应用于无线火灾探测系统的新的强劲,节能和可扩展的无线传感器网络体系结构

摘要——本文提出了一个新的架构称为EDETA(节能自适应分层和强健的架构)用来优化节省节点的功率。此体系结构具有可扩展性,适合异构和均匀的无线传感器网络,支持单个或多个接收模块，还提供了在现在系统中普遍需求很大的特性：容错率和反应时间。所有这些特性使EDETA适合安全应用,如无线火灾探测系统。拟议中的协议能够自动配置,它是基于两级分层的架构。低层级是基于集群组织,高层级是有将信息发送到接收模块的簇头组成的。基于EDETA无线火灾探测系统已经实现,获得与最受欢迎的节能协议相比非常满意的结果的可靠性、响应时间和消费,这个基于EDETA的系统减少8X因素下的能源消耗,而且,EDETA加倍了传感器网络的生命周期，此外,还有额外的特性,如容错机制和反应。

简介

无线通信为火灾探测提供了新的可能性。跟经典的检测系统比较无线火灾探测系统有新功能和优势,例如没有电缆,连接器和基础设施,提供一个简单的,经济和快速安装,用一个非常简单的方法减少了传感器的数量并且能够改变传感器安放的位置。这个系统的优势会很明显当用于覆盖大的住宅,博物馆,展览区域,亭台楼阁等等。

有很多的传感器网络路由协议。这些协议和近期其他方法的主要问题(3、4)是假设所有节点可以到达接收模块互相连通。在实践中,网络被假设为一平方公里的方形区域是无效的。此外,传输消耗的能量随着距离的增加而增加。所以一个节点想传播越远,将消耗更多的能量。

本文的新架构更好的解决这些不便,这也带来了新的火灾探测系统的必要和非常重要的特性,如容错和有限时间沟通,。

系统要求

无线火灾探测系统的主要需求是检测早期火灾，要求最小的反应时间、有限时间和容错[5],简单,快速和灵活的安装,最后还要简单而有效的操作。

节能的自适应分层和强力的架构

EDETA是一种基于两个层次的新的协议,第一个由集群和第二形成的一个动态树。随机选举簇头和重新估计经过若干轮循环网络的结构。

簇头节点之间有一个接收模块在最底端的树结构用来允许数据通信。

协议支持多个接收模块,以提供更多的可伸缩性和一些容错机制就像我们在分段C中将看到的

LEACH协议中的选举,是选举一个低于已给出的阈值的随机数(1):

其中c是集群的数量,我们想要在网络,N是一组网络中的节点，t是一个参数,其值取决于时间的方程计算。初始网络配置时进行上述方程计算,假设t = 1。在网络配置过程中,也会评估是否有簇头节点需要普通节点变成簇头以防被孤立。在这种情况下t必须大于1,增加节点变成簇头的概率。

如果随机生成的随机数小于计算阈值,一个节点必须能量大于其他节点才能成为簇头(2)ET表示周围可能成为簇头的节点的剩余能量。

EDETA是时间限制协议。稍后将讨论,EDETA的操作分为几个阶段。这个阶段是时间限制的。这样，EDETA可用于时间是重要的变量的应用程序。

1. 运算

EDETA分为两个阶段,初始化阶段和正常运行阶段。有两个变量限制阶段的持续时间。时区变量限制了初始化阶段，时帧变量限制一轮正常运行阶段。

B.协议阶段

已经说过,EDETA操作分为两个阶段。首先,网络执行初始化。这一阶段持续最多两个时帧。节点选择簇头和树之间构建簇头之间收集到的数据发送给接收端。当网络构建完成，正常运行阶段开始。这个阶段需要可配置数量的时帧间隔。这取决于簇头在网络不能运行前运转的周期数,然后重新计算。在此阶段，簇头收集离他们固定距离的节点的数据,然后发送给处理段最终发送到接收端。经过若干轮,所有这些网络结构必须解散，重新开始过程。

初始化阶段。

在这个阶段建立了网络结构,它由三个分阶段组成。

第一部分,经过半个时区,基于上述解释的过程每个节点决定自己是否是簇头。当一个节点决定是簇头是向其他节点发送入簇信息。同时,簇头开始接收节点信息并决定哪个节点入簇来把信息发送给接收端。

这个决定只基于簇头之间的距离。但一个簇只会加入已经有通往接收端路径的簇。也就是说,它可以与其他簇头通信来决定自己直接还是间接发送数据给接收端。

同时,普通节点开始接收簇头的信息。他们储存这些信息然后决定哪个节点在第二阶段加入。这个过程和选举簇头的过程一样。

如果节点没有收到任何消息,它发送一个入簇消息。当一个正常的节点接收它,重新运行程序来决定它是否成为簇头,但需要增大t。当t值变大节点成为簇头的概率也变大。在这种情况下,我们必须增加可能性,因为我们需要尽可能快的建立网络。

这种节点随机布置的方法允许协议自由调节。最后阶段,树形结构构建然后普通节点决定它们加入哪个簇。

第二阶段,半时区期间,普通节点入簇并发送响应消息。之后正常节点进入睡眠状态。

簇头只能允许有限数量的节点加入。这个数字是由参数最小和最大给出。簇头接收所有入簇信息直到到达最大值。簇内节点到达最大值时,它将不再允许新的节点加入。

最后,第三阶段期间一个周期内，每个子节点向上级发送从其他节点收集信息所需要的时间。上级决定哪个时间哪个节点给他发送信息。然后重复这个过程。这一过程持续进行直到整个结构的安排结束。

正常工作阶段

这时,网络结构,在预定的时间每个节点都必须将其数据发送到簇头,在剩余时间节点进入睡眠状态。当簇头已经收到了所有的数据节点,它合计并将其发送给他的上一层。

已经说过,一个集群的上层通知其下层的时间发送数据。下层会发送数据同时接收消息。这允许上层决定什么时候发送数据。这让容错机制变得可行比如后面讨论的，除去冗余信息。此外,此机制允许所有网络内节点之间时间同步。

这一阶段持续执行。在这之后，网络被认为不能工作后重新开始前面的阶段。

C.容错机制

尽管这个算法的目的是使用较低的硬件成本,但是它能方便地提供容错机制

当网络故障时这个协议就出现了最大的问题。如果一个节点损坏,集群中的所有节点不能发送数据。子网络的簇头不能连通到接收端。

为了减少这类问题的影响,出现了替代节点。替代节点是集群中的一个节点,共享时间安排，当一个节点损坏它就去进行替代。

在初始阶段替代节点就预先被选好,基于节点的能量和它们之间的距离。但是,为了让正常节点处于低功耗状态一样,正常的节点将在第一轮正常运行。

这个替代节点持续监测节点的运行。

这样,如果一个节点损坏其替代节点检测到节点不再回应它的消息,它会取而代之。

另一个可能就是接收模块坏了。在单接收模块网络中没有可能的解决方案。但是,如前所说,该协议允许网络中的多个接收端的存在。

每个接收端是集群网络的最低端。如果接收端损坏，这个子网络就没有接收端。在这种情况下与其他网络进行合并。

是怎么做到的呢?第一级的网络接收不到接收端发来的信息。然后通知其他子网络同时这个网络中节点进入睡眠。报警是一个无线电信号,刺激一个无线电电路。这个无线电回路是由无线电信号供能,所以节点不会消耗能量听取信息。这个射频触发唤醒功能在[6]中提出。发出声音信号,网络中的所有节点将醒来,没有接收端的网络中的节点发送入簇信息加入其他簇群。

还有一个更强大的容错机制。当一个节点有一个暂时故障和执行重置或者当出现一个新的节点，它必须再插入到网络中。已经说过,整个网络将会继续运行由于替代节点的存在。因此,让我们看看怎样被插入到网络。

D. EDETA-e

EDETA-e是EDETA的子集,它允许工程师对网络信息和时延进行更多的控制。

E.模拟

由于EDETA-e的实现实验已经完成了,我们开发的ns2.33模拟器使用由麻省理工提供的micro;AMPS拓展。这些扩展是为ns2.1b5设计的我们将它移植到ns2.33 。在图1中,我们可以看出EDETA与目前较受欢迎的能量唤醒协议相比减少能源消耗的因素。此外,EDETA倍增传感器网络的生命周期。

无线火灾探测系统

传感器网络主要由自身的传感器构成。他们基于不同的探测目的由不同的传感器和循环构成。在这个火灾探测系统中有不同的类型。

火灾探测器由一个传感器自己控制连续地或定期检测火灾。他们的任务就是在没有人工干预的情况下迅速检测火灾。他们应该提供一个安全性高,避免假警报和无法检测的探测。为了提供这个功能设备经常自动校准和自动诊断机制来检查他们是否正确操作。图1

烟雾探测器:它们是用来探测火灾在第一阶段的情况。基本上这些探测器对燃烧产生光和漂浮在空中的颗粒十分敏感。现在存在两种类型:离子检测器和光学探测器。

火焰检测器:这些探测器对火苗产生的辐射敏感，例如紫外线和光线。有不同类型的探测器,每个探测器对每个光谱的辐射特性有不同的敏感度。主要是用来控制纯液体和易燃气体燃烧石油、极性溶剂或丁烷。

温度探测器:当环境中的温度由于热能的传递激增时，这些传感器就能发挥作用。

目前存在不同类型的传感器来测量温度,最常见的热电阻和半导体。

气体探测器:有火灾探测器探测燃烧的气体和产生的产品。这种情况我们有一氧化碳探测器和碳酸酐(CO2)探测器,特定气体会优先于其他气体被探测到,其他气体也一样如盐酸、氢氰化物,二氧化碳的硫、氨等。

最近出现的烟雾探测器可以同时探测一氧化碳和/或碳酸酐的产生,从而获得更好的结果。

基于在之前段落讨论的关于不同类型的火灾探测模型的可行性,在这个系统中我们选择了EI166RC电子感烟探测器。

图2

Ei166RC光电光学探测器,可以使用220 v电源供电或以自主方式由于一些锂充电电池,让它能够持续工作六个月。另外电池提供容错性(电力供应的问题)。这个设备的另一个有趣的特性是烟气流相机设计，这个设计能够不受气流和光线或者小型昆虫的干扰，从而大大降低了误报率。

这个检测器是基于一个快速的微型系统 A5358。他是一个低成本的而且能满足所有火灾特性的检测器。

探测器的控制和通信实现使用一个芯片系统的解决方案。具体使用的是德州仪器CC2430，这个芯片一直用于实现探测节点和接收端节点。

CC2430的是一个为基于内部标准IEEE 802.15.4无线个域网和提供服务的应用程序。CC2430结合了性能良好的射频CC2420无线电收发器和工业标准单片机8051的改进模型。这个设备有128 Kb的闪存和8 Kb的内存。

中央控制系统的警告在计算机上得以实现。这台计算机执行一个实现所有报警和控制功能的程序。

结论

在这个系统中,无线火灾探测系统作为基于一种新的节能型无线传感器网络和强壮的架构被提出了。我们将这个系统与LEACH协议相比,结果表明EDETA与目前较受欢迎的节能型网络相比有效减少了能源的消耗。此外,EDETA延长了传感器网络的生命周期。此外,它允许覆盖区域更大,同时提供一些容错机制,允许网络来处理一个或多个节点的故障。更重要的是,作为时间限制的协议,它适用于开发时间受限的安全应用程序如火灾探测系统。除此之外，支持多个接收端和簇群之间的树形结构提供了很大的可伸缩性并使WSN得到了广泛的应用。

在船舶上的无线网络探测器实验

在敌对的环境中Abstract-Wireless传感器网络(WSN)可能是一种非常有用的技术监测系统。很少在特定金属舰载环境中有这项技术的使用。这篇文章是写在实际情况中无线传感器在船上的部署。这个网络在船行驶和停留的过程已经测试了好几天。我们可以回忆之前关于无线电广播在船上的传播的结果。从而证明了网络的性能和拓扑结构的一致性。尽管渡轮是金属结构,机组人员和乘客都在运动,但是网络却很可靠并且具有好的连通性。网络的拓扑演化和传感器节点之间的RSSI分析水平也证实了之前的结论。

关键词：无线传感器网络；船舶；水密门 ；

介绍

标准化监测系统被设计来确保安全的公共使用的结构如桥梁、飞机、轮船和管道。船是一个商业和军事中最常用的东西。现有使用广泛的长度的电缆连接传感器和致动器来中央控制单元的船舶监控系统。使用无线传感器和中央单位之间的交流将减少大量的电缆，大大降低重量和结构复杂的管道[1]成本。然而,在船上无线通信受限的因素有：金属舱壁,水密门和多路径效应。无线通信在船上的可行性必须在把船上现有的监测系统换成无线网络传感器的基础上进行研究。很少有论文研究了船上的无线通信。在[2]中,作者已经分析了Zigbee算法对船上的旅客进行测量并且一个小的无线网络已经部署在主机舱和控制室之间。

在[3]中,一个传感器网络在船舶的主引擎舱中测试成功。在[4]中,我们测试了WSN在一艘停泊在港口的船舶上的运行。所有这些测量都是在船泊靠在港口的情况下进行的。到目前为止,还没在船舶运行过程中进行测量。由于主机或其他设备和乘客的运动可以影响无线通信质量,有必要测量船在运行过程中的情况。本文调查了船上的WSN在现实条件下的可行性。基于之前的研究结果,我们在“Armorique”船上三个较低的甲板部署了一个传感器网络。船舶在罗斯科夫(法国)和普利茅斯(英国)航行已经停留的过程中我们对无线网络传感器进行了测试。所有现实条件(船员和乘客的运动),固定和移动车辆(只在中转,“移动”)停车,打开汽车在发动机和发电机的房间,等hellip;)。遥感数据(温度、湿度、压力、环境光和加速度),以及数据包(传输数据包,发送和接收信号强度指示(RSSI),电池电压)已经被传感器节点收集和发送到放在控制室的基站。

本文的其余部分组织如下:第二部分描述了环境的考虑。第三节回忆我们之前测量“Armorique”的结果。在第四节提出了网络设置,

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