基于无线传感网络的火灾逃生分布式节点引导系统.pdf

一种基于无线传感网络的火灾逃生分布式节点引导系统，包括布建于建筑内各走廊和过道的传感器节点，所述各个传感器节点之间无线连接，所述各个传感器节点连接节点引导控制器，所述节点引导控制器包括：节点权值初始化模块、紧急情况发布模块、节点权值调整模块、节点引导模块、引导方向显示模块。本发明提供一种可靠性好、能有效辅助人们火灾逃生的基于无线传感网络的火灾逃生分布式节点引导系统。

权利要求书
1、  一种基于无线传感网络的火灾逃生分布式节点引导系统，其特征在于：所述分布式节点引导系统包括布建于建筑内各走廊和过道的传感器节点，所述各个传感器节点之间无线连接，所述各个传感器节点连接节点引导控制器，所述节点引导控制器包括：
节点权值初始化模块，用于将当前节点的权值进行初始化，其算式为：
Ii=Aemg×α×hc×e-Σj=1m1hj+ϵ---(1)]]>
上式(1)中，hj指节点i距出口节点j的距离，hc指距最近出口节点的最近距离，m为出口节点数，α是一个优化系数，通常取α<2pe2mxd,]]>p指初始权值占Aemg的最大比值，d指两出口节点的最大距离。当节点i为出口节点时，初始权值为0，Aemg为极大权值，此值用作初始化侦测到紧急状况的节点，ε指随机小数；紧急情况发布模块，用于当传感器节点的温度传感器或气体浓度传感器检测到发生火灾后，记录自身为紧急状态，并将该信号向周围节点发送。由于单个节点的射频信号无法覆盖整个网络，每个收到该灾难信息的节点记录距源点的距离后作为该灾难信息的中继再次将该信息向自身周围的节点发送，直到全网所有节点都收到该紧急信息；
节点权值调整模块，用于当前节点与紧急状态的距离小于危险区域半径D，当前节点的权值依照下式调整：
Az＝MAX{Az，Iz+Aemg×βe-μh}，其中β=hc+1hd+1---(2)]]>
上式(2)中，hc指该节点距离最近出口节点的距离，hd指该节点距最近危险节点的距离。由上述公式可以发现节点权值受自身距最近灾难点的距离影响，距离越大权值增量越小，同时算法考虑到节点距最近出口的距离，引入了系数β，该系数由节点由hc与hd的比例决定。参数μ指更新系数，通常μ>lnβ1-p;]]>节点引导模块，用于将当前的传感器节点与相邻的传感器节点的权值进行比较，如当前传感器节点不是出口节点，且其权值比相邻的传感器节点都要小，则再次修正权值，依照下式：
Az=STA(ANz)×1Nz+min{ANz}+δ---(3)]]>
上式(3)中，Ni指节点i的逻辑邻居个数，STA()指邻居权值的标准差，δ代表一个小常数，受该节点逻辑邻居节点权值标准差影响；
选择权值最小的相邻传感器节点为目标传感器节点；
引导方向显示模块，用于将从当前传感器节点到目标传感器节点的方向为引导方向，并将该引导方向在显示装置上显示。

2、  如权利要求1所述的基于无线传感网络的火灾逃生分布式节点引导系统，其特征在于：在所述节点引导模块中，如当前节点的相邻传感器节点有至少两个以上相同的最小权值，选择距离最近出口节点最近的节点为目标节点。

说明书基于无线传感网络的火灾逃生分布式节点引导系统
技术领域
本发明涉及基于无线传感网络的分布式路径引导机制，尤其是一种火灾逃生分布式节点引导系统。
背景技术
城市的现代化发展使得越来越多的人工作于大型现代化建筑中，尤其是高层建筑，一旦有灾难发生这些人口密集的建筑中，如果没有逃离灾难现场的有效引导后果将不堪设想。由消防统计数据显示我国2006年全年共发生火灾222702起，死亡1517人，受伤1418人，直接财产损失784468411元。消防部门分析指出，当火灾这类的紧急事件发生时，人们往往因为惊慌而不知道该往何处逃生，最常见的错误逃生方式有：(1)原路逃生：这是因为人们进入了一个不甚熟悉的建筑物，因此当紧急情况发生时就选择循原路逃离；(2)向着光源逃生：向着光源走是生物的基本本能，但是在火场内向着光源走也许意味着进入一个更大的火警区域；(3)盲目跟随：跟着大众一起逃生并不一定意味着会找到安全的逃生出口；(4)冒险跳楼等。因为这些错误的逃生方式而造成无谓之人员伤亡，也间接造成救护人员救灾的危险性。
从发生灾难到受灾人群发现灾难、完成逃生行为的时间间隔非常短。要在最短的时间内对逃生的人群做出最短路径的安全引导，使其按照安全方向指示迅速撤离到最近的安全出口，这种种紧急逃生的安全引导机制的意义重大，而无线传感器网络成本低，节点体积小且容易安放，因此有必要研究出一种基于无线传感器网络的分布式路径引导机制。
就目前来说，建筑物内的逃生仅仅停留在独立型标志灯上。怎样根据现场火警信息，利用无线传感器网络，把智能性的引导机制作为一个整体辅助人们逃生却是一个空白。
发明内容
为了克服已有火灾逃生方法的可靠性差、缺乏有效的引导的不足，本发明提供一种可靠性好、能有效辅助人们火灾逃生的基于无线传感网络的火灾逃生分布式节点引导系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于无线传感网络的火灾逃生分布式节点引导系统，所述分布式节点引导系统包括布建于建筑内各走廊和过道地传感器节点，所述各个传感器节点之间无线连接，所述各个传感器节点连接节点引导控制器，所述节点引导控制器包括：节点权值初始化模块，用于将当前节点的权值进行初始化，其算式为：
Ii=Aemg×α×hc×e-Σj=1m1hj+&epsiv;---(1)]]>
上式(1)中，hj指节点i距出口节点j的距离，hc指距最近出口节点的最近距离，m为出口节点数，α是一个优化系数，通常取α<2pe2mxd,]]>p指初始权值占Aemg的最大比值，d指两出口节点的最大距离。当节点i为出口节点时，初始权值为0，Aemg为极大权值，此值用作初始化侦测到紧急状况的节点，ε指随机小数；紧急情况发布模块，用于当传感器节点的温度传感器或气体浓度传感器检测到发生火灾后，记录自身为紧急状态，并将该信号向周围节点发送。由于单个节点的射频信号无法覆盖整个网络，每个收到该灾难信息的节点记录距源点的距离后作为该灾难信息的中继再次将该信息向自身周围的节点发送，直到全网所有节点都收到该紧急信息；
节点权值调整模块，用于当前节点与紧急状态的距离小于危险区域半径D，当前节点的权值依照下式调整：
Az＝MAX{Az，Iz+Aemg×βe-μh}，其中β=hc+1hd+1---(2)]]>
上式(2)中，hc指该节点距离最近出口节点的距离，hd指该节点距最近危险节点的距离，由上述公式可以发现节点权值受自身距最近灾难点的距离影响，距离越大权值增量越小，同时算法考虑到节点距最近出口的距离，引入了系数β，该系数由节点由hc与hd的比例决定。参数μ指更新系数，通常μ>lnβ1-p;]]>
节点引导模块，用于将当前的传感器节点与相邻的传感器节点的权值进行比较，如当前传感器节点不是出口节点，且其权值比相邻的传感器节点都要小，则再次修正权值，依照下式：
Az=STA(ANz)×1Nz+min{ANz}+δ---(3)]]>
上式(3)中，Ni指节点i的逻辑邻居个数，STA()指邻居权值的标准差，δ代表一个小常数，受该节点逻辑邻居节点权值标准差影响；
选择权值最小的相邻传感器节点为目标传感器节点；
引导方向显示模块，用于将从当前传感器节点到目标传感器节点的方向为引导方向，并将该引导方向在显示装置上显示。
作为优选的一种方案：在所述节点引导模块中，如当前节点的相邻传感器节点有至少两个以上相同的最小权值，选择距离最近出口节点最近的节点为目标节点，若最近出口节点距离也相等，则随机选择。
节点在以下情况中将重新发送一个EMG分组：
1.若节点收到的是新的灾难信息，则作为中继立即将信息转发给周围节点。
2.若节点在上述过程中改变过自身权值，则重新构造一新紧急分组，组播给自身逻辑邻居节点。
本发明的技术构思为：传感节点布建于建筑内各走廊和通道，以侦测周围的温度、气体等数据。当发生火灾时，距离火源较近的节点将首先发现该危险，并向全网广播紧急信号，收到信息的各节点通过实时分布式算法计算出目标下一步的安全行走方向并以箭头形式在LED上显示。届时，整网络将呈现由所有单个节点指向联结组成的若干条安全路径，这些路径将最大可能的避开灾难节点所形成的危险区域，并指引逃生人群逃离危险区域。首先无线传感器网络要进行初始化，各节点分配到各自的ID号并获得邻居节点的相关信息，一旦检测到紧急情况的发生，网络将在第一时间被迅速激活，并以报警声告知室内人群，同时，首先侦测到紧急情况的传感器节点也将激活分布式安全路径引导算法，通过该引导机制，全网各节点将在最短时间内自动计算出到最近出口的最安全的行走路径，并以方向显示牌来引导人群逃生。
算法由出口传感器引导开始，传感器网络初始化完成后，此时各节点将已获得本节点邻居节点的相关信息。首先由出口传感器节点向全网广播出口分组EP，每个节点逐跳累加计算与各个出口节点的跳数，节点每收到一个EP分组，就比较本节点距该出口节点的距离和距其他出口节点的距离，取最小值保存。
本发明以权值的概念来衡量每个节点的危险程度(以Ai表示)，权值越高表示该节点所处区域越危险，路径的引导将从权值较高的点逐步指向权值较低的点，直至引导至最近的出口节点，并以两个节点之间的最小跳数衡量节点间距离。在灾难发生时期，节点权值进行更新，下一个引导节点也要进行重新选择。
本发明的有益效果主要表现在：可靠性好、能有效辅助人们火灾逃生。
附图说明
图1是基于无线传感网络的火灾逃生分布式节点引导系统的流程图。
图2是分布式节点引导的流程图，其中
neighbours.value：当前节点的逻辑邻居节点的权值
D：一个常数，表示最小安全距离
STA(AN)：标准差
AN：表示当前节点的逻辑邻居节点的权值
β，δ：表示两个较小的优化系数。
图3是节点初始化的流程图，其中：
INIT_TIMER清零则结束权值初始化过程
REGISTER_TIMER清零则结束权值分发过程
Aemg：一常数，指灾难节点最大权值
hi：距出口节点i的逻辑距离
α：一个较小的系数
ε：一个随机小数。
图4是实例中的一个建筑某层的平面结构图。
图5是初始权值分布的示意图。
图6是某个时刻某处发生火灾的示意图。
图7是给出相应的引导方向的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图7，一种基于无线传感网络的火灾逃生分布式节点引导系统，所述分布式节点引导系统包括布建于建筑内各走廊和过道的传感器节点，所述各个传感器节点之间无线连接，所述各个传感器节点连接节点引导控制器，所述节点引导控制器包括：
节点权值初始化模块，用于将当前节点的权值进行初始化，其算式为：
Ii=Aemg×α×hc×e-Σj=1m1hj+&epsiv;---(1)]]>
上式(1)中，hj指节点i距出口节点j的距离，hc指距最近出口节点的最近距离，m为出口节点数，α是一个优化系数，通常取α<2pe2mxd,]]>p指初始权值占Aemg的最大比值，d指两出口节点的最大距离。当节点i为出口节点时，初始权值为0，Aemg为极大权值，此值用作初始化侦测到紧急状况的节点，ε指随机小数；紧急情况发布模块，用于当传感器节点的温度传感器或气体浓度传感器检测到发生火灾后，记录自身为紧急状态，并将该信号向周围节点发送。由于单个节点的射频信号无法覆盖整个网络，每个收到该灾难信息的节点记录距源点的距离后作为该灾难信息的中继再次将该信息向自身周围的节点发送，直到全网所有节点都收到该紧急信息；
节点权值调整模块，用于当前节点与紧急状态的距离小于危险区域半径D，当前节点的权值依照下式调整：
Az＝MAX{Az，Iz+Aemg×βe-μh}，其中β=hc+1hd+1---(2)]]>
上式(2)中，hc指该节点距离最近出口节点的距离，hd指该节点距最近危险节点的距离。由上述公式可以发现节点权值受自身距最近灾难点的距离影响，距离越大权值增量越小，同时算法考虑到节点距最近出口的距离，引入了系数β，该系数由节点由hc与hd的比例决定。参数μ指更新系数，通常μ>lnβ1-p;]]>节点引导模块，用于将当前的传感器节点与相邻的传感器节点的权值进行比较，如当前传感器节点不是出口节点，且其权值比相邻的传感器节点都要小，则再次修正权值，依照下式：
Az=STA(ANz)×1Nz+min{ANz}+δ---(3)]]>
上式(3)中，Ni指节点i的逻辑邻居个数，STA()指邻居权值的标准差，δ代表一个小常数，受该节点逻辑邻居节点权值标准差影响；
选择权值最小的相邻传感器节点为目标传感器节点；
引导方向显示模块，用于将从当前传感器节点到目标传感器节点的方向为引导方向，并将该引导方向在显示装置上显示。
在所述节点引导模块中，如当前节点的相邻传感器节点有至少两个以上相同的最小权值，选择距离最近出口节点最近的节点为目标节点，若最近出口节点距离也相等，则随机选择。
节点在以下情况中将重新发送一个EMG分组：
1.若节点收到的是新的灾难信息，则作为中继立即将信息转发给周围节点。
2.若节点在上述过程中改变过自身权值，则重新构造一新紧急分组，组播给自身逻辑邻居节点。
本算法的实例描述：如图4是一个建筑某层的平面结构图，浅蓝色方块代表房间或建筑实体，空白代表走道，字母代表布置在该层通道上的传感器节点。其中，我们可以看到A、C、D、L、W、U节点位于该层的出口位置(例如绿色安全通道或楼梯)。绿色连接线表示节点之间的逻辑关系，也就是说，相连的节点都相互为逻辑邻居关系，比如J与I、F、K、O四个节点相连，这表示I、F、K、O这四个节点是J的逻辑邻居节点，其实际意义可以这样理解，当前一个人在节点J所在的位置，现在他要离开这个位置必须经过I、F、K、O这四个节点之一。
现在算法开始执行，首先进行初始化，每个节点将根据自己距每个出口节点的距离来计算自身初始权值，距离以节点间逻辑关系中继跳数的最小值决定，比如节点S距出口节点U的最小跳数是3，因为S距U的最小路径是S→V→T→U，其中出口节点的权值为0。初始权值分布如图5所示。
图5中节点的初始权值由如下方法计算：
Ii=Aemg×α×e-Σj=1m1hj+&epsiv;]]>
其中Aemg指极大权值，本例中Aemg＝100；
α＝0.1×hc，hc指距最近出口节点的最小距离；
ε指一个小于0.1的随机非负数，目的为减少节点初始权值相同的概率；
hj指距出口节点j的距离，m指出口节点的个数，本例中m＝6；
以节点H为例，H距6个出口节点A、C、D、L、W、U的最小距离分别是2、3、5、4、6、5，其中hc＝2，我们任取ε＝0.03，我们可以如下计算：
IH=100×0.1×2×e-(12+13+15+14+16+15)+0.03&ap;6.73]]>
节点初始权值的大小表明了节点潜在的危险程度，例如上图中节点O的初始权值较大，说明处在该点位置的人将处于相对不利的位置，因为该节点距各个出口节点的距离都比较大，一旦发生灾情，从该点逃向任何一个出口点都需花费相对较多的时间。
接下来网络开始正常工作，例如某个时刻某处发生火灾，如图6所示。
图6中表示灾难发生位置，灾难发生后，节点I和N首先侦测到灾情，并置自身权值为Aemg即100，然后两节点分别向周围广播灾难信息，以告知网络中其他节点发生灾难，收到灾难信息的节点经判断认为该灾难是一个新事件，并判断自身距灾难节点I、N的最小距离是否小于D，这里D指最小安全距离，它由信息中继跳数决定，本例中D＝1，也就是说，我们视所有距灾难节点距离小于等于D的节点为紧急节点，表示该节点已受到灾难威胁，需要立即增大权值。上图中节点I和N的信号发射范围用蓝色虚线框表示(由于墙壁等障碍物阻挡，单个节点的射频信号会受到不同程度的削弱)，从图中我们可以看到，节点H、J、M、R在信号覆盖范围内，所以这4个节点必须增大权值(图中以橘黄色节点表示)。其余节点由于需要这4个节点的中继才能收到灾难信息，它们距灾难节点的距离为2大于D，因此它们只需记录下灾难信息，但不需要增大权值。
权值的更新由如下方法计算：
A＝MAX{A，I+Aemg×β×e-μh}
其中I指节点初始化权值；
β=hc+1hd+1,]]>hc指距本节点最近的出口节点的最小距离，hd指距本节点最近灾难节点的最小距离；
μ是一个更新系数，本例中μ＝1.6；
h指本节点距当前灾难点的距离；
紧接着，收到信息的每个节点将逻辑邻居节点中权值最小的节点作为下一步引导方向，并给出相应的指示，如图7所示。
至此，以上第一轮引导过程结束，当灾情蔓延或者有新的灾难发生时，算法将动态更新相应节点的权值，并动态显示逃生路径。