基于无线传感器网络的城市商业密集区消防监控系统示范项目可行性研究报告.docx
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基于无线传感器网络的城市商业密集区消防监控系统示范项目可行性研究报告
基于无线传感器网络的城市商业密集区消防监控系统示范项目可行性研究报告
目录
⒈项目概述3
⒉项目的必要性和立项意义5
⒉⒈项目的必要性5
⒉⒉立项的意义6
⒉⒊国内研究现状与发展8
⒊研究内容9
⒊⒈研究内容9
⒊⒉研究目标10
⒊⒊拟解决的关键问题10
⒊⒋研究方法10
⒊⒌技术路线11
⒋可行性分析12
⒌市场需求情况和风险分析14
⒌⒈项目市场需求14
⒌⒉风险分析14
⒍可行性研究结论16
⒎主要参考文献17
⒈项目概述
随着经济和技术的不断发展,城市高层、超高层建筑、地下建筑和商业密集区的日益增多,火灾隐患也大大增加。
现阶段火灾的特点是无法对一些商业密集区进行火灾的监控、由于人为因素导致一些已安装火灾自动报警系统高层建筑的火灾信息漏报、迟报,报警设备出现故障没有及时恢复开通,造成火势蔓延,酿成无法估量的损失。
一些重点消防单位虽然根据要求安装了火灾自动报警系统,但由于管理维护不善及值班人员责任心不强,脱岗、睡觉、酗酒等,致使火灾时有发生。
如1988年9月某市地下商场火灾,持续了17小时,直接经济损失150万元;1993年5月13日,某市万寿宫商城二区发生火灾,大火烧毁、坍塌房屋面积1.3万平方米,造成568个摊位和部分机电设备被烧毁,209个集体和个体工商户、123户居民受灾,直接财产损失585.6万元;1993年8月12日,北京隆福大厦由于中央控制室的值班人员邱某严重不负责任,后楼起火后,控制器显示报警,邱某认为误报,随手解除,结果造成火灾,使价值几十万的消防设备化为灰烬,造成直接经济损失2100万元;1996年3月28日,辽宁沈阳商业城因维修电源线路而将总电源关闭,致使火灾自动报警系统处于停电状态,火灾发生时自动报警系统没有发挥应有的作用,导致小火酿成大火灾,造成直接经济损失5519.2万元。
城市是一个地区的政治、经济、文化中心,城市火灾如果得不到及时、适当的处理,就有可能严重危害城市安全,对人民利益产生重大损害。
如何预报、预防城市火灾的发生,特别是在城市商业发达的区域,商店林立、流动人口众多,传统的消防监控设备不适宜安装在这些区域。
随着微机电系统、通信技术和计算机技术的飞速发展,无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,简称WSN)作为一种新型的信息技术日益受到研究人员的高度重视,节点在自组织成网络后,可以将火源位置、温度等重要信息实时发送到嵌入式SinkNode,再由嵌入式SinkNode按自定义传输协议传送到监控中心。
项目设计适用于城市商业密集区消防监控的无线传感器网络系统原型,主要研究适用于消防监控的无线传感器网络节点、拓扑结构、MAC协议、路由协议和嵌入式SinkNode,从而对城市商业密集区的消防状态进行实时监控,加大监控的覆盖面,实现早期预警、自动报警,达到防灾、减灾的目的。
无线传感器网络节点具有体积小、价格便宜、低功耗的特点,相比传统的消防有线监控系统,具有投资少、维护费用低、易实现的优点,也可以推广应用到其他监控领域,故具有良好的市场应用前景。
⒉项目的必要性和立项意义
⒉⒈项目的必要性
无线传感器网络是由具有通信与计算能力的微小无线传感器节点构成的自治网络系统,是能根据环境自主完成指定任务的“智能”系统。
在无线传感网络中,每个节点的功能都是相同的,一定数量的无线传感器网络节点分布在整个被观测区域中,各个无线传感器网络节点将自己所探测到的信息通过初步的数据处理和信息融合之后传送给网关节点。
网关(SinkNode)是一个特殊的节点,可以通过因特网或者是无线局域网等与监控中心通信。
相对传统网络,无线传感器网络具有以下特点:
①以数据为中心(datacentric)。
②自组织。
③节点数量众多,分布密集。
当被监测区域中的个别节点损坏时,不会造成该区域的无线传感网络崩溃,网络仍能为系统提供可靠的监测数据。
因此,将无线传感网络应用于城市消防监控系统,可以使系统在信息获取方面具有以下优势:
分布节点中多角度和多方位信息的综合,有效地提高了对被监测区域的观测的准确度和信息的全面性。
传感器网络低成本、高冗余的设计原则为整个系统提供了较强的容错能力。
节点中多类型传感器的混合应用有利于提高探测的性能指标。
多节点联合,形成覆盖面积较大的实时探测区域。
借助于个别具有移动能力的节点对网络拓扑结构的调整能力,可以有效地消除探测区域内的阴影和盲点。
在基于无线传感器网络的城市消防监控系统中,覆盖局部的传感器网络的各中继基站点通过无线传感器网络自组织技术形成可以覆盖全城的Mesh网络,该网络与其它网络资源相结合,可以形成安全、可靠的城市消防监控系统。
该系统从结构可以分为两层,在不同的层面上应用不同的网络设备构成网络:
①传感末梢网
传感末梢网端机集微型传感器、信号处理单元、无线通信模块于一体,实现对多种目标信息的采集、融合和传输,是嵌入系统、无线网络、传感器三大技术集成与汇集的成果,具有微型化、低功耗、易于安装,即插即用、自识别,自诊断,高可靠性等特点。
传感末梢网端机也可以通过标准接口接入公网,充分利用公网基本覆盖整个城区的优势,快速构建全覆盖、即插即用传感网。
②公网
公网指PLMN网、卫星网、因特网等公用事业网。
⒉⒉立项的意义
无线传感器网络技术是一种集成了传感器、微机电系统(MEMS)和网络技术而形成的一种全新的信息获取和处理技术。
它大大扩展了传统传感器的应用范围,将对人类未来的生活方式产生深远影响。
2003年2月,美国技术评论杂志《TechnologyReview》评选对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术,无线传感器网络名列第一,被认为是21世纪最重要技术之一。
无线传感器网络是由一组部署在观测环境附近的大量的微型廉价低功耗的节点传感器以无线多跳(AdHoc)方式构成的无线网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖地理区域中感知对象的信息并发布给观察者。
无线传感器网络的节点由数据采集、数据处理、数据传输和电源四部分组成,如图1所示。
图1传感器网络节点示意图
节点在网络中可以充当数据采集者、数据中转站或簇头节点(cluster-headnode)的角色。
作为数据采集者,数据采集模块收集周围环境的数据(如温度、湿度),通过通信路由协议直接或间接将数据传输给基站(basestation)或汇聚点(sinknode);作为数据中转站,节点除了完成采集任务外,还要接收邻居节点的数据,将其转发给距离基站更近的邻居节点或者直接转发到基站或汇聚点;作为簇头节点,节点负责收集该簇内所有节点采集的数据,经数据融合后,发送到基站或汇聚点。
无线传感器网络的体系结构如图2所示,大量传感器节点被布置在整个被观测区域中,各个传感器节点将自己所探测到的有用信息经过初步的数据处理和信息融合之后传送给用户,数据传送的过程是通过相邻节点转发的方式传送回基站,然后再通过基站以卫星信道、互联网或者移动通信网络等方式传送给监控中心。
图2传感器网络体系结构
无线传感器网络在许多领域都有重要的应用。
在军事上:
使用声音、压力等传感器可以侦探敌方阵地动静,人员、车辆行动情况,实现战场实时监督、战场损失评估等;在环境科学研究方面:
可以实现诸如野生动植物栖息地生态环境监控,海洋、大气和土壤的成份监控,农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况监控,降雨量、河水水位监控,森林火情监控,水灾预警等;在医疗上:
可以远程实时监控病人的病情,长时间地收集人的生理数据,甚至实现在人体内植入人工视网膜(由传感器阵列组成)让盲人重见光明;在商业上:
无线传感器网络可实现城市车辆监测和跟踪,基础设施安全,仓库管理、家居智能化等应用。
基于无线传感器网络的城市消防监控系统是新一代的城市消防监控网络系统,它结合城市已有的网络,实现消防单位监控中心、消防支队监控中心、消防总队监控中心之间的互联,使报警信息能够在各部门之间及时、通畅地传递,为及时地发现火灾、有效地控制和预防火灾、科学地管理和维护消防设备构建了一个可靠的、现代化的无线网络平台。
因此,成功建设与实际应用新一代城市消防监控系统,对于监督和提高自动消防报警系统的开通率,解决城市商业密集区的消防监控问题,加大监控的覆盖面,实现早期预警、自动报警,达到防灾、减灾的目的,实现城市消防系统运行管理的数字化、网络化、现代化,从而提高城市的总体消防水平具有重要意义。
⒉⒊国内研究现状与发展
无线传感器节点的发展趋势是集成化、微机械化和智能化。
无线传感器网络软件的发展趋势是制定协议栈中各层协议的统一标准;充分结合目前已经成熟的无线传输技术,根据应用环境和网络条件,优化协议栈,使各层的协议能在不同的协议之间自主切换;结合容错性、抗干扰性和功耗等关键指标的要求进行全局跨层设计。
目前,国内“未见将无线传感器网络技术应用于城市消防监控;设计基于时分复用的混合型无线传感器网络MAC协议;充分考虑无线传感器网络的最小跳数场,设计动态链路质量监控路由协议的国内公开研究文献报道。
”(引自查新报告)
⒊研究内容
⒊⒈研究内容
在城市商业密集区部署无线传感器网络节点,各个传感器节点将监测到的火源位置、温度等重要信息经过初步的数据处理和信息融合后传送给节点所在区域的网关节点,网关节点通过无线局域网或者以太网与监控中心通信,使监控中心能够及时监控城市消防动态。
在目前已建立的无线传感器网络实验平台的基础上,设计适用于城市商业密集区消防监控的无线传感器网络系统原型,即研究适用于城市消防监控的无线传感器网络节点、拓扑结构、MAC协议、路由协议和嵌入式SinkNode。
◆研究适用于城市消防监控的无线传感器网络节点、嵌入式SinkNode。
该节点应能进行火灾探测、自动报警,同时,根据该类节点均部署在室内这一特点,研究其供电模式;
◆研究无线传感器网络拓扑结构。
研究商业密集区消防无线传感器网络的组织特点,设计网络拓扑结构;
◆研究无线传感器网络MAC协议。
设计合理的MAC协议,以降低无线传感器网络中的通信冲突;
◆研究无线传感器网络路由协议。
研究商业密集区无线传感器网络节点的部署特点,并考虑最小跳数场,设计相适应的路由机制。
⒊⒉研究目标
建立适用于城市商业密集区消防监控的无线传感器网络系统原型,从而对城市商业密集区的消防状态进行实时监控,加大监控的覆盖面,实现早期预警、自动报警,达到防灾、减灾的目的。
⒊⒊拟解决的关键问题
◆无线传感器网络内部通信的抗干扰技术。
无线传感器网络节点间进行通信时,信号可能由于一些障碍物或其他电子信号干扰而受到影响;
◆无线传感器网络拓扑结构。
无线传感器网络的拓扑结构是无线传感器网络自组织的关键,有多种形态和方式,合理的拓扑结构可以提高资源利用率;
◆商业密集区无线传感器网络的MAC协议、路由协议;
◆时钟同步机制。
消防监控系统要求信息的传输必须具有实时性,而无线传感器网络中不同的节点有自己的本地时钟,有效同步系统中各个节点的时钟是城市消防监控系统中的关键问题。
⒊⒋研究方法
◆模型、分析、实验和原型:
通过分析国内外前沿工作和根据以往的研究经验,提出明确的研究方向和一系列需要解决的关键问题,并给出解决这些问题的粗略方案。
在项目的实施过程中,通过进一步的研究和试验,逐步细化、完善或修改现有方案,在实验平台上验证和测试提出的拓扑结构、MAC协议和路由机制,并应用到原型系统中。
◆加强国内外交流,参与国内外讨论:
在项目实施的过程中,不断消化吸收国内外先进水平的研究成果,同时积极参与相关的国内外会议,发表自己的见解,与国内处于先进水平的研究机构进行讨论与交流。
⒊⒌技术路线
◆无线传感器网络内部通信的抗干扰技术。
根据城市商业密集区消防无线传感器网络节点均部署在室内的特点,拟采用混合供电模式,同时加大无线收发模块的功率,以解决障碍物或其他电子信号对网内通信的干扰。
◆无线传感器网络拓扑结构。
根据城市消防无线传感器网络节点均由人工部署的特点,在无线传感器网络自组织阶段,拟采用基于父子关系的树型网络拓扑结构,从而简化路由问题和链路质量的测试方法。
◆商业密集区无线传感器网络的MAC协议。
根据消防无线传感器网络在自组织过程中无实时性要求的特点,拟采用基于时分复用的混合式MAC协议,即在网络自组织过程中采用随机退避算法,自组织完成后采用时分复用算法。
◆商业密集区无线传感器网络的路由协议。
如上所述,拟采用树型拓扑结构,因此,其路由协议拟采用父子路由,即由子节点传向父节点,直到Sink节点,再由Sink节点传到监控中心,达到简化无线传感器网络路由的目的。
◆时钟同步机制。
拟采用如下方法解决各节点的时钟同步:
首先由Sink节点广播携带时间戳的同步消息,其他节点收到该消息后,取出自身时钟,用校准算法进行时间的同步。
⒋可行性分析
①技术准备充分
我们一直跟踪国际上传感器网络的研究进展,全面收集整理了传感器网络路由协议、拓扑结构、MAC协议、跟踪和原型实现等方面的大量文献,特别是在路由、拓扑、MAC协议等方面进行了大量的调查研究和讨论,在此基础上总结了目前存在的问题和未来的研究方向,并初步提出适合城市消防监控的传感器节点、无线传感器网络中的各层协议的设计思想,明确了技术路线,为课题研究提供了坚实的理论基础。
②技术路线可行
我们针对城市商业区店面密集、人员流动大的特点,考虑到传统的火灾自动报警系统由于价格昂贵、占地面积较大等缺点,提出了基于无线传感器网络的城市消防监控系统。
该系统充分考虑到实际的应用情况,结合无线传感器网络自省的特点,从技术上解决无线网络内的通信问题、设计出高效的无线传感器网络结构、适用于消防监控系统的MAC协议和路由协议、建立了适应消防无线传感器网络的时间同步机制。
③丰富的经验积累
项目负责人领导的开发团队于2004年完成了“城市消防设施远程自动监控系统”的开发,2005年6月,该项目通过由江西省科技厅组织的专家鉴定,鉴定结论“达国内领先水平”,目前已在江西、福建、新疆和四川等省实施。
项目负责人开设了“无线传感器网络技术”、“移动IP技术”研究生课程,对无线传感器网络中的节点定位、MAC协议和路由协议进行了较为深入的研究,主持、参与并完成多项无线传感器网络应用项目(如航空基金“空地导弹靶场分布自治式无线传感器网络监视技术研究”、江西省科技攻关重点项目“基于Range-free的无线传感器网络节点自主定位技术及应用”和江西省教育厅科研项目“无线传感器网络应用中节点定位技术的研究”),已在国内外核心期刊、国际会议上发表5篇无线传感器网络论文。
在此基础上,提出了本项目的研究内容、关键问题,明确了技术路线,为项目研究提供了坚实的基础。
④良好的支撑条件
某航空工业学院计算机学院是江西省内较早从事无线传感器网络研究的单位,已建立了无线传感器网络实验室,该实验室有三台工作站,12台PC机,以及由20个节点组成的无线传感器网络实验平台;此外,计算机学院拥有一个与财政部共建的网络技术实验中心、一个分布式系统实验室和嵌入式系统实验室,该中心具备173台Cisco路由器和交换机,146台PC机,具有良好的网络运行及测试环境,可以进行网络测试、网络协议开发和嵌入式产品的开发。
上述实验设备为项目提供了良好的实验环境。
⒌市场需求情况和风险分析
⒌⒈项目市场需求
随着我国经济建设和城市建设迅猛发展,有影响的特大恶性火灾增多,消防通信装备的落后,已明显不适用城市发展的需要。
城市是一个地区的政治、经济、文化中心,城市火灾如果得不到及时、适当的处理,将严重危害城市安全,对人民利益产生重大损害。
特别是在城市的商业密集区,预防和及时发现火灾可以最大限度地减少经济的损失。
我国共有661个建制市,1649个县,即全国有2310座城市,目前,全国只有不到四分之一的城市建立了基于有线的消防远程监控网络系统,即使是已经建立了消防远程监控网络系统的城市,其系统也仅仅是覆盖了城市高层、超高层建筑等重点消防单位。
基于无线传感器网络的城市商业密集区消防监控系统能有效避免城市消防的死角,扩大远程监控系统的覆盖面,及时有效地发现可能的火灾;同时,相比传统的消防有线监控系统,具有投资少、维护费用低、易实现的优点,故具有良好的市场应用前景。
⒌⒉风险分析
从现有文献看,在具体应用领域中,虽然国外已有一些公司从事无线传感器网络的研究和开发,但产品大多还处在实验阶段,并未形成大规模地商业化应用,应用于城市商业密集区消防的研究也尚未见公开报导。
国内基于无线传感器网络定位技术的研究已经在一些研究所和高校中展开,主要工作集中在理论研究阶段,针对无线传感器网络在城市消防商业化应用的研究尚处于空白。
因此,本项目具有很好的市场前景,且市场风险较小。
(详见查新报告)
某航空工业学院计算机学院于2003年开始对无线传感器网络进行研究,目前已建立起无线传感器网络实验室,并构建了具有20个节点的无线传感器网络实验平台,成功申报了三项无线传感器网络的省部级科研课题,2004年开发了“江西省消防远程服务网”,并通过江西省科技成果鉴定,因此,具有很好的前期技术工作基础,并有一支科研能力很强的研究团队,本项目的技术风险小。
某航空工业学院近年来承担了国家级、省部级、国防预研等科研项目,具有一支经验丰富、高素质的科研管理队伍,因此,本项目的管理风险小。
⒍可行性研究结论
无线传感器网络被认为是二十一世纪最重要的技术之一,它把人类的感知能力直接延伸到了客观物理世界。
本项目提出基于无线传感器网络的城市消防监控系统,在技术上可行,市场风险较小。
本项目的开发不仅能为进一步深入无线传感器网络的研究打下坚实的基础,而且可以为国民经济的可持续发展做出贡献,能产生良好的社会效益和经济效益,具有广阔的市场前景。
综上所述,该项目是可行的。
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