基于matlab的无线传感器网络_毕业设计论文

基于matlab的无线传感器网络

1 引言

1.1 背景和发展

俗语有云“水火无情”。当今，火灾是世界各国人民所面临的一个共同的灾难性问题。它给人类社会造成过不少生命、财产的严重损失。随着社会生产力的发展，社会财富的日益增加，火灾损失上升及火灾危害范围扩大的总趋势是客观规律。据联合国“世界火灾统计中心”提供的资料介绍，发生火灾的损失，美国不到7 年翻一番，日本平均16 年翻一番，中国平均12 年翻一番。全世界每天发生火灾1 万多起，造成数百人死亡。近几年来，我国每年发生火灾约4万起，死2000多人，伤3000—4000 人，每年火灾造成的直接财产损失10 多亿元，尤其是造成几十人、几百人死亡的特大恶性火灾时有发生，给国家和人民群众的生命财产造成了巨大的损失。严峻的现实证明，火灾是当今世界上多发性灾害中发生频率较高的一种灾害，也是时空跨度最大的一种灾害。

因此，火灾的监控成为科研工作的一大课题。随着科技的进步, 现代火灾监控系统正朝着分布式、网络化、智能化的方向发展。人们不仅要求系统稳定可靠, 功能齐全, 而且还要求能够结合无线通信的优势, 实现无线监控, 实时掌握系统的运行状态。传统的火灾监测系统主要安装红外或微波等各种类型的报警探测器, 通过有线方式与计算机安全综合管理系统联网, 计算机系统对报警系统进行集中管理和控制。由于电子设备长期处于运行状态, 电气设备过载、过热、短路的火灾隐患较多。因此, 传统的火灾监控系统本身存在着很多的安全隐患。

本次设计便运用了无线传感器网络和动态机器人联合工作的思想设计了火灾监控系统。该系统共有传感器节点、机器人节点、危险敌对区域搜索节点和远端用户节点四种节点。无线传感器网络是由大量的具有温度、湿度采集功能、无线通信、计算功能的微小传感器节点构成的自组织分布网络系统。每个节点具有数据采集与路由功能。传感器节点最后把数据都发送到机器人节点处,机器人节点相当于网关负责融合、存储数据,并把它传送到Internet或卫星网络上将信息

传给用户节点。用户管理节点可以远程接收、分析数据,对火险进行监测和预报，即使发生火灾的时候具有消防功能的机器人节点也可以即时的通过传感器网络的数据信息最快的赶到火灾发生地点给予扑救。

1.2 章节的安排

本文重点研究了无线传感器网络应用于区域火灾监控，当区域内发生火灾的时候可以通过无线传感器网络导航机器人执行任务，解决危险事件。本设计主要是对无线传感器网络实现火灾监控与营救的方法进行仿真研究。

设计内容安排如下:

第一章是引言主要介绍了火灾监控技术的背景和发展，以及本文章节的安排；

第二章主要介绍无线传感器网络的基本知识，包括传感器网络的简介和发展、与有线网络的区别、网络特点，传感器节点、在社会各个领域的应用；

第三章介绍基于MATLAB7.0的仿真，包括MATLAB7.0的简介、特点及图形用户界面；

第四章分析火灾监控与营救，简要说明硬件要求，并软件实现本仿真过程；

第五章对全部设计进行总结。

2 无线传感器网络

2.1 无线传感器网络的简介和发展

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks．WSN)就是由部署在监测区域内大量的具有特定功能的传感器节点(sensor node)通过自组织的无线通信方式，形成一个多跳的网络系统，从而相互传递信息，协同合作来完成特定任务。无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域都有重要的实用价值，已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一[1]。

近年来, 国内外在无线传感器网络的研究应用上取得了很多成果。无线传感器网络目前主要应用在环境监测和目标跟踪领域。学者提出了利用无线传感器网络构造一个支持火灾即时检测和灾后引导撤离的系统框架和用于森林火灾预警的无线传感器网络系统。前者由火灾检测传感器网络、数据收集层、中间件、逃离引导系统四部分组成。后者则描述了在森林火灾预警方面无线传感器网络比传统的基于卫星检测方法的优越性, 且在对数据进行融合时采用了神经网络的方法大大提升了数据处理的效率。相关文献还论述了铺设无线传感器网络用于住宅、商业区的危害检测方面的独特优势,并介绍一种混合无线通信方法—SIGMASPASE。它具有更大的检测范围和较小传输能量损耗[2]。

伴随着无线传感器网络的快速发展，以及人们对居住环境的要求越来越高，将无线传感器网络应用到火灾监控系统将是一种必然的选择。

2.2 传统的有线传感器网络和无线传感器网络的区别

传统的有线传感器网络，传感器的位置是固定的，拆卸、安装、调试、校准都不方便，对于环境条件差的地方信号线极易损坏，并且采用有线网铺建大范围网络投资大，网络布线困难传输距离有限。有线网络的终端，不仅铺设麻烦，而且维护就是很大的一个障碍。

相比之下，无线传感器网络采集到的数据更为准确、直接地反映监控现场的各种环境因素变化情况，而且时效性更好。无线传感器网络在无人值守的环境监测、灾害扑救等特殊领域，具有传统技无可比拟的优势。无线传感器网络技术在森林火险实时监测领域有着广阔应用前景，这已经引起了国内外许多研究者的高度重视。针对此，本文中提出了基于无线传感器网络的火灾监测系统的设计[3]。

2.3 无线传感器网络的结构

无线传感器网络通常包括传感器节点（sensor node）、汇聚节点（sink node）和管理节点（manager node）。大量的传感器节点随机的部署在监测区域，通过自组织方式构成网络，随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成网络,借助于节点中内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号,从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多我们感兴趣的物质现象。将监测到的数据通过路由方式送到汇聚节点，最终通过互联网或卫星送到管理节点，用户（个人电脑/PC）通过管理节点收到的信息对传感器网络进行配置管理和监测任务[4]。无线传感器体系结构如图2.1所示。

图2.1 无线传感器体系结构