火灾监控系统开题报告

火灾监控系统开题报告

中北大学

毕业设计开题报告

学生姓名：学号：08050541 学院、系：信息与通信工程学院电气工程系

专业：自动化

设计题目：基于matlab的无线传感器网络

火灾监控仿真软件设计指导教师:刘长明

2012 年3月15日

毕业设计开题报告

1．结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：

文献综述

一．火灾监控系统的发展历史

随着科技的进步, 现代火灾监测系统正朝着分布式、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【1】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, 传统的火灾监测报警系统本身也存在着安全隐患。

集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点借助于内置的形式多样的传感器测量周边环境的热、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、速度和方向等众多部署者感兴趣的物质现象。与传统的信息获取方式相比, 无线传感器网络具有自组织、功耗小、廉价和快速部署、可扩展性强、能在恶劣和特殊的环境下正常工作等优点【2】【3】。因此基于无线传感器节点的火灾监测系统将更加灵活、方便和可靠。

二．无线传感器网络的简介

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。【4】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

传统技术无可比拟的优势。

三．无线传感器网络在火灾监控方面的发展

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,并介绍了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。【5】

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。

无线传感器网络技术是一种功耗低、成本低、易应用的近距离无线通信技术。本设计将它与火灾报警系统有机的结合起来，通过无线传感器网络节点来传递火灾信息，节

点利用热释电红外传感器，CO 传感器和烟雾传感器同时捕捉火灾信号。【6】其中重要的是节点的设置，无线传感器网络中的传感器节点(sensor node)具有RFID功能，随机部署在被监测区域的各个部分，负责对红外线数据、CO浓度数据和烟雾数据的感知和采集，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，并通过无线通信技术将数据发送至汇聚节点(sink)，汇聚节点和监管中心通过互连网或卫星进行通信，[7]从而通过个人电脑(Pc)对数据进行处理分析，这样被监测区域中情况就可以及时传递给相关人员。

无线传感器网络监测系统最广泛采用的框架统为：所有的节点周期性地将采集到的数据发送到信息处理中心, 称为基站, 基站根据接到的数据判断某个预先定义的事件是否发生, 本系统称这种方式为“数据收集”。另一种更有效的现实方式为“数据压缩” , 节点对采集到的数据进行处理, 然后转发到基站。[8][9]然而, 这些方法对于实时要求很高的应用如紧急事件报警则不太合适。这些传统方法最大的缺点就是没有考虑到实时要求, 大量的数据交换将产生巨大的能量消耗, 同时基站需要对数据进行进一步的分析, 这可能导致报警信号不能及时发出。[10][11]

四．MATLAB7.0的简介

MATLAB是矩阵实验室之意，除了具备卓越的数值计算能力之外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。MATLAB的基本数据单位是矩阵，她的指定表达式与数学工种中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解决问题要比用C,FORTRAN等语言完成相同的事情简捷的多。在新的版本中加入了对C, FORTRAN,C++的支持可以直接调用。用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB 函数库中方便自己以后调用。MATLAB的基础是矩阵计算，但是由于它的开放性，并且marhwork也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。当前流行的MATLAB6.5/7.0包括拥有整百个内部函数的主包和三十种工具包。工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包。功能性工具包用来扩充MATLAB的符号运算，可视化建模仿真，文字处理及实时控制等功能。学科工具包是专业性比较强的工具包。控制工具包，信号处理工具包，通信工具包等都属于此类。除内部函数外，所有MATLAB主包文件和各种工具包都是可读可修改的文件，用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新的专用工具包。【16】

五.MATLAB7.0的特点

基于无线传感器网络的火灾监控系统可以使用MATLAB进行软件仿真。而MATLAB7.0是最常用的仿真软件，它有如下特点：

（1）友好的的工作平台和编程环境。

（2）简易易用的程序语言。

MATLAB允许用户以数学形式的语言编写程序，用户在命令窗口即可直接得出结果，这比C,Fortran和BASIC等高级语言都要方便的多。

（3）强大的科学计算机数据处理能力

（4）出色的图形处理能力。

MATLAB具有强大的图形处理功能，它本身带有许多绘图的库函数，可以很轻松地画出各种复杂的二维和多维图形。这些图形可以在于运行该程序的计

算机连接的任何打印机上打印出来，这使得MATLAB成为使技术数据可视化的

杰出代表。

（5）应用广泛的模块集合工具箱。

（6）实用的程序接口和发布平台。

（7）应用软件开发（包括用户界面）。

五．总结

基于matlab的无线传感器网络火灾监控仿真软件设计重点在于火灾监控系统的了解,无线传感器网络的应用和MATLAB软件的仿真应用。

参考文献：

[1] 王芳, 马幼军, 蒋国平. 智能化住宅防盗防火报警系统设计[J].传感器技术,

2002,(21) 10

[2]罗海勇, 李锦涛, 赵方等.温室无线测控网络信息采集分系统实际研究[J].

微电子学与计算机 2007，(24) 10

[3] 刘劲松，杨明，刘晓平.基于CC2430 和Zigbee2006 协议栈的通信模块设

计[J].单片机与嵌入式系统应用，2010,2:26-28.

[4] 王永祥，赵鹏伟．数据库中动态报表的制作[J]．电脑编程技巧与维护，

1999(1)：10一l2．

[5] 晏均, 周群彪, 谢晓阳.基于无线传感器网络的室内火灾报警系统

[J]．2007

[6] 赵凌，刘全利，王越等.基于无线传感器网络的森林火险监测系统的设

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[7] 张静.基于Zigbee 技术的火灾自动报警系统[J].山西财经大

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[8]caVaness c·Jakana Struts 编程[M]·孙江宏，杨继萍，译．北京：清华

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[9]赵红梅，王秋霞,赵晓宇．动态表单的设计与实现[J]．信息技术与信息化，

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[10]刘友生，陈一平，胡浪．基于数据表的动态表单处理技术[J]．计算机工

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[11]程敏明．谈谈数据库中动态报表的制作[J]．中国科技信息，2005(17)：

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[12]Zhilin P A．Dynamic forms of equilibrium of a bar com—pressed by

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[13] Horng Mong-Fong, Shih Chien-Chou, Hsieh Wen-Hsiung etc. A

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detection [J]. 2009 4th International Conference on Innovative

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[14] 路染妮，张刚.Zigbee 无线传感器网路的路由协议研究[J].电子设计工程，

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[15] 瞿雷，刘盛德，胡咸斌.Zigbee 技术及应用[M].北京：北京航空航天大

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[16]刘长明.基于无线传感器网络的火灾监测与营救方法的研究[J].控制理论

与控制工程.2008 (3) 5

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２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：本次课题的任务是设计一个仿真软件，监测一个区域的火灾情况和执行火灾发生以后的救灾策略。

在区域中布置无线传感器网络和具有灭火功能的机器人，监测区域中存在一些障碍物。要求当网络中的节点感应到火灾之后，通过传感器网络通知机器人。机器人赶到火源位置灭火，前进途中如若有障碍物，机器人要绕开障碍物。

因此，本文可看做是利用无线传感器网络进行区域火灾监控与救灾，之后使用MATLAB软件仿真。

基于无线传感器网络的森林火险监测系统的硬件设计

基于无线传感器网络(wirelesssensor network，WSN)的火险监测系统，整个系统的结构如图1所示。无线传感器网络中的传感器节点(sensor node)具有RFID功能，随机部署在被监测区域的各个部分，负责对温湿数据，CO浓度数据和烟雾数据的感知和采集，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，并通过无线通信技术将数据发送至汇聚节点(sink)，汇聚节点和监管中心通过互连网或卫星进行通信，从而通过个人电脑(Pc)对数据进行处理分析，这样被监测区域中温湿情况，CO浓度情况和烟雾情况就可以及时传递给相关人员，随时关注监测区域的火险情况。

基于MATLAB的仿真实验

仿真过程利用MATLAB7.0的图形用户界面（简称GUI）设计。GUI是由窗口,按键，菜单，文字说明等对象构成的一个用户界面。GUI的使用更易于图形表现得多元化，用户不需要一行一行的用程序来设定只用鼠标选择即可。在回调处理模式下，也可以用程序设计方式将各个相关的处理程序集成单一的处理系统。

GUI的制作包括界面设计和程序实现，即GUI的一般制作步骤：

（1）分析界面所要求实现的主要功能。

（2）初步手绘界面草图，并仔细审查草图。

（3）上机制作（静态）界面。

（4）编写界面动态功能的程序，对功能进行逐项检查。

仿真实验要确定一个监测区域，由MATLAB得GUI的axes坐标控件来表示。

坐标区域内仿真实验要用到三种节点：

（1）传感器网络节点

采用ZigBee协议标准。代表着安装了温湿数据传感器，CO浓度数据传感器和烟雾数据传感器的节点，随时监测区域内是否有火灾发生。

（2）搜索障碍物的节点

当监测区域不大时，我们可以通过目测找到障碍物，并进行标示.当监测区域过大或人员不方便进入区域标示时，我们可以安装有搜索障碍物的传感器的移动节点。让它在区域内搜索障碍物，当移动节点发现障碍物时就停下进行标示。因此，多个节点就可以确定障碍物的位置，形状和大小。

（3）机器人节点

将一个传感器安装在机器人上接收网络中传递的信息进行融合转发。当网络中的节点发现火灾时，就会在整个网络中广播火灾信号并且发送火灾的位置。机器人上的传感器节点接收到信号，则该机器人节点启动机器人进行灭火。

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指导教师意见：

张婷同学通过对设计的题目认真分析，进行了具体文献查询，提交的文献综述反应了对课题的初步认识。对无线传感器网络技术相关内容进行学习，针对将无线传感器思想应用到火灾监控领域的技术进行了分析。对matlab软件的程序设计进行总体的说明。从中可以看出该生对设计题目有了一个系统的认识。软件程序设计对于本专业本科毕业生是个必需熟练的技术，需要利用本科学习的经验进行分析学习，有一定的研究意义。综上分析，同意开题。

指导教师：

年月日所在系审查意见：

系主任：

年月日