基本信息
- 項目名稱：
- 基于無線傳感器網(wǎng)絡的智能消防系統(tǒng)
- 小類：
- 信息技術
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 針對現(xiàn)代火災中已經(jīng)呈現(xiàn)出的頻繁化、立體化、復雜化和多樣化的趨勢的問題，設計開發(fā)一個基于物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)代智能安防系統(tǒng)，使得新一代的消防設備具有更高的穩(wěn)定性和更強大功能，更好地保護人民的生命和財產(chǎn)安全。
- 詳細介紹：
- 根據(jù)數(shù)據(jù)流走向，本作品整體框架可分為四層，分別為訪問層、數(shù)據(jù)處理層、路由層、物理層。其中路由層和物理層屬于硬件部分，訪問層和數(shù)據(jù)處理層屬于軟件部分。 硬件部分是上位機與樓宇物理環(huán)境交互接口，同時也是整套系統(tǒng)魯棒性與否的重要保證。它將大樓中的無線節(jié)點采集到的消防參數(shù)和救援機器人獲得的現(xiàn)場參數(shù)通過XMesh網(wǎng)絡上傳到上位機，同時又經(jīng)過XMesh網(wǎng)絡下發(fā)給無線節(jié)點及救援機器人指令。 軟件部分是用戶與系統(tǒng)交互接口，同時也是整套系統(tǒng)智能化程度高低的重要保證。它的核心是著火點定位算法、火災報警算法、機器人定位算法和數(shù)據(jù)實時存儲。 同時從用戶角度看，本作品也可以分成火災報警系統(tǒng)和火災救援系統(tǒng)，兩個子系統(tǒng)之間相互嵌套相互聯(lián)系從而形成一個整體的系統(tǒng)。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 作品設計目的：針對現(xiàn)代火災中已經(jīng)呈現(xiàn)出的頻繁化、立體化、復雜化和多樣化的趨勢，基于物聯(lián)網(wǎng)技術研發(fā)新型的智能消防系統(tǒng)，更好地保護人民的生命和財產(chǎn)安全。 作品設計基本思路：把物聯(lián)網(wǎng)技術引入到當今的樓宇消防系統(tǒng)中，針對現(xiàn)代大型樓宇消防系統(tǒng)新的、最緊要的功能與技術需求提出相應的應對和解決方案。 創(chuàng)新點：以物聯(lián)網(wǎng)為框架，使用無線傳感網(wǎng)絡技術對現(xiàn)代消防系統(tǒng)進行改造，并在此基礎上使用故障診斷、聚類分析、組合導航和數(shù)據(jù)融合方法，解決原本復雜的火災探測、著火點定位、逃生路線繪制、主動救援等問題。 技術關鍵： 1、實現(xiàn)了一套性能穩(wěn)定，功能強大，自適應強的無線多跳消防網(wǎng)絡。 2、考慮成本、空間分布等因素，利用超聲波定位的精準性結合四輪機器人自帶編碼器的實時性，對救援機器人進行實時定位及控制。 3、系統(tǒng)融入基于傳感器陣列的火源定位算法，并且提出基于灰色關聯(lián)度的時延估計方法，改進了傳統(tǒng)的相關時延估計方法，并且對隨機的定位結果提出一種基于聚類的密集區(qū)域算法，在一定保證率下可以提高定位的精度。 4、系統(tǒng)實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的主元分析火災探測方法技術指標： 1、實現(xiàn)三十個無線消防節(jié)點，一個無線網(wǎng)關，600平方米覆蓋范圍，進行樓層消防網(wǎng)絡分配。 2、對救援機器人實現(xiàn)50cm以內(nèi)定位精度，并且能夠在諸如工作室、實驗室等復雜的室內(nèi)環(huán)境中精度不變。 3、對于靜風受限空間，且地表平坦的環(huán)境，火源定位算法能夠?qū)崿F(xiàn)1m以內(nèi)的定位范圍。
科學性、先進性
- 一、無線消防網(wǎng)絡 本系統(tǒng)根據(jù)消防系統(tǒng)的關鍵需求選擇使用Xmesh協(xié)議作為無線網(wǎng)絡的路由協(xié)議。Xmesh結構和優(yōu)點包括：TrueMesh；更多的傳輸服務；更多的服務質(zhì)量保證；更多的節(jié)點控制；健壯性檢查；時間同步；空中編程。 二、機器人定位 目前，主要的研究集中在提高傳感元件的精度、使用數(shù)學的匹配方法以及將傳感元件進行融合上。采用幾種方法結合使用，以充分發(fā)揮各自的優(yōu)點而避免各自的缺陷，從而提高定位系統(tǒng)的精度和可靠性。 三、基于傳感器陣列的火源定位 本系統(tǒng)提出基于灰色關聯(lián)度的時延估計方法，改進了傳統(tǒng)的相關時延估計方法，并且對隨機的定位結果基于聚類提出一種密集區(qū)域算法，在一定保證率下提高定位精度。 四、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的主元分析的火災檢測 該方法不需要知道具體的數(shù)學模型，而是基于采集的數(shù)據(jù)進行一個在線檢測，做到了實時性。
獲獎情況及鑒定結果
- 2011年 杭州電子科技大學“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術科技作品競賽 二等獎
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉(zhuǎn)讓方式
- 寧波繼明電器有限公司
作品可展示的形式
- 實物、現(xiàn)場演示
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 技術特點和優(yōu)勢： 各個火災感知點實際是體積不到20cm3內(nèi)嵌TinyOs操作系統(tǒng)的無線傳感器節(jié)點，各個傳感器節(jié)點又通過路由協(xié)議連接形成自組織多跳的樹狀無線網(wǎng)絡。上百個傳感器節(jié)點能夠像張網(wǎng)一樣分布在大樓的各個角落，通過節(jié)點上面的傳感器對現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)進行采集。最終各個節(jié)點的數(shù)據(jù)上傳到基站，繼而上傳到主控室的服務器上，上位機將會在此平臺上對節(jié)點參數(shù)進行數(shù)據(jù)融合，從而判斷出是否發(fā)生火災。如果發(fā)生火災，系統(tǒng)將會對著火點做出的精確定位，繪制出現(xiàn)階段最佳逃生路線并且將火災信息群發(fā)到大樓內(nèi)各個用戶的手機上。 適應范圍及推廣前景: 上海的11.15特大火災事故讓我們清醒的認識到現(xiàn)代火災已經(jīng)呈現(xiàn)出立體化、復雜化、多樣化的趨勢，它對人民的生命和財產(chǎn)造成很大的威脅。如果沒有一個功能強大且性能穩(wěn)定的消防系統(tǒng)在人口密集的樓宇中，那么隨著未來建筑中情況的復雜性越發(fā)增加，像此類的重特大火災事故將會再次發(fā)生。
同類課題研究水平概述
- 早期的火災探測器采用開關量工作方式，即火災參量的幅度高于某一值時，發(fā)出火警信號；低于某一值時，給出正常信號，這種方法稱為固定門限檢測法，如煙感探測器和定溫探測器。 自從模擬量火災探測系統(tǒng)的出現(xiàn)，火災探測器輸出的信號不再只是開關量，而是反映火災特征的模擬量即真正的傳感器信號，各種火災處理算法開始應用于火災探測之中。初期火災探測算法都是針對信號的確定值如幅度、趨勢和持續(xù)時間等特性進行的，處理方法是簡單的閾值比較、積分、濾波平滑和趨勢及斜率計算等。這種算法即使在今天，也有實用價值。王殊提出了計算可變趨勢的算法[5]以及復合特定趨勢，能夠根據(jù)信號的穩(wěn)定值識別復合信號位于穩(wěn)定值上方的正方向變化和穩(wěn)定值下方的負變化趨勢。在趨勢判斷函數(shù)中引入判別門限，有效克服了隨機噪聲干擾。在統(tǒng)計方法上，Thomas J.McAvoy.提出了一種基于統(tǒng)計的火災算法，它可以提高傳統(tǒng)感煙探測器的準確度，尤其對陰燃有良好的響應。楊宗凱提出的復合偏置濾波算法，應用單個火災信號或綜合兩種信號特征計算信號超過預定門限的持續(xù)時間，有效地克服了干擾信號。另外，Richard W.Bukowskietal.提出了根據(jù)實際火災的計算模型與探測器信號進行匹配來判斷火災的方法。 目前，由于基于單傳感器的火災探測系統(tǒng)，誤報率一直比較高，因此多判據(jù)的火災探測方法成為目前火災探測領域的主要研究方向。它不是原有單一參數(shù)火災探測器的簡單組合，而是實施多元同步探測，使二種或三種以上不同類型探測器的功能協(xié)調(diào)地復合在一個探測器中。根據(jù)其同時測得的不同類型的火災模擬量參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過多判據(jù)的火災探測算法判斷是否存在火災危險。例如，有學者針對復合探測器提出了一種新的互相關算法。該算法首先對采集的數(shù)據(jù)信號特性進行分析，利用給出的模型公式描述出采集信號的變化特征，再根據(jù)互相關函數(shù)的性質(zhì)分析和識別火災信號與非火災信號。 另外，基于圖像處理技術的火災探測技術[11]也是火災探測研究的熱點，有學者運用數(shù)字圖像處理技術對火災火焰的圖像特性作了分析根據(jù)火焰蔓延時的面積、相似度的變化來識別火災的發(fā)生[12]。Ebroul Izquierdo等人在此基礎上，加入火焰區(qū)域方差和邊界粗糙度等火焰特征，采用貝葉斯分類器來識別圖像中火災的發(fā)生。
