危險(xiǎn)環(huán)境中作業(yè)人員安全監(jiān)測(cè)及評(píng)估系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種危險(xiǎn)環(huán)境中作業(yè)人員的安全監(jiān)測(cè)及評(píng)估系統(tǒng)，尤其涉及基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的危險(xiǎn)環(huán)境中作業(yè)人員安全監(jiān)測(cè)及評(píng)估系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]登山、考古、勘測(cè)、救災(zāi)等作業(yè)通常需要一個(gè)團(tuán)隊(duì)分散在復(fù)雜且高危的環(huán)境中工作。復(fù)雜的地形、低能見度、惡劣的天氣等因素進(jìn)一步增加了團(tuán)隊(duì)成員所受到的安全威脅。在上述環(huán)境中實(shí)施作業(yè)，為確保隊(duì)員生命安全，隊(duì)員間須時(shí)刻保持聯(lián)系、且及時(shí)相互通知危險(xiǎn)。然而，在危險(xiǎn)復(fù)雜的環(huán)境中，要求隊(duì)員分散精力來兼顧其他隊(duì)員的情況并不現(xiàn)實(shí)，且會(huì)增加其自身的安全風(fēng)險(xiǎn)。另外，隊(duì)員往往難以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)自身或其他隊(duì)員的安全隱患。因此，急需能夠自動(dòng)的監(jiān)控隊(duì)員狀況并進(jìn)行實(shí)時(shí)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的系統(tǒng)。
[0003]具有感知、計(jì)算和通信能力的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN wireless sensornetworks)，綜合了傳感器技術(shù)、嵌人式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，能夠協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理，獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息，并對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，傳送到需要這些信息的用戶。近年來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速發(fā)展，并應(yīng)用于科學(xué)考察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事監(jiān)控等不同領(lǐng)域中。
[0004]目前團(tuán)隊(duì)作業(yè)常用的設(shè)備有對(duì)講機(jī)，可用于隊(duì)員間的通信，但不能提供對(duì)安全保障來說很重要的位置信息，在大部分室內(nèi)、地下或樹木遮擋的復(fù)雜環(huán)境中，也無法使用GPS進(jìn)行定位。此外，使用對(duì)講機(jī)進(jìn)行通話意味著需要中斷隊(duì)員的正常作業(yè)，無法自動(dòng)完成隊(duì)員間的通信交互。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種便于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及評(píng)估危險(xiǎn)環(huán)境中作業(yè)團(tuán)隊(duì)成員安全風(fēng)險(xiǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而有效降低團(tuán)隊(duì)成員的安全風(fēng)險(xiǎn)。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種危險(xiǎn)環(huán)境中作業(yè)人員安全監(jiān)測(cè)及評(píng)估系統(tǒng)，其特征在于，包括由團(tuán)隊(duì)成員攜帶的用于定位、感知及數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)膫鞲衅鞴?jié)點(diǎn)及由領(lǐng)隊(duì)攜帶的用于監(jiān)控團(tuán)隊(duì)成員位置和評(píng)估其安全狀態(tài)的匯聚節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)以周期τ定期采集傳感器數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)通過無線連接構(gòu)成多跳傳感器網(wǎng)絡(luò)，該多跳傳感器網(wǎng)絡(luò)被建模為拓?fù)鋱DG = (V，E)，其中，V表示傳感器節(jié)點(diǎn)及匯聚節(jié)點(diǎn)的集合，E表示傳感器節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)間或兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)間的無向邊，若傳感器節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)間或兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)間可通過無線連接相互通信，則在傳感器節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)間或兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)間存在一條無向邊，整個(gè)多跳傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中式全局測(cè)評(píng)，單個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行本地自我測(cè)評(píng)，其中:
[0007]集中式全局測(cè)評(píng)包括如下步驟:
[0008]步驟Al、匯聚節(jié)點(diǎn)以周期σ定期地向整個(gè)多跳傳感器網(wǎng)絡(luò)廣播信標(biāo)包，該信標(biāo)包通過多跳的方式在多跳傳感器網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行洪泛，從而建立由匯聚節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的路由信息;
[0009]步驟A2、收到信標(biāo)包的傳感器節(jié)點(diǎn)，將本地最近一輪的傳感器數(shù)據(jù)通過多跳方式發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)；
[0010]步驟A3、匯聚節(jié)點(diǎn)接收來自傳感器節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前一輪傳感器數(shù)據(jù)，并根據(jù)所獲得的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行集中式安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；
[0011 ] 本地自我測(cè)評(píng)包括如下步驟:
[0012]步驟B1、每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)以周期μ定期廣播最近一次的本地傳感器數(shù)據(jù)，則在其通信半徑內(nèi)的所有傳感器節(jié)點(diǎn)可接收到該廣播信息；
[0013]步驟Β2、當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)其收到的來自相鄰傳感器節(jié)點(diǎn)的廣播信息以及源自匯聚節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)包后，進(jìn)行本地安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。
[0014]優(yōu)選地，所述安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的策略至少包括單個(gè)隊(duì)員掉隊(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與安全提醒，或團(tuán)隊(duì)分散檢測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，或網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮卣鞣治觥?br>[0015]優(yōu)選地，在集中式安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，所述單個(gè)隊(duì)員掉隊(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與安全提醒為:若匯聚節(jié)點(diǎn)在連續(xù)m個(gè)周期σ內(nèi)未能收到某個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)當(dāng)前一輪的傳感器信息，則匯聚節(jié)點(diǎn)將發(fā)出報(bào)警信號(hào)；在本地安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，所述單個(gè)隊(duì)員掉隊(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與安全提醒為:預(yù)先設(shè)定多跳傳感器網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的最少鄰居數(shù)目η，若當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)在時(shí)隙μ內(nèi)接收到的與其相鄰的傳感器節(jié)點(diǎn)的廣播信息的數(shù)目低于η時(shí)，當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)將發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
[0016]優(yōu)選地，在集中式安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，所述團(tuán)隊(duì)分散檢測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估為:匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)得到的所有傳感器節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)對(duì)拓?fù)鋱DG進(jìn)行連通性分析，并根據(jù)每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度及方向預(yù)判拓?fù)鋱DG有出現(xiàn)被分割為多個(gè)子圖的可能；在本地安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，若當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)在一定時(shí)間內(nèi)未收到來自匯聚節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)包，則當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)將發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
[0017]優(yōu)選地，所述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮卣鞣治霭?
[0018]分別計(jì)算拓?fù)鋱DG中每個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)及匯聚節(jié)點(diǎn)的度中心性、介數(shù)中心性及緊密中心性，將團(tuán)隊(duì)中具有豐富經(jīng)驗(yàn)的隊(duì)員指派至具有較高介數(shù)中心性的傳感器節(jié)點(diǎn)所在位置處，將團(tuán)隊(duì)中經(jīng)驗(yàn)較少的隊(duì)員指派至具有較高緊密中心性的傳感器節(jié)點(diǎn)所在位置處，同時(shí)，實(shí)時(shí)計(jì)算拓?fù)鋱DG的直徑，從而了解當(dāng)前團(tuán)隊(duì)的隊(duì)形，并采取適當(dāng)?shù)牟呗员苊庑纬砂踩暂^低的隊(duì)形。
[0019]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)在危險(xiǎn)環(huán)境中作業(yè)的團(tuán)隊(duì)成員的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。避免每個(gè)成員掉隊(duì)，阻止團(tuán)隊(duì)分散，領(lǐng)隊(duì)能夠正確分配整個(gè)團(tuán)隊(duì)以及團(tuán)隊(duì)中相對(duì)位置的成員通信和合作。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明的流程圖；
[0021]圖2是本發(fā)明所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖3是本實(shí)施例所述示范實(shí)施例中團(tuán)隊(duì)成員所攜帶節(jié)點(diǎn)間形成無線網(wǎng)絡(luò)的示意圖，圖中，sink為匯聚結(jié)點(diǎn)，1-9為9個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)；
[0023]圖4是本實(shí)施例所述檢驗(yàn)團(tuán)隊(duì)成員掉隊(duì)示意圖；
[0024]圖5是本實(shí)施例所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可視化示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以優(yōu)選實(shí)施例，并配合附圖作詳細(xì)說明如下。
[0026]本發(fā)明提供了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的危險(xiǎn)環(huán)境中團(tuán)隊(duì)作業(yè)的人員安全監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)，包括由團(tuán)隊(duì)成員攜帶的用于定位、感知及數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)膫鞲衅鞴?jié)點(diǎn)及由領(lǐng)隊(duì)攜帶的用于監(jiān)控團(tuán)隊(duì)成員位置和評(píng)估其安全狀態(tài)的匯聚節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)通過無線連接構(gòu)成多跳傳感器網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)均為一到多個(gè)。傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)均包括處理器模塊、和處理器連接的存儲(chǔ)器、無線通信模塊、加速度傳感器、陀螺儀、磁力傳感器、氣壓傳感器、電池管理單元、揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)、液晶觸摸顯示屏。電池管理單元與可充電電池連接。傳感器節(jié)點(diǎn)用于采集攜帶者的運(yùn)動(dòng)速度和方向、與相鄰節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行無線通信，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算節(jié)點(diǎn)間相對(duì)位置，并將結(jié)果發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)的區(qū)別在于更強(qiáng)大的處理器和大容量存儲(chǔ)器，并加載了監(jiān)測(cè)及評(píng)估系統(tǒng)。匯聚節(jié)點(diǎn)通過無線通訊方式向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制消息，并接收由傳感器節(jié)點(diǎn)傳來的應(yīng)答消息，對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，通過圖形化方式顯示分析結(jié)果，評(píng)估隊(duì)員的安全風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)所述風(fēng)險(xiǎn)超出警戒值時(shí)觸發(fā)報(bào)警裝置。
[0027]領(lǐng)隊(duì)所攜帶的匯聚節(jié)點(diǎn)和成員所攜帶傳感器節(jié)點(diǎn)間形成一個(gè)多跳的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。由無線節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率及無線通信協(xié)議的限制，若兩節(jié)點(diǎn)間的距離超過其最大通信范圍，則無法進(jìn)行無線通信。多跳網(wǎng)絡(luò)被建模為拓?fù)鋱DG= (V，E)，其中，V表示節(jié)點(diǎn)的集合，E表示節(jié)點(diǎn)間的無向邊。若兩個(gè)對(duì)應(yīng)傳感器節(jié)點(diǎn)間(匯聚節(jié)點(diǎn)可視為一個(gè)特殊的傳感器節(jié)點(diǎn))可通過無線連接相互通信，則在這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間存在一條無向邊。通過維護(hù)和分析拓?fù)鋱DG的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可評(píng)估每個(gè)成員的安全風(fēng)險(xiǎn)，也可以提供關(guān)于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮卣鞯母鞣N分析結(jié)果，根據(jù)當(dāng)前環(huán)境下團(tuán)隊(duì)的安全策略進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。
[0028]基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全監(jiān)測(cè)及評(píng)估系統(tǒng)使用之初，領(lǐng)隊(duì)需預(yù)先根據(jù)當(dāng)前作業(yè)環(huán)境之危險(xiǎn)水平進(jìn)行初始化參數(shù)設(shè)置，包括:設(shè)定匯聚節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒏轮芷讦?、通過匯聚節(jié)點(diǎn)以無線連接的方式設(shè)置其他傳感器節(jié)點(diǎn)的信息采集周期τ、以及鄰居節(jié)點(diǎn)的信息交換周期μ。根據(jù)團(tuán)隊(duì)所處環(huán)境，對(duì)匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)置團(tuán)隊(duì)安全策略。初始化完成后，系統(tǒng)同時(shí)執(zhí)行集中式全局測(cè)評(píng)和本地自我測(cè)評(píng)。
[0029]集中式全局監(jiān)測(cè)遵循以下步驟來獲得全網(wǎng)信息:
[0030]步驟1:領(lǐng)隊(duì)所佩戴的匯聚節(jié)點(diǎn)定期地向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)廣播控制信息。匯聚節(jié)點(diǎn)以領(lǐng)隊(duì)預(yù)先設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)更新周期σ向網(wǎng)絡(luò)廣播信標(biāo)包，信標(biāo)包通過多跳的方式在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行洪泛，從而建立由任意傳感器節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的路由信息。
[0031]步驟2:收到信標(biāo)包的傳感器節(jié)點(diǎn)，將本地最近一輪的傳感器數(shù)據(jù)通過多跳方式發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。傳感器數(shù)據(jù)包括:
[0032]本方案中所述的加速度傳感器用于獲得節(jié)點(diǎn)佩帶者運(yùn)動(dòng)時(shí)在三個(gè)正交方向上產(chǎn)生的加速度；
[0033]本方案中所述的陀螺儀用于獲得節(jié)點(diǎn)佩帶者運(yùn)動(dòng)時(shí)在三個(gè)正交平面上產(chǎn)生的角速度；
[0034]本方案中所述的磁力傳感器用于獲得節(jié)點(diǎn)佩帶者運(yùn)動(dòng)的方向；
[0035]本方案中所述的氣壓傳感器用于獲得節(jié)點(diǎn)佩帶者所在位置的海拔高度。
[0036]步驟3:匯聚節(jié)點(diǎn)接收來自傳感器節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前一輪傳感器數(shù)據(jù)，并根據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中式安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。
[0037]本地自我監(jiān)測(cè)遵循以下步驟，獲取自身和鄰近成員間拓?fù)潢P(guān)系:
[0038]步驟1:每個(gè)隊(duì)員所攜帶的傳感器節(jié)點(diǎn)以周期μ廣播自己的當(dāng)前狀態(tài)，即本地