سامانه هشداردهنده آتش جنگل با استفاده از شبکه حسگر بی‌سیم

• 01 دی 1397 07:8 ق.ظ
• افسانه نوروزی

استاد راهنما: دکتر فرشید صهبا

آتش‌سوزی خسارت زیادی به موجودات زنده جنگل وارد می‌کند. شبکه حسگر بی‌سیم در نظارت بر محیط‌زیست برای پیشگیری از بلایا و نظارت بر مناطق بزرگ منطقه‌ای کاربرد دارد. سنسورها انواع مختلف پارامترها را از محیط دریافت کرده و به ایستگاه‌های مبنا انتقال می‌دهند. پروتکل‌های زیادی برای انتقال داده بین شبکه‌های حسگر بی‌سیم مورداستفاده قرار گرفته‌اند. شبکه حسگر بی‌سیم یک شبکه تک‌کاربردی محسوب می‌شود که هرگره با ارسال داده‌ها به سایر گره‌ها بدون اتکا به هیچ زیرساخت متمرکز در مسیریابی شرکت می‌کند. گره‌ها می‌توانند در هر زمانی متصل، ترک و آزاد باشند تا همان‌طور که می‌خواهند حرکت کنند. پروتکل مسیریابی از بردار فاصله استفاده می‌کند که هر گره نام هاب بعدی و تعداد هاب برای رسیدن به مقصد را حفظ می‌کند.

مزایا و ویژگی‌هایی که شبکه حسگر بی‌سیم و تکنولوژی سنسور در تشخیص آتش‌سوزی در مقايسه با رویکرد سنتی ارایه می‌دهد، بسیار زیاد است. ویژگی‌های تکنولوژی شبکه حسگر بی‌سیم شامل سنسور مستقر در میدان-هزینه پایین-پوشش بالا- مقیاس‌پذیری- حفاظت Hyervisor در برابر حملات شبکه‌-نیاز به نگهداری کمتر و ارزان‌تر و... است.

اجزای اصلی سیستم نظارت بر آتش جنگل شبکه حسگر بی‌سیم، میان‌افزار و کاربرد وب است.

یک شبکه حسگر تشخیص آتش‌سوزی از چند لایه برای اندازه‌گیری شرایط آب وهوای محیط ساخته شده که شامل یک دوربین وب، سنسور و ایستگاه مبنا است.

شبکه حسگر بی‌سیم در آتش‌سوزی جنگل طراحی و مستقر شده است که راه‌حل پیشنهادی براي اطفاي آتش‌ را شناسایی می‌کند و مقیاس‌ها با استفاده از شاخص آب‌وهوایی آتش اندازه‌گیری می‌شوند. با این حال در محیط‌های real time حسگر می‌تواند با کمک هلی‌کوپتر مستقر شود. در محیط شبیه‌سازی، سرویس وب برای ارتباط بین داده‌ها بین ایستگاه مبنا و میان‌افزار به کار گرفته می‌شود. سیستم هشداردهنده به‌طور اتوماتیک میزان آتش را مشخص می‌کند. شبکه حسگر که در جنگل مستقر شده همچنين قادر به تشخیص پارامترهایی از محیط نيز است. این پارامترها تبدیل به يك سري بسته‌های داده و اطلاعات شده و با کمک راه‌حل پیشنهادی مبادله می‌شوند، اصل کار راه‌حل پیشنهادی محاسبه شاخص آب‌وهوای آتش (FWI) است، زمانی که این شاخص‌ها محاسبه شد، اطلاعات به سرویس وب منتقل می‌شود و بسته اطلاعاتی با استفاده از پروتکل سرویس وب بارگذاری می‌شود. میان‌افزار اطلاعات مربوط به سنسور شاخص آتش‌سوزی جاری و بسیاری از پارامترهای دیگر را به تصویر می‌کشد.

میان‌افزار یک پیام هشدار به سرویس وب مستقر در سرور ارسال می‌کند. این پیغام شامل محور مکانX,Y است. هر زمان که یک پیغام جدید می‌آید، یک هشدار توسط سرویس وب ایجاد می‌شود. کاربرد وب، نظارت و دسترسی به وضعیت اضطراری خدمات با ارایه تایید هویت است. هر زمان که پیامی در مورد آتش‌سوزی دریافت می‌شود به جایی واکنش می‌دهد که در آن حادثه آتش‌سوزی رخ داده است. هدف اصلی میان‌افزار این است که موقعیت تقریبی که در آن آتش شعله‌ور می‌شود را تشخیص دهد. به‌طور خودکار پیامی تولید خواهد کرد و شاخص هوای آتش هر مکان و شدت آتش را محاسبه می‌کند. برنامه واسطه وب اعلام خطر آتش به پایگاه داده PCهای جنگل متصل خواهد شد. اطلاعات در مورد منطقه به صورت گراف وجود خواهد داشت و برنامه وب پیام را ارسال خواهد کرد. خدمات اورژانسی به‌سرعت می‌توانند به مشکلات واکنش نشان دهند و کنترل آتش را به‌دست گیرند.

اگر آتش در جنگل مشتعل شود، برنامه، آتش، موقعیت آن، شاخص، دما، زمان و بسیاری از پارامترها مشخص و اطلاعات در وب‌سایت بارگذاری خواهد شد. این برنامه‌های کاربردی مختلف در سرور وب میزبان خواهد بود و می‌تواند با کمک اینترنت به هر جایی دسترسی داشته باشد.

این خدمات اورژانسی در وب کاربردی برای یک ناحیه خاص که در زیر اشاره شده است به دست خواهند آمد:

محیط: منطقه‌ای که در آن شبکه حسگر مستقر می‌شود. محیط شامل دو اجزای اصلی،wsn و ایستگاه مبنا است.

پروتکل ارتباط داده: پروتکل ارتباطی بین شبکه حسگر نقش مهمی در عملکرد شبکه ایفا می‌کند. راه‌حل پیشنهادی، روش ارتباطی برای ارتباط بین گره‌های سنسور یا ایستگاه مبنا است که داده‌ای جدید را پیاده می‌کند. تعدادی پارامتر مثل اولویت-امنیت و خیلی چیزهای دیگر برای ارتباطات وجود دارد. در محیط آتش‌سوزی جنگل، گره‌ها به‌عنوان استاتیک در نظر گرفته می‌شوند و هیچ قاعده مشخصی برای استقرا حسگر در محیط جنگل وجود ندارد.

همه گره‌ها در شبکه می‌توانند مستقیما به گره‌های sink یا ایستگاه مبنا حرکت کنند.

مسیر دینامیکی چندگانه: راه‌حل پیشنهادی، مسیر پویای شبکه حسگر بی‌سیم را شناسایی می‌کند. شناسایی مسیر چندگانه با کمک اولویت‌ها توسعه می‌یابد. اگر راه‌حل پیشنهادی در محیط زمانی واقعی مورد آزمایش قرار می‌گیرد، در صورت موفق نبودن آزمایش، هزینه به عنوان یک عامل کلیدی در آزمایش در نظر گرفته می‌شود. اما در صورت تایید، اعتبارسنجی به درستی انجام شده است. شانس زیادی برای اهداف کلیدی و اهداف مرتبط با زمینه سیستم هشداردهنده زودهنگام آتش‌سوزی براساس شبکه حسگر بی‌سیم وجود دارد که می‌توان به‌دست آورد.

آزمایش از طریق رویکرد شبیه‌سازی

محیط شبیه‌سازی باید با استفاده از جاوا و تکنیک تست طراحی شود. دو جنبه کلیدی که برای معماری راه‌حل پیشنهاد‌شده در نظر گرفته‌شده، تشخیص آتش‌سوزی جنگل و پروتکل ارتباطی است. این موارد ما را در دستیابی به هدف اصلی و شناسایی مسیری که راه‌حل پیشنهادی را می‌توان یکپارچه کرد کمک می‌کند.

محیط شبیه‌سازی

Netlogo برای شبیه‌سازی تمام آزمایش کلیدی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این بخش ما اشاره کردیم که نکته کلیدی می‌تواند به‌عنوان توجیهی برای تایید و اعتبار‌سنجی یک سیستم هشداردهنده اولیه برای آتش‌سوزی جنگل براساس شبکه حسگر بی‌سیم در نظر گرفته شود:

فناوری منبع باز

لوگو خاص طراحی و توسعه در زمینه تکنولوژی منبع باز مشاهده می‌شود که ماژول جدید و توابع می‌توانند به‌راحتی طراحی و توسعه از طریق استفاده از منبع باز زبان برنامه‌نویسی اجرا شوند.

 مدل رفتاری

زبان یکی از مهم‌ترین جنبه‌های مدل رفتاری است که کلید راه پژوهشگر برای توسعه انواع مختلف متغیر و هدایت این متغیرها را دربر می‌گیرد.

تنظیمات پارامتر

الف-با استفاده از زبان Netlogo، شناسایی، تجزیه وتحلیل و توصیف هر یک از پارامترها برای عاملی که به زمینه این راه‌حل پیوند خورده آسان است.

ب-مشاهده می‌شود که فرصت‌های زیادی برای بهتر شدن نتایج وجود دارد.

 طراحی شبیه‌سازی

اجزایی که در چارچوب این مساله به هم متصل شده‌اند، در تحقیقات زیر نشان داده شده است:

1.تنظیم محیط برای منطقه

2-.تنظیم شبکه حسگر بی‌سیم

3.ارتباط دادن شبکه حسگر بی‌سیم

4.برنامه‌ریزی شاخص آب وهوای آتش

5.یکپارچگی پروتکل ارتباطی

 برنامه‌ریزی شاخص آب‌وهوای آتش

هنگامی که استقرا راه‌حل پیشنهادی انجام می‌شود، در مرحله بعد هریک از آب وهوای احتراق اجرا می‌شود که در شبکه حسگر بی‌سیم شاخص‌ها به کار گرفته می‌شوند. هر گره در یک ناحیه خاص چهار پارامتر مهم محیطی را استخراج می‌کند. همه این پارامترها برای تجزیه وتحلیل شاخص آب وهوا تشخیص داده می‌شوند.

یکپارچگی پروتکل ارتباطی

الف.دراین ماژول برنامه‌ریزی ارتباط پروتکل انجام می‌شود و تمام چند فهرست مهم تکنیک‌ها در Netlogo برنامه‌ریزی می‌شوند، به‌گونه‌ای که نتایج موردنظر را می‌توان به‌دست آورد.

ب.انجام آزمایش

ج.تمام مراحل بالا در طراحی شبیه‌سازی و توسعه انجام می‌شود و سپس آزمایش‌ها انجام خواهد شد.

 دسترسی آزمایشی

در یک زمینه ساده روش تجربی به عنوان روشی برای تحقیق تعریف می‌شود که محقق در آن یک یا چند متغیر را دستکاری و کنترل می‌کند و هرگونه تغییر در سایر متغیرها اندازه‌گیری می‌شود. مشاهده می‌شود که با رویکرد تجربیNetlogo ظرفیت اجرای فرایند برای یک راه‌حل مورد نیاز است. آزمایش‌های زیر را می‌توان  در مورد یک سیستم هشدار اولیه برای  آتش‌سوزی جنگل برپایه شبکه حسگر بی‌سیم انجام داد:

الف.تجزیه وتحلیل قدرت شبکه

ب.تاثیر شناسایی آتش

ج.تجزیه وتحلیل بسته داده

د.تجزیه و تحلیل شاخص آب، هوا، آتش

ه.وقتی شبیه‌سازی و تحلیل توان شبکه با استفاده از پارامترهای مختلف تمام آزمایش‌هاي بالا منجر شد، ما به راه‌حل  می‌رسیم.

تجزیه وتحلیل قدرت شبکه

طبق نتایج شبیه‌سازی، مشاهده می‌شود که راه‌حل پیشنهادی در محیط شبیه‌سازی نتایج بهتری دارد.

تاثیر تشخیص آتش‌سوزی

آزمایش اثربخشی آتش‌سوزی برای اندازه‌گیری تاثیر تشخیص آتش‌سوزی در شبکه حسگر بی‌سیم در راه‌حل پیشنهادی در نظر گرفته شده است. تاحدودی کارایی تشخیص راه‌حل سنتی وپیشنهادی برای آتش‌سوزی مشابه است. با این حال 5 درصد بهبود در سرعت و زمان تشخیص اندازه‌گیری می‌شود.

تجزیه و تحلیل بسته داده

بسته‌های داده‌ای  باید برای هریک از شبکه‌های تک‌کاربردی یا سنتی شبیه‌سازی شوند. این آزمایش برای شناسایی و تجزیه و تحلیل داده‌های به‌دست آمده از روش پیشنهادی و سنتی است. روش سنتی در مقایسه با راه‌حل پیشنهادی دارای سربار بیشتری است.

بسته داده بیشتر با توجه به تکنیک چند جمله‌ای، تجزیه و تحلیل نتایج بهتری به دست آورد.

 تجزیه و تحلیل شاخص آب وهوای آتش

این آزمایش برای شناسایی وتجزیه وتحلیل شاخص‌هایی که توسط هر نود سنسور به صورت گرافیکی نمایش  داده می‌شود، انجام می‌شود.

ارتباط بین زمان شبیه‌سازی و قدرت شبکه

این آزمایش برای شناسایی و تجزیه تحلیل رابطه بین زمان شبیه‌سازی و قدرت شبکه انجام شده است، که به صورت آنالیز زمان شبیه‌سازی و انتقال قدرت شبکه به صورت همزمان است.