مقاله

بهره‌گیری از راهکار فرماندهی و کنترل در شبکه‌های IOT هوشمند (قسمت دوم)

شناسه خبر: 20938
تاریخ و زمان ارسال: 24 بهمن 1396 ساعت 12:00

شبکه باکسهای حسگرها

یک شبکه حسگری بر اساس شبکه های حسگری هوشمند بی سیم ، متشکل از تعداد زیادی گره‌های حسگر است که در یک محیط به طور گسترده و با قابلیت خود ساماندهی پخش شده و به جمع‌آوری اطلاعات محیطی ، پردازش و ارسال اطلاعات می‌پردازندError! Reference source not found.. باتوجه به توانائی خود ساماندهی پروتکل‌ها و الگوریتم‌های شبکه‌های حسگری؛ لزوماً مکان قرار گرفتن گره‌های حسگری، از قبل‌تعیین‌شده نیست. هر گره حسگر که در این مقاله بصورت باکس حسگر بررسی می شود، روی برد خود دارای یک پردازشگر است و به جای ارسال اطلاعات خام ، ابتدا خود یک سری پردازش‌های اولیه را انجام و سپس داده‌های نیمه پردازش شده را به دستگاه یکپارچه ساز ارسال می‌کند. [۱]

معرفی باکس حسگر بکارگرفته شده

پلتفرم باکس حسگر (شکل۴) بکار گرفته شده در این مقاله در واقع یک پلتفرم آماده در حوزه شبکه حسگری بی سیم بوده و می تواند انواع پروتکل های اینترنت اشیا را پشتیبانی کرده و حسگرهای مختلفی را راه اندازی و داده های آنها را تحت پروتکل های مختلف شبکه های حسگری بیسیم، بصورت توپولوژی ستاره به مرکز بفرست. [۱۰]

شکل ۴- باکس حسگر شامل حسگرهای دما، رطوبت و دی اکسیدکربن،سلول خورشیدی و لینک مخابراتی

دمای کاری – ۱۰C° to +۵۰C°
ضد آب : IP65
باطری : بدون پنل خورشیدی ۷ روز
لینک ارسال : Lora wan(868,900-915,433MHz) یا سیم کارت
دکمه روشن/خاموش در دسترس
شکل ۵- شبکه انتقال اطلاعات حسگرها به یکپارچه سازها و سپس به مرکز فرماندهی و کنترل عملیات پایش و اطفاء حریق

در هر گره حسگری داده‌های حسگرها پس از تجمیع و انجام فیوژن اطلاعات به یک الگوریتم فازی برای تشخیص آتش سوزی سپرده می شود. این الگوریتم باعث می شود ما از ظرفیت همه حسگرها به نسبت تاثیر آن ها در منطقه استفاده کرده و آتش سوزی را تشخیص دهیم (شکل ۵). با این کار میزان خطای تشخیص پایین آمده و با قطعیت بالا می توان آتش سوزی را تشخیص داد.

ارسال هوشمند داده های تشخیص توسط گره حسگری

باتوجه به صرف ۸۰% توان باکس های حسگری برای ارسال داده های پایش حریق بیشترین توان مصرفی گره های حسگری لازم است تا مسیر ارسال ازکوتاه ترین مسیر به یکپارچه ساز با کمترین گره حسگری انتخاب شود. [۸] برای دستیابی به این مهم، گره های حسگری از یک الگوریتم هوش مصنوعی خودیادگیر به نام کلونی مورچه استفاده میکنند تا علاوه بر کاهش توان مصرفی، سرعت ارسال داده تشخیص آتش سوزی نیز تا حد قابل توجهی افزایش یابد.شکل شماره ۶ مثالی قابل فهم برای این الگوریتم می باشد که نشان می دهد برای رسیدن اطلاعات از گرهٔ حسگری B به گرهٔ حسگری A کوتاه ترین مسیر از کدام قسمت ها می گذرد. [۴]

شکل ۶- الگوریتم کلونی مورچه برای یافتن کوتاه ترین مسیر ارسال

ممکن است در اثر مرور زمان و استفاده از یک مسیر همیشگی، انرژی باطری های آن مسیر رو به زوال رفته و دیگر مسیر خوبی برای ارسال و دریافت نباشد. از این رو الگوریتم این نکته را همیشه مد نظر دارد تا مسیر خود را با توجه مصرف انرژی آن مسیر انتخاب کند شکل شماره۷ کاملا گویای این موضوع می باشد.

مدل حسگر معرفی شده بدلیل دارا بودن سلول خورشیدی و باطری داخلی، حتی در صورت عدم بهره مندی از نور خورشید نیز قادر خواهد بود بمدت ۶ ماه از انرژی باطری داخلی خود استفاده نماید و در صورت بهره گیری از نور خورشید تا ۵ سال دوام می آورد.

لینک رادیویی گردآوری اطلاعات شبکه حسگرها

با توجه به اینکه پایش آتش‌سوزی شامل پوشش گیاهی و درختی در جنگل‌ها می باشد، لذا بدلیل پراکندگی حسگرها و امکان آسیب رسیدن به پوشش گیاهی، استفاده از کابل و لینک سیمی دفنی توصیه نشده و باتوجه به کارائی شبکه رادیوئی Lora wan در پوششهای جنگلی؛ از این لینک برای ارسال اطلاعات به مرکز فرماندهی و کنترل استفاده می شود. فاصله بین حسگرها منوط به میزان انبوه بودن پوشش گیاهی می باشد که باتوجه به پراکندگی جنگل و مرتع در این روش با دقت ۷۰% در حدود ۱ هکتار برای هر حسگر و یا حدود ۵۰ متر بین حسگری محاسبه می شود. سپس در یک شعاع حدود ۵۰۰ متری که برابر با ۱۰ هکتار، دستگاه یکپارچه ساز نصب می شود تا باچیدمان مش اطلاعات حدود ۱۰ الی ۲۰ باکس حسگر را بگیرد و سپس اطلاعات ورودی حسگرها به هرکدام از این خروجی یکپارچه سازها که با یک ارتباط برد بلند بین یکپارچه ساز با مرکز انجام می شود، شبکه کامل حسگرها را بصورت متمرکز در مرکز فرماندهی و کنترل تشکیل می دهند که طبق تجارب انجام شده برای هر ۱۰۰ باکس حسگر، با پوشش گیاهی ۷۰% ؛ حدود ۱۰۰ الی ۲۰۰ هکتار را می توان تحت پوشش قرارداد. [۶]

یکپارچه ساز

همانطور که در بالا اشاره شد، این دستگاه؛ اطلاعات دریافت شده از حسگرها را تحت یک پروتکل مشخص به لینک برد بلند می‌فرستد تا از طریق آن این اطلاعات برای مراکز تصمیم‌گیری ارسال شوند. لازم به ذکر است که کارائی این دستگاه کاملا مشابه سایر مجموعه‌های حسگری بوده و گره های حسگری، این دستگاه را به عنوان رهبر خود می شناسند و سعی میکنند از طریق نزدیکترین راه همیشه به آن متصل شوندError! Reference source not found.. در کنار این وظیفه تعدادی حسگر مشابه موارد قبلی نیز در این دستگاه قرار داده شده است تا الگوریتم بتواند با استفاده از این حسگرها ، حسگرهای هرگرهٔ حسگری را کالیبره کند که این کالیبراسیون بصورت سالانه و طبق تجربه صورت گرفته ، علاوه بر تنظیم دقیق پارامترها، شامل تنظیم مراحل ارسال، دریافت و خواب حسگرها نیز می شود. از طرفی در هنگام آتش سوزی های بحران ساز، نرم افزار استفاده شده در مرکز کنترل با استفاده از سیستم تشخیص آب و هوایی که بر روی حسگرهای یکپارچه ساز نصب شده است، نحوه پخش شدن آتش سوزی را مدل می کند.

شبکه سایت های نظارت تصویری

بمنظور سرعت اجرای عملیات نصب و راه اندازی، پایین آوردن هزینه ها و در برخی موارد بازدهی بالاتر نسبت به شبکه باکس های حسگری، از مجموعه ای از سایتهای نظارت تصویری (شکل شماره ۸) نیز برای تکمیل نظارت شبکه حسگرها استفاده می شود. باتوجه به محدوده وسیع دید این دوربینها که تا شعاع ۱۵ کیلومتری قادر به پوشش ۷۰۰ کیلومتر مربع و ابر دود ۱۵*۱۵ متری می باشند از این سایتها استفاده می شود. البته این سایتها یک فرق اساسی با شبکه حسگری دارند و آن بهتر پوشش دادن نواحی پرتراکم توسط باکس های حسگری نسبت به سایت های نظارت تصویری و پاسخگوئی بهتر حسگرها در این شرایط می باشد و بهتر است از این سایت ها در نواحی کم تراکم و مراتع استفاده شود. بااین وجود؛ امکان استفاده از سایت های نظارت تصویری جهت تشخیص آتش بصورت شبانه روزی بر ضریب اطمینان و بازدهی سیستم افزوده است. [۱۱]

شکل ۸- سایتهای نظارت تصویری

این سایتها به منظور شناسایی، مراقبت و ردیابی و به صورت ۲۴ ساعته، روی یک سکوی ثابت زمینی و یا خود ایستا در ارتفاع مناسب قابل نصب و بهره‌برداری می‌باشند.

هر سایت دارای دوربین نوری اسپکتروسکوپی جهت دیددر روز است که وظیفه اصلی آن تشکیل تصویر از هدف در زمینه مورد نظر و انتقال اطلاعات به صورت سیگنال ویدئویی به هر سایت برای انجام عملیات پردازش و آماده سازی اولیه تصویر جهت ارسال روی لینک رادیوئی مایکروویو پرظرفیت هرسایت برای مرکزفرماندهی و کنترل می باشد. با توجه به تعبیه امکانات تشخیص حرارتی؛ سایتها قادر به انجام عملیات در شب نیز می باشند. دوربین حرارتی بدلیل داشتن قابلیت تصویربرداری حرارتی (Thermography) می‌تواند در روز و شب و در تاریکی مطلق برای آشکارسازی و استنباط اطلاعات از اهداف مختلف و نیز درک و تحلیل جزئیات حرارتی آنها به کار گرفته شود که در شکل ۹ نشان داده شده است.

اساس کار بر پایه تجزیه و تحلیل پردازش تصاویر ویدئویی است که از طریق گردش ۳۶۰ درجه ای دوربین حاصل می شود. روش کار بدین صورت است که در هر ۱۰ درجه ۳ عکس گرفته می شود و در عکسبرداری بعدی از این قطاع ۱۰ درجه ای ، عکسهای قبلی و بعدی باهم پردازش شده و در صورت تشخیص شاخص الگوهای دود توسط نرم افزار پردازش تصاویر ویدئویی این دوربینها ؛ اطلاعات ارسال می شود. در جهت ارتقاء فرآیند آشکارسازی و همچنین عکس العمل سریعتر، اطلاعات چندین سایت نظارت تصویری در مرکز باهم ترکیب شده بطوریکه تصاویر خروجی بصورت پانوراما نیز جهت درک هرچه بهتر ابر دود قابل مشاهده می باشد.

شکل ۹- تشخیص آتش در روز و شب با بهره گیری از آنالیزهای طیفی و نوری در هر سایت نظارت تصویری

باتوجه به لزوم تفکیک دقیق دود زغال چوب از دودکارخانه های اطراف و از ابر از نرم افزارهای دارای الگوریتم های قدرتمند پردازش تصویر نیز در جهت بهبود کیفیت تصاویر و ارائه پیشبینی های بموقع بهره برده ایم. این نرم افزارها قادر به تجزیه و تحلیل تاریخچه قبلی حریق نیز هستند و برپایه اطلاعات قبلی و جدید، الگوی گسترش آتش را پیشبینی و بهترین راهکار و حداکثر زمان رسیدگی به آتش را قبل از گسترش آن تعیین می کنند.

لازم به ذکر است که هر چه قدر فاصله محل نصب دکل از محل آتش سوزی دورتر باشد، میزان حداقل حجم دود و آتش مورد نیاز برای آشکار سازی اتوماتیک آن، بیشتر می شود. عوامل جوی در میزان دقت آشکارسازی تاثیر گذار است، بطوری که اگر شرایط جوی مه آلود باشد، که یک اتفاق متداول در جنگل است، میزان عمق دید دوربین ها کمتر شده و همچنین تفکیک دود از ابر مشکل تر خواهدبود. علاوه بر حسگرهای نوری موجود و تشخیص آتش، با استفاده از دوربینهای نظارت پیرامونی PTZ ، امکان رصد کردن فعالیتهای مشکوک شامل خرابکاری و سرقتهای احتمالی از هر سایت نیز برای مرکزکنترل فراهم می گردد.

سامانه مرکز فرماندهی و کنترل محلی

نیاز به مرکزی برای نصب تجهیزات مورد نیاز و همچنین فرماندهی و کنترل و پایش حوادث جنگل بر کسی پوشیده نیست. طراحی این مرکز بدین صورت فرض شده است که ابنیه و زیرساختهای لازمه در یک نقطه مطمئن جنگلی در محدوده تحت پوشش سیم کارت از دکل مخابراتی که دستگاه متمرکز کننده روی آن نصب شده است و یک اطاق به ابعاد حداقل ۳۰ متر مربع خالی دارای برق، آب، تخت خواب و دیگر امکانات رفاهی در کنار آن وجود دارد.

سناریوی کار مطابق شکل ۱۰ بدین صورت است که در یک محدوده پایلوت با حداکثر شعاع ۲۰ کیلومتری از مرکز ؛ با تشخیص و پردازش اولیه ای که توسط هریک از باکس های حسگری و سایت های نظارت تصویری صورت می گیرد، اطلاعات خروجی از طریق شبکه رادیوئی اختصاصی به مرکز فرماندهی و کنترل جنگل ارسال می شود.سپس؛ سامانه کنترل مرکزی شروع به پردازش اطلاعات دریافتی نموده و در صورت رخداد و یا احتمال رخداد در هر نقطه گزارش شده ، باتوجه به حجم دود، زمان رسیدن به محل ، نحوه گسترش آتش و صعب العبور بودن منطقه مختصات بفرمت طول و عرض جغرافیائی برای تیم های عملیاتی در حال بهره برداری از سامانه های جنگلبانی ارسال می شود. [۱۲]

شکل ۱۰- مراحل دریافت اطلاعات و اعزام تیم عملیاتی

سامانه کنترل مرکزی

این سامانه دارای نرم افزاری است که تمامی اطلاعات و داده های کسب شده از سامانه جامع تشخیص آتش سوزی جنگل و اطلاعات ایستگاههای هواشناسی، در آن مجتمع شده و در معرض دید اپراتور مرکز قرار گرفته و به وی امکان پایش مستمر، نظارت مستقیم، باخبر شدن از تمامی اتفاقات و حوادث احتمالی و بالتبع تصمیم گیری سریعتر را می دهد. این نرم افزار همچنین قابلیت تحلیل داده در مواقع بحران را داشته و می تواند با توجه به الگوریتم های پیشرفته، مسیر حرکت آتش سوزی و مدل انتشار گسترش آتش روی نقشه GIS را پیش بینی کند. تعیین مکان دقیق آتش و پرسنل، توپوگرافی منطقه، دسترسیهای جاده ای، منابع آب، محدوده محل سکونت انسانها ، تعیین وضعیت اضطراری دقیق برای بکارگیری موثرمنابع در برابر آتش و انجام پروسه تخلیه از سکنه برای حفاظت از منابع در خطر، نظارت روی نقاط خودکار و دیسپچ سریع و دقیق نیروهای امدادی به محدوده آتش مورد نظر بصورت ارتباطات رادیوئی دیجیتال، ردیابی و ضبط مکالمات نیروهای امدادی ، ارائه طرحهای ضربتی به نیروهای امدادی بصورت گرافیکی روی نقشه، Log برداری و ضبط کلیه رویدادهای عملیات برای آنالیزها و تمرینهای بعدی، تصویربرداری آنلاین از صحنه عملیات، اطلاع رسانی به مراکز بالادستی، برآورد ریسک ها قبل از حادثه و ارزیابی خسارات بعد از حادثه و ارائه طرحهای نوسازی بعد از مهار آتش ، تعیین حدود و مرزهای سوخته شده در آتش و ذخیره در سوابق آن منطقه برای استفاده های بعدی از دیگر قابلیتهای این سامانه نرم افزاری ( شکل ۱۱ و ۱۲ ) می باشد.

شکل ۱۱- سامانه نرم افزاری کنترل مرکزی

شکل ۱۲- نمایش لحظه ای وضعیت حسگرها در مرکز

سامانه جنگلبان

جنگلبان حاضر در جنگل نیز با سامانه خود از طریق رادیو DMR بصورت صوت و دیتا و در بستر نقشه جغرافیائی تبلت خود با سامانه دیسپچینگ مرکز در ارتباط بوده و به محلهای موردنظر مرکز یا هر محل مشکوک به دود در جنگل سرکشی می نماید و آخرین اطلاعات کسب شده و آخرین وضعیت مهارحریق را با مرکز در میان می گذارد.بمنظور سریعتر رسیدن جنگلبان به محل حادثه و عبور از موانع صعب العبور و امکان ارتباط با بالگرد و هدایت آن در جنگل؛ این سامانه منصوب بر موتور ATV جنگلبانی (شکل ۱۳) و بدون ایجاد باراضافی برای جنگلبان طراحی شده است.

سامانه منصوب بر خودرو فرماندهی

این سامانه شامل کلیه ادوات رادیوئی و پردازشی سایت های تصاویر و حسگرها بوده و در صورت لزوم بعد دریافت فرامین از مرکز به عنوان پایش منطقه ای به عنوان جایگزین مرکز، به منطقه جنگلی اعزام می شود. و این سامانه بمحض استقرار در محل مناسب؛ اقدام به باز نمودن دکل تا حداکثر ارتفاع نموده و فرماندهی منطقه ای را در داخل جنگل انجام می دهد.در صورتیکه نیاز به پایش محیطی تصویری از بالا باشد، این خودرو پرنده بدون سرنشین داخل خود را برای این منظور به محل مورد نظر اعزام نموده و تصاویر را با کمک سامانه ماهواره ای ویدئو کنفرانس به مرکز فرماندهی و مراکز بالادستی ارسال می نماید. [۷]

سامانه منصوب بر بالگرد آبرسان

ماموریت این پرنده ها از طریق ارتباط صوتی مرکز با هلیکوپتر یا فرودگاه محل استقرار هلیکوپتر آغاز می شود. بعد از ابلاغ ماموریت به پرنده، و مشخص کردن محل ماموریت، باید نقشه محل قبل از پرواز در پرنده بارگذاری شود. مثلا در صورت اعزام به شیراز باید نقشه شیراز که از قبل بهمراه نقشه های دیگر در تبلت پرنده ذخیره شده است، بارگذاری گردد. بعد از اعزام به محل و بمحض رسیدن به فاصله ۳۰ کیلومتری مرکز یا سامانه خودروئی(محدوده پوشش رادیوئی) حاضر در محل جنگل، اطلاعات مختصات محل آتش سوزی یا آیکونهای راهنمای دیگر را در محدوده ۳۰ کیلومتری ذکر شده دریافت نموده و ماموریت آبرسانی را آغاز می نماید. [۸] همچنین مسیر در حال طی شدن به محل آتش سوزی نیز در سامانه دیسپچینگ DMR منصوب بر هلیکوپتر و رادیو هوائی بطور مجزاء از طریق مرکز قابل روئیت می باشد زیرا مرکز باید مطمئن شود که هلیکوپتر به محل اعلام شده اعزام شده است یا خیر. در زمان آبرسانی نیز توسط سامانه جنگلبان می تواند به محل مورد نظر هدایت شده از بازخورد آبرسانی انجام شده مطلع شود.

نتیجه‌گیری

با تجمیع موارد ذکر شده در قالب شبکه یکپارچه می توان یک چرخه پایش و اطفاء حریق کامل را ایجاد و به اهداف زیر دست یافت:

کشف هرگونه آتش سوزی در کوتاهترین زمان ممکن
برآورد حجم و محل دقیق آتش سوزی
قابلیت اعلام مکان دقیق آتش سوزی
قابلیت پیش بینی مسیر گسترش آتش سوزی
قابلیت نمایش کلیه مناطق پایش شده در یک مرکز کنترل
قابلیت اتصال به دوربین های نظارتی
قابلیت ارائه آلارمها به رادیوهای دیجیتال و گوشی های تلفن همراه هوشمند در محدوده پوشش مخابراتی محل آتش سوزی

با انجام سامانه هائی از این دست می توان باتوجه به تجربه های بدست آمده از این پروژه، به دیگر کاربردهای فناوری اینترنت اشیاء مانند نظارت برآلودگی هوا و پیشبینی سیلاب ها نیز جامه عمل پوشاند. همچنین می توان دیگر کاربردهای این فناوری مانند جاده های هوشمند شهری و کشاورزی هوشمند را نیز در فرصت مناسب و با صرف بودجه تحقیقاتی ، عملیاتی نمود.

قدردانی

بدینوسیله از کلیه صاحبنظران محترم، عوامل اجرائی سازمان جنگلها و مراتع و شرکتهای دانش بنیان همکار، تشکر و قدردانی می نماییم.

مراجع

Byungrak S, Yong-Sork H, and Jung-Gyu K, (2006) A Design and Implementation of Forest-Fires Surveillance System based on Wireless Sensor Networks for South Korea Mountains, IJCSNS Int. Journal of Computer Science and Network Security, V.6 No.9B,pp.124-130.
Z. Li,S. Nadon and J. Cihlar, “satellite-based detection of Canadian boreal forest fires: Development and application of the algorithm”, International Journal of Remote Sensing, vol. 21, no. 16, (2000), pp.3057-3069.

Stipanicev D, Bugaric M, Bodrozic Lj (2009) Integration of Forest Fire Video Monitoring System and geographic Information System, Proc. Of 51^st Int.Symp ELMAR 2009,Zadar, Sept 2009, pp.49-52.

L. M. Oliveira and J. J. Rodrigues, “Wireless senor networks: a survey on environmental monitoring”, Journal of communications, vol.6, no. 2, (2011), pp. 143-151.

W. B. Heinzelman,A. P. Chandrakasan and H.Balakrishnan, “An application-specific protocol architecture for wireless micro sensor networks”, Wireless Communications, IEEE Transactions on, vol. 1, no.4, (2002), pp.660-670.

G. Wang, G.Cao and T. LaPorta, “A bidding protocol for deploying mobile sensors”, Network Protocols, 2003.Proceedings. 11^th IEEE International Conference on. IEEE, (2003), pp.315-324.

L.HU and D. Evans, “Localization for Mobile Sensor Networks,” Proc. ACM Mobicom, (2004) September, pp. 45-57.

K. F. Ssu, C.H. Ou and H. C. Jiau, “Localization with Mobile Anchor Points in Wireless Sensor Networks,”IEEE Trans. Vehicular Technology, vol. 54, no. 3, (2005) may, pp. 1187-1197.

M. Wu, J. Xu, X. Tang, et al., “Top-k monitoring in wireless sensor networks”, Knowledge and Data Engineering, IEEE Transactions on, vol. 19,no. 7, (2007),pp.962-976

Q. Chi, H. Yan, C. Zhang, Z. Pang, L. Xu, “A Reconfigurable Smart sensor Interface for Industrial WSN in IoT Environment,” IEEE Transaction I. I, vol.10, pp.1417-1425, February 2014.