基于Zigbee通信技術(shù)的消防人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)初探

文/張禹海 李 程 中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院

基于Zigbee通信技術(shù)的消防人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)初探

文/張禹海 李 程 中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院

在滅火搶險(xiǎn)救援過程中，及時(shí)準(zhǔn)確地獲知消防人員的位置及狀態(tài)是至關(guān)重要的。本文提出的觀點(diǎn)是：在滅火救援現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)建基于Zigbee通信技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)消防人員位置、狀態(tài)等信息，對(duì)保護(hù)消防人員生命安全和成功處置災(zāi)害事故有著積極意義。

消防人員在滅火救援戰(zhàn)斗中，特別是在大型火災(zāi)、爆炸、化學(xué)事故等災(zāi)害的搶險(xiǎn)救援過程中，會(huì)遇到許多突發(fā)性危險(xiǎn)情況，甚至?xí)袀?。事故發(fā)生后，如何及時(shí)準(zhǔn)確判定現(xiàn)場(chǎng)參與處置的消防人員的具體位置、作戰(zhàn)狀態(tài)，對(duì)成功處置災(zāi)害事故，特別是在消防人員被困情況下迅速制定救援方案是十分重要的。目前，我國(guó)消防部隊(duì)主要采用呼救器來獲知消防人員的位置，但呼救器并不具有確定消防人員具體位置、作戰(zhàn)狀態(tài)的功能。此外，在大型災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)噪聲大、障礙物多，更難以發(fā)揮呼救器的作用。筆者對(duì)Zigbee 通信技術(shù)進(jìn)行研究，利用Zigbee 網(wǎng)絡(luò)容量大、功耗低、時(shí)延短等優(yōu)勢(shì)，通過有線與無線結(jié)合的方式，初步設(shè)計(jì)了無線子終端和定位基站的通信方案，以實(shí)現(xiàn)地面控制中心對(duì)消防人員的實(shí)時(shí)通信與位置監(jiān)測(cè)，從而為救援指揮決策提供可信的、重要的數(shù)據(jù)資料，保障消防人員的生命安全。

Zigbee通信技術(shù)

Zigbee是一種新興的短距離、低速率、低功耗無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它采用直序擴(kuò)頻技術(shù)，使用的是國(guó)際2.4GHz免費(fèi)頻段，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。Zigbee可由多達(dá)65000個(gè)無線數(shù)傳模塊組成一個(gè)無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，十分類似現(xiàn)有的移動(dòng)通信CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)。每一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊類似移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基站，并擁有獨(dú)一無二的ID號(hào)。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，它們之間可以相互通信，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75米擴(kuò)展到幾百米，甚至幾千米。另外，整個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有的以太網(wǎng)等各種網(wǎng)絡(luò)連接。

現(xiàn)有的移動(dòng)通信網(wǎng)主要是為語音通信而建立，而Zigbee網(wǎng)絡(luò)主要是為控制數(shù)據(jù)傳輸而建立。每個(gè)移動(dòng)基站價(jià)值一般都在百萬元以上，而每個(gè)Zigbee基站卻不到千元。每個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅本身可以與監(jiān)控對(duì)象（如傳感器）連接，直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過來的數(shù)據(jù)資料；除此之外，每一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)還可在自己信號(hào)覆蓋的范圍內(nèi)和多個(gè)不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(diǎn)無線連接。

Zigbee網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器、多個(gè)路由器和多個(gè)終端設(shè)備組成。圖1是一個(gè)簡(jiǎn)單的Zigbee網(wǎng)絡(luò)示意圖，其中黑色節(jié)點(diǎn)為協(xié)調(diào)器，紅色節(jié)點(diǎn)為路由器，白色節(jié)點(diǎn)為終端設(shè)備。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，是網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)設(shè)備。它選擇一個(gè)信道和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)ID，隨后啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。路由器的功能主要是：允許由電池供電的無線子終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。終端設(shè)備沒有特定的維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的責(zé)任，它可以睡眠或者喚醒，因此它可以是一個(gè)電池供電設(shè)備。

圖1 Zigbee網(wǎng)絡(luò)示意圖

定位系統(tǒng)的主要功能及技術(shù)要求

要想保護(hù)好現(xiàn)場(chǎng)消防官兵的生命安全，首先要對(duì)每位消防員在火場(chǎng)中的位置進(jìn)行定位和跟蹤。目前，有關(guān)定位應(yīng)用最廣泛的技術(shù)是全球定位系統(tǒng)技術(shù)（GPS），而消防部隊(duì)的作戰(zhàn)場(chǎng)所經(jīng)常位于室內(nèi)或其他建筑遮擋區(qū)，加上地理信息系統(tǒng)（GIS）精確度有限，GPS信號(hào)在這些區(qū)域的信號(hào)強(qiáng)度和定位效果很難滿足火場(chǎng)防護(hù)的需求。利用Zigbee通信技術(shù)，組建現(xiàn)場(chǎng)無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)可以有效解決這個(gè)問題。

定位系統(tǒng)的主要功能有：（1）對(duì)消防人員進(jìn)行定位，并進(jìn)行相關(guān)信息統(tǒng)計(jì)。一是能夠在被允許的誤差范圍內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)控進(jìn)入災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的消防人員的具體位置；二是能夠統(tǒng)計(jì)消防人員出入災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)間、地點(diǎn)等信息，包括何時(shí)進(jìn)入、何時(shí)離開、具體位置等。（2）消防人員可以通過攜帶的無線子終端向系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，監(jiān)控中心可以第一時(shí)間了解事故地點(diǎn)情況，以采取相應(yīng)的措施。同時(shí)，監(jiān)控中心通過對(duì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)視，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，可以第一時(shí)間向?yàn)?zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的消防人員發(fā)出示警信號(hào)。（3）根據(jù)定位基站記錄的信息，描繪出消防人員的活動(dòng)軌跡。

根據(jù)滅火救援的實(shí)際情況來看，定位系統(tǒng)需要滿足以下幾點(diǎn)要求：

（1）精度要求。滅火救援過程中，可能是由幾名消防人員組成一個(gè)戰(zhàn)斗小組，為了區(qū)分每名消防人員，無線定位系統(tǒng)的精度要達(dá)到l米以下。同時(shí)，消防人員在滅火救援的過程中是不斷移動(dòng)的，因此，定位系統(tǒng)應(yīng)該能夠?qū)σ苿?dòng)目標(biāo)提供與靜止目標(biāo)相當(dāng)?shù)亩ㄎ痪取?/p>

（2）穩(wěn)定性要求。每個(gè)滅火救援現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境都不相同，有些現(xiàn)場(chǎng)條件非常惡劣，如高溫、高濕、多灰塵、煙氣濃厚等，甚至?xí)浡卸練怏w，這就要求定位系統(tǒng)必須能夠提供穩(wěn)定的定位性能。同時(shí)，無線子終端能夠防水、防震等。

（3）多目標(biāo)定位要求。重特大災(zāi)害事故的處置一般都是多個(gè)消防中隊(duì)共同參與救援，會(huì)有數(shù)百名消防人員在事故現(xiàn)場(chǎng)，定位系統(tǒng)需要準(zhǔn)確地辨識(shí)每一名消防人員，并且精確地對(duì)每名消防人員進(jìn)行定位。

（4）方位無關(guān)性要求。消防人員隨身攜帶的無線子終端初步設(shè)計(jì)如同手表一樣戴在手腕上，在救援過程中，當(dāng)消防人員有俯身、轉(zhuǎn)向等動(dòng)作時(shí)，該終端的朝向往往會(huì)有較大變化。在這種情況下，定位系統(tǒng)應(yīng)能保持對(duì)消防人員的跟蹤，定位精度不能產(chǎn)生大的偏差。

（5）三維空間定位要求。定位系統(tǒng)應(yīng)能夠反映消防人員所在的樓層和房間等。

（6）簡(jiǎn)單方便性要求。定位系統(tǒng)要易于部署，操作盡可能簡(jiǎn)便，使用時(shí)不需要過多的專業(yè)知識(shí)。

定位系統(tǒng)的組網(wǎng)方案

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

基于Zigbee技術(shù)的消防人員定位系統(tǒng)主要由定位基站、無線子終端和定位系統(tǒng)服務(wù)器等設(shè)備組成，如圖2所示。其中，無線子終端由進(jìn)入災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的消防人員攜帶，并以無線方式和定位基站保持連接；定位基站安裝在二級(jí)通訊指揮車或便攜移動(dòng)設(shè)備上，通過有線方式接入通信指揮車核心定位服務(wù)器，能夠覆蓋不小于2平方千米的滅火救援現(xiàn)場(chǎng)；定位系統(tǒng)服務(wù)器安裝在一級(jí)通訊指揮車上，負(fù)責(zé)對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行處理、顯示和報(bào)警。從圖2可以看出，信息跳傳過程為：B1、B2無線子終端處于A1定位基站檢測(cè)范圍之內(nèi)；跳傳路徑為：B1(B2)—A1—以太網(wǎng)—定位系統(tǒng)服務(wù)器。

系統(tǒng)的定位原理

每個(gè)無線子終端都有唯一的ID，無線子終端每隔10秒給定位基站發(fā)送狀態(tài)信息，包括它的ID號(hào)碼和狀態(tài)，總共3個(gè)字節(jié)。實(shí)現(xiàn)過程：定義一個(gè)定時(shí)器，定時(shí)周期為100毫秒，在第100個(gè)定時(shí)周期到來時(shí)，發(fā)送無線子終端的狀態(tài)信息。定位基站在接收到一個(gè)無線子終端信息后，進(jìn)行判別比較，看該無線子終端的ID是否在ID表中已經(jīng)存在，如果存在了，就把相對(duì)應(yīng)的標(biāo)志字段清零，表明收到了存在子終端的消息；如果不存在，那么就要把該子終端的ID寫入ID表中。

同時(shí)，定位基站每隔10秒進(jìn)行定時(shí)查詢，判斷一個(gè)無線子終端是否離開。實(shí)現(xiàn)過程：定義一個(gè)定時(shí)器，定時(shí)周期為100毫秒，在100個(gè)定時(shí)周期之后，對(duì)現(xiàn)有的ID表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，如果某一條ID信息的標(biāo)志字段值超過了3字節(jié)，說明該ID對(duì)應(yīng)的無線子終端已經(jīng)連續(xù)10秒沒有上報(bào)信息，可認(rèn)為該無線子終端已經(jīng)離開了定位基站。

假設(shè)有一名消防隊(duì)員攜帶無線子終端B，經(jīng)過某一定位基站A1，定位基站和無線子終端的通信流程如圖3所示。

圖3 定位基站和無線子終端的通信流程

系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

在軟件方面，系統(tǒng)可以使用C#編程語言，借助Visual Studio 2008的編程環(huán)境，通過串口通信控件，采用事件驅(qū)動(dòng)方式，很方便地對(duì)串口進(jìn)行操作。軟件通過串口發(fā)送和接收請(qǐng)求命令，結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）將接收到的傳感信息實(shí)現(xiàn)地理信息管理（地圖顯示、放大、縮小、漫游、查詢等），進(jìn)而實(shí)時(shí)顯示被定位消防人員的位置和狀態(tài)信息。

責(zé)任編輯鐘金花