基于Zigbee 技術(shù)的失火公交定位系統(tǒng)

陳 林

(太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院，山西 太原 030024)

公交車火災(zāi)已經(jīng)成為公交安全的重要隱患，它威脅到人民群眾的生命財產(chǎn)安全，使人們對公交車安全的信任度降低［1］。公交車火災(zāi)的預(yù)防非常重要，而發(fā)生起火后的及時救援也同樣極為重要。從發(fā)生火災(zāi)到聯(lián)系人員救護需要一段時間，如果能盡可能縮短這段時間，當公交車發(fā)生火災(zāi)后救援人員能夠在第一時間趕到現(xiàn)場，就會減少很多人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此，公交起火后的快速定位和快速報警顯得尤為重要?；谶@種需要，本文提出了一種基于Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)的公交火災(zāi)快速定位系統(tǒng)，當位于公交車內(nèi)的傳感器檢測到火災(zāi)時，能立即將信號傳給消防中心，同時定位傳感器也將公交車的位置上傳給消防中心，消防中心就能立刻依據(jù)定位系統(tǒng)上報的地點安排對發(fā)生火災(zāi)的公交的消防救護工作，以將人身財產(chǎn)損失降到最低。Zigbee 網(wǎng)絡(luò)具有靈活簡易的組網(wǎng)能力，成本、功耗較低，能夠滿足在大范圍城市公交線路上組網(wǎng)檢測、定位的要求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本公交火災(zāi)快速定位系統(tǒng)由底層數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)和上層管理中心組成。底層數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)負責火災(zāi)信號和公交車位置兩種信息的采集。網(wǎng)關(guān)負責構(gòu)建、維護及管理Zigbee 網(wǎng)絡(luò)，同時將底層數(shù)據(jù)傳給上層計算機。

上層的管理計算機位于消防中心，當收到火災(zāi)報警時控制人員可以立即知曉并派出消防車，同時聯(lián)系醫(yī)護人員進行救護。

網(wǎng)關(guān)在此選擇Zigbee 芯片CC2430 進行設(shè)計。CC2430是系統(tǒng)級芯片(SOC)，內(nèi)部集成了工業(yè)級小巧高效的8051控制器。CC2430的核心是高性能的2.4 GHz DSSS(直接序列擴頻)射頻收發(fā)器。CC2430為Zigbee 網(wǎng)絡(luò)中的路由器和節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址，起協(xié)調(diào)器的作用。

底層信息采集網(wǎng)絡(luò)主要由檢測火災(zāi)的傳感節(jié)點和定位節(jié)點組成，同時包括協(xié)助定位并充當路由器功能的參考節(jié)點?；馂?zāi)檢測節(jié)點由煙感傳感器、基于Zigbee 標準的射頻芯片CC2430 組成，定位節(jié)點選用CC2431 芯片進行設(shè)計。CC2431 芯片內(nèi)部具有定位引擎。圖1為公交火災(zāi)定位系統(tǒng)框架圖。采集到的現(xiàn)場信息由下至上傳至管理中心計算機。

圖1 公交火災(zāi)定位系統(tǒng)框架圖

2 Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)

Zigbee 具有簡易靈活的組網(wǎng)能力，而它的功耗、成本與其它無線網(wǎng)絡(luò)相比均具有優(yōu)勢，因此本設(shè)計中選用Zigbee 網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸。Zigbee的無線mesh 網(wǎng)絡(luò)可以以“多級跳”的方式實現(xiàn)信號傳播，具有自組織和自愈功能。Zigbee 網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性和可靠性均符合要求，其抗干擾性與藍牙、WLAN 在相同的情況下相比有明顯優(yōu)勢。Zigbee 技術(shù)在抗干擾能力和通信可靠性上的優(yōu)勢得益于RF 物理層和通信協(xié)議上的設(shè)計。實驗證明IEEE 802.15.4/ZigBee的誤碼率，特別是在信噪比為4 dB的情況下可達到10－9;達到同樣誤碼率，藍牙/802.15.1 信噪比要達16 dB，802.11b 要達10 dB，可見ZigBee的抗干擾性能明顯高于藍牙和WLAN［2］。

3 定位原理

Zigbee 芯片CC2431 內(nèi)部設(shè)計了定位引擎。定位系統(tǒng)中的參考節(jié)點選用CC2430 進行設(shè)計。CC2431 芯片使能后，將收集與多個參考節(jié)點通信時的信號強度值，利用三個參數(shù)(A值、N值、RSSI值)值，結(jié)合相應(yīng)參考節(jié)點的坐標進行定位計算。三個參數(shù)中A值為距離發(fā)射機(CC2430/CC2431)1 m 遠的RSSI 絕對值;N值為距離發(fā)射機每增加1 m 衰減的RSSI 絕對值;RSSI為CC2430/CC2431 信號強度，單位為dBm［3］。計算中用到三角(三邊)測量法。

三角(三邊)測量的原理是，在地面選一系列控制點，相互連接成若干個三角形，構(gòu)成各種網(wǎng)(鎖)狀圖形。通過觀測三角形的內(nèi)角(或邊長)，再根據(jù)已知控制點的坐標、起始邊的邊長和坐標方位角，經(jīng)解算三角形和坐標方位角推算可得到三角形各邊的邊長和坐標方位角，進而由直角坐標正算公式計算待定點的平面坐標。

該計算由硬件執(zhí)行，占用很少的CPU 資源，計算速度快，定位響應(yīng)時間少于40 μs。為了確保公交定位的準確性，沿途的參考點應(yīng)保證一定數(shù)量，一次定位至少需要三個參考節(jié)點。

4 系統(tǒng)控制流程

系統(tǒng)的軟件控制流程如圖2所示。當系統(tǒng)初始化完成后，系統(tǒng)將不斷掃描各個公交車火災(zāi)信號的狀態(tài)值，當狀態(tài)為發(fā)生火災(zāi)時，系統(tǒng)將立即發(fā)出聲音警報。在覆蓋公交行徑整個區(qū)域的電子地圖上，將以火焰的符號顯示公交所在地點。同時，系統(tǒng)將發(fā)送短信給相關(guān)負責人員，通知他們發(fā)生火災(zāi)的公交地點，以便救援行動能夠及時展開。

5 結(jié)論

本文中的城市公交車火災(zāi)快速定位系統(tǒng)能夠縮短消防和醫(yī)護人員對公交車進行救援的響應(yīng)時間，對人民的出行安全有重要意義。采用的Zigbee 網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)靈活簡易，成本和耗能較低，有利于系統(tǒng)投放到實際應(yīng)用中。

圖2 系統(tǒng)流程圖

［1］夏燕.淺析城市公交車火災(zāi)事故防范措施［OL］.http://119.china.com.cn/txt/2010－ 07/15/content _3610952.htm.2010－07－05.

［2］顏艷華，劉軍.ZigBee 抗干擾性能分析及與其他無線系統(tǒng)的共存［J］.中國無線電，2008，19(11):37－40.

［3］國鑫，霍凱，劉玉琳.基于ZigBee的無線定位系統(tǒng)設(shè)計［J］.中國儀器儀表，2011，31(4):31－34.