基于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的人員信息無線傳輸系統(tǒng)

汪瑩，劉海立，王慶輝，封岸松

（沈陽化工大學(xué)，遼寧沈陽110142）

基于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的人員信息無線傳輸系統(tǒng)

汪瑩，劉海立，王慶輝，封岸松

（沈陽化工大學(xué)，遼寧沈陽110142）

以火災(zāi)現(xiàn)場內(nèi)部消防隊員作移動的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計了一個消防隊員實時信息傳輸系統(tǒng)。設(shè)計中用傳感器網(wǎng)絡(luò)和MEMS慣性器件進行數(shù)據(jù)收集，通過433 MHz無線網(wǎng)絡(luò)完成硬件之間的數(shù)據(jù)傳輸通信，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與監(jiān)控中心的通信使用Ad Hoc無線網(wǎng)絡(luò)完成。實驗測試結(jié)果驗證了該系統(tǒng)應(yīng)用于消防救援的可行性，為救援隊員的生命安全提供了進一步保障。

傳感器網(wǎng)絡(luò)；MEMS慣性器件；Ad Hoc無線網(wǎng)絡(luò)；消防救援

0 引言

雖然把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于消防救援領(lǐng)域有了很好的研究，但這些研究大多用于消防隊員跟蹤和搜救。英國拉夫堡（Loughborough）大學(xué)研究小組在進行名為Secure Ad Hoc Fire and Emergency Safety Network（Safe?tyNet）的研究[1]，雖然可以獲取并提供指定地點的環(huán)境和險情信息，但該系統(tǒng)需要預(yù)先在建筑物內(nèi)布設(shè)傳感器，這在目前的實際中有些困難。消防隊員在現(xiàn)場執(zhí)行救護任務(wù)遭遇危險時，不僅會影響整個現(xiàn)場的救援效率，而且會威脅到自身生命，十分不利于火災(zāi)現(xiàn)場的救援和調(diào)度。如果指揮中心能夠觀察到消防隊員的實時信息，指揮人員就能在消防隊員發(fā)生意外時指揮其他救援人員進行快速的相互救援。由此提出一種新型人員實時信息傳輸系統(tǒng)的設(shè)計，以CC430F5137[2]單片機為系統(tǒng)主芯片，通過433 MHz無線網(wǎng)絡(luò)[3]完成利用Mesh慣性器件ADXL345三軸加速度計、DS18B20溫度傳感器和HM2600壓力傳感器等所采集到的實時信息以及其他信息例如硬件的剩余電量、剩余氧氣量等信息的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸，然后通過無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程指揮中心。通過對此系統(tǒng)進行的數(shù)據(jù)信息傳輸試驗，驗證了此系統(tǒng)實現(xiàn)人員監(jiān)測的可行性。

1 總體方案

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計

通過對系統(tǒng)需求的分析，考慮到低功耗要求、無線傳輸需求、外接無線模塊需求，MCU選擇了TI公司的超低功耗、高性能產(chǎn)品的CC430[4]芯片，擁有五種低功耗模式相組合，并具有射頻收發(fā)功能，其功耗僅為160 μA/MHz，可以有效地延長電池使用時間和電池壽命。Ad Hoc模塊設(shè)計所用的是內(nèi)嵌無線移動自組網(wǎng)Mesh協(xié)議的深圳捷訊易聯(lián)公司的YL_1110模塊。YL?1110N模塊既可以作為節(jié)點設(shè)備也可以作為網(wǎng)關(guān)設(shè)備，可以輕松組建最小2節(jié)點到成千上萬節(jié)點的Mesh網(wǎng)絡(luò)。YL?1110N模塊應(yīng)用在低功耗自組網(wǎng)領(lǐng)域如傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線抄表、智能家居等領(lǐng)域，具有明顯的技術(shù)和價格優(yōu)勢。

選用ADI公司的ADXL345[5]作為三軸加速計來測定能夠獲取三維方向上的加速度數(shù)值，從而判斷人體姿態(tài)。ADXL345可以對高達±16g的加速度進行測量，并且分辨率高達13位。溫度傳感器選擇了DALLS公司生產(chǎn)的單總線溫度傳感器DS18B20[6]，其分辨率可以隨著編程而改變，分辨率可以為9～12位，用于實現(xiàn)高精度的溫度檢測[7]。正壓式呼吸器的壓力傳感器選用HM2600，具有高集成化，高穩(wěn)定性的特點。使用于無腐蝕性氣體或液體介質(zhì)的測量，具有高低溫、震動、熱沖擊和機械沖擊等惡劣環(huán)境中的實用性。利用6個LED燈來顯示呼吸機中的剩余氣量。同時加入了一個振動器，防止消防員在復(fù)雜環(huán)境中不能發(fā)現(xiàn)聲光報警時，利用振動器的振動來警告消防員。

電源部分由于里面的芯片電壓要求基本都在3.3 V，所以選用電源管理芯片RT8009作為穩(wěn)壓3.3 V芯片，輸入電壓范圍從2.5～5.5 V，適合于用單節(jié)鋰電池供電的便攜式電子設(shè)備。外部電源考慮到便攜式設(shè)計，選用了可充電的2 400 mA·h的鋰電池供電。

系統(tǒng)信息采集硬件框圖如圖2所示。

圖2 信息采集硬件框圖

3 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是指一組無線移動節(jié)點組成的多跳的、臨時性的、無基礎(chǔ)設(shè)施支持的無中心網(wǎng)絡(luò)。常見的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)包括移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)（Mobile Ad Hoc Network，MANET）與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）等[8]。移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)不依賴預(yù)設(shè)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，其組成網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點都具有動態(tài)組網(wǎng)能力，每個節(jié)點都是移動的，并且都能以任意方式利用自身的無線收發(fā)裝置動態(tài)地保持與其他節(jié)點的聯(lián)系。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)[9?10]采用私有按需輕量動態(tài)多徑路由協(xié)議，此協(xié)議是針對硬件資源條件苛刻的移動自組網(wǎng)設(shè)計的，適用于有移動速度和拓撲結(jié)構(gòu)變化的本系統(tǒng)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。Mesh路由協(xié)議會綜合多種選擇算法進行路由的篩選，包括距離矢量、信號質(zhì)量（鏈路狀態(tài)）和節(jié)點剩余電量?類MMBCR（Min?Max Battery CostRouting）。

距離矢量算法根據(jù)目的地的遠近來決定路徑，根據(jù)距離矢量算法可以找到兩個節(jié)點間的最近路徑，但不一定是最佳路徑。Mesh鏈路狀態(tài)路由算法選擇穩(wěn)定鏈路雖然距離會遠一些，但是能保證報文傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性。類MMBCR路由選擇需要充分考慮節(jié)點電池的電量，應(yīng)盡可能避開電池電量低的節(jié)點進行路由。這樣避免出現(xiàn)某節(jié)點由于能量過度消耗出現(xiàn)死亡的情況，提高移動網(wǎng)絡(luò)的生存能力[11]。

4 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)工作過程

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的核心指導(dǎo)思想是讓網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都可以發(fā)送和接收信號。組網(wǎng)模塊的工作模式為使用NODE的MAC地址傳輸，這種工作模式下NODE模塊報文發(fā)送的目的地址默認為ROOT模塊，NODE模塊會自動在從UART接收到的數(shù)據(jù)報文前添加該模塊的序列號。

微控制器（MCU）通過串行接口連接Ad Hoc模塊，數(shù)據(jù)端的串行數(shù)據(jù)經(jīng)過微控制器的串口發(fā)送到節(jié)點（NODE）模塊上。節(jié)點（NODE）開機后就可以快速、自動地組成一個獨立的網(wǎng)絡(luò)，每一個節(jié)點（NODE）同時是一個路由器。NODE模塊會自動在從UART接收到的數(shù)據(jù)報文前添加該模塊的序列號進行多次中繼后和ROOT模塊建立數(shù)據(jù)無線連接，然后進行Ad Hoc模塊間的無線數(shù)據(jù)傳輸。

Ad Hoc模塊工作流程如圖3所示。

圖3 Ad Hoc工作流程圖

5 系統(tǒng)的監(jiān)測過程

綜合消防員現(xiàn)場情況和功耗，硬件一直保持休眠模式，本系統(tǒng)采用10 s發(fā)一次數(shù)據(jù)。發(fā)送端設(shè)定定時器，9 s后退出休眠，打開傳感器，第10 s發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送完后進休眠。接收端第9 s退出休眠，一直等到接收到數(shù)據(jù)再進入休眠，開始計算時間。這樣不僅防止了數(shù)據(jù)的丟失，并且和發(fā)送端友好地進行時序同步，還滿足設(shè)備的低功耗要求。

消防員進入火場前在便攜式無線監(jiān)測器可以查看各個模塊的電量和剩余氣體可供使用時間，為了保證電子設(shè)備的正常以及電量充足。組網(wǎng)參數(shù)更改說明如表1所示。

表1 組網(wǎng)參數(shù)更改說明

6 結(jié)論

在進行報警傳輸測試時，使用了5個NODE模塊作為移動節(jié)點和1個ROOT模塊，ROOT節(jié)點位于沈陽化工大學(xué)六號實驗樓312室，5個NODE節(jié)點分別布于樓內(nèi)不同位置并可不時的移動。當消防隊員000002的壓力值設(shè)置為3.08 MPa（低于5 MPa），同時模擬消防隊員000002跌倒時，測試結(jié)果如圖4所示，報警原因是消防人員倒地，而且壓力過低。控制監(jiān)測器也顯示聲光振動警報。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果

本文提出采集系統(tǒng)，可以改變目前單個消防隊員信息孤島的局面。該系統(tǒng)在實際應(yīng)用中具有很大的意義，數(shù)據(jù)的及時處理和傳輸在很大程度上保障了消防隊員的生命安全。

[1]蔣玲.實時信息資源：全新無線技術(shù)在消防救援中的應(yīng)用[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2012（3）：79?82.

[2]王娟，肖兵，李利軍.基于CC430的無線油田監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].信息技術(shù)，2013（4）：157?161.

[3]李快快，張東.一種433 MHz無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與應(yīng)用[J].信息技術(shù)，2014（1）：131?134.

[4]林凡強，馬曉茗.基于CC430無線傳感網(wǎng)絡(luò)實驗平臺的開發(fā)[J].測控技術(shù)，2012，31（8）：16?19.

[5]郭敏，尹光洪，田曦，等.基于三軸加速度計的傾斜角傳感器的研究與設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（8）：173?177.

[6]湘江.基于DS18B20的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)[J].信息技術(shù)，2014（2）：173?177.

[7]覃鮮艷.基于DS18B20的無線測溫系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[8]黃浩軍，尹浩，陳和平，等.無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)能量感知地理路由協(xié)議研究進展[J].軟件學(xué)報，2014，25（5）：1061?1064.

[9]蘭鵬.基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究及實現(xiàn)[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2014.

[10]毛譽熹.無線Mesh網(wǎng)絡(luò)干擾感知路由技術(shù)研究[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2014.

[11]何昌偉，劉大偉.Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中能量優(yōu)化路由協(xié)議的研究[J].物流工程與管理，2014，36（2）：113?114.

A personnel information transmission system based on Ad Hoc networks

WANG Ying，LIU Hai?li，WANG Qing?hui，F(xiàn)ENG An?song
（Shenyang University of Chemical Technology，Shenyang 110142，China）

A real?time information transmission system for the fire firefighters was designed according to the network nodes of the fire fighters moving in fire scene.In the design，MEMS inertial components and sensor network are used to collect data，the data transmission and communication between hardwares are completed by 433 MHz wireless network.The communication between network and monitoring center is realized by means of Ad Hoc wireless networks.The feasibility of the system applied to fire rescue was verified by the experimental and testing results.It can provide further safeguard for the life security of firefighters.

sensor network；MEMS inertial component；Ad Hoc wireless network；fire rescue

TN919.7?34

A

1004?373X（2015）07?0028?03

汪瑩（1966—），女，遼寧沈陽人，教授，博士。主要研究方向為數(shù)字信號處理。

劉海立（1988—），女，遼寧朝陽人，碩士研究生在讀。主要研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及嵌入式系統(tǒng)。

2014?10?13

王慶輝（1972—），男，遼寧沈陽人，副教授，博士。主要研究方向為智能測控技術(shù)與裝置的開發(fā)與研制和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)。