基于ZigBee技術(shù)的滅火救援現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究

裴建國，張穎花，張 翔

(1.武警學(xué)院 消防指揮系，河北 廊坊 065000； 2.天津消防總隊(duì)，天津 300000)

基于ZigBee技術(shù)的滅火救援現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究

裴建國1，張穎花1，張 翔2

(1.武警學(xué)院 消防指揮系，河北 廊坊 065000； 2.天津消防總隊(duì)，天津 300000)

滅火救援現(xiàn)場的數(shù)字化問題是消防發(fā)展的新方向，提出以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)，針對(duì)滅火救援現(xiàn)場戰(zhàn)斗的特點(diǎn)，采取簇樹形混合組網(wǎng)，建設(shè)面向滅火救援現(xiàn)場環(huán)境與各實(shí)體對(duì)象的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)滅火救援現(xiàn)場中人員、器材裝備和環(huán)境信息的感知、連接和信息交換，使指揮員能夠快速、清晰、全面、客觀地掌控滅火救援戰(zhàn)斗現(xiàn)場情況，為消防部隊(duì)的快速反應(yīng)、協(xié)同作戰(zhàn)、指揮決策提供信息支撐。

ZigBee技術(shù)；滅火救援；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；通信指揮

0 引言

在滅火救援戰(zhàn)斗過程中，現(xiàn)場信息的獲取主要是通過視、聽等手段直接接觸外界所得到的感性認(rèn)識(shí)及少量通過儀器獲取的數(shù)據(jù)，在一般的滅火救援戰(zhàn)斗中，指揮員通過自身的豐富經(jīng)驗(yàn)及理論知識(shí)往往能做出正確的決策，但在一場復(fù)雜的災(zāi)害事故處置中，這些片面的、淺層的認(rèn)識(shí)往往不能代表整個(gè)災(zāi)害事故的發(fā)展變化。辯證法認(rèn)為，若要認(rèn)識(shí)事物的本質(zhì)，就必須從感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的作用正是如此，為指揮員提供多層次的數(shù)據(jù)信息，對(duì)滅火救援現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)量化。

1 ZigBee技術(shù)概述

ZigBee技術(shù)是一種具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù)，其物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議為IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層和安全層由ZigBee聯(lián)盟制定，應(yīng)用層的開發(fā)應(yīng)用根據(jù)用戶的應(yīng)用需求，對(duì)其進(jìn)行開發(fā)利用，因此該技術(shù)能夠?yàn)橛脩籼峁C(jī)動(dòng)、靈活的組網(wǎng)方式。ZigBee致力于提供一種廉價(jià)的固定、便攜或者移動(dòng)設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無線通信技術(shù)。該無線通信技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

1.1 數(shù)據(jù)傳輸速率低

只有10～250 kb·s-1，專注于低傳輸速率應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不傳輸語音、視頻之類的大量數(shù)據(jù)，僅傳輸一些簡單數(shù)據(jù)。

1.2 功耗低

由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1 mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設(shè)備僅靠兩節(jié)5號(hào)電池就可以維持長達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間。

1.3 時(shí)延短

通信時(shí)延和休眠到喚醒的時(shí)延非常短，進(jìn)行設(shè)備搜索時(shí)延約為30 ms，設(shè)備接入信道的時(shí)延為15 ms。因此ZigBee技術(shù)更適合于那些對(duì)時(shí)延要求較高的場合。

1.4 數(shù)據(jù)傳輸可靠

采取了碰撞避免策略，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息,保證了節(jié)點(diǎn)間傳輸信息的高可靠性。

1.5 網(wǎng)絡(luò)容量大

ZigBee的低速率、低功耗和短距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)使它非常適宜支持簡單器件。ZigBee定義了兩種器件：全功能器件(FFD)和簡化功能器件(RFD)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Coordinator)是一種全功能器件。如果通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可以支持超過65 000個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，再加上各個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可互相連接，整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目將十分可觀。

1.6 自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)和自主路由

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是動(dòng)態(tài)變化的，無論是節(jié)點(diǎn)的能量耗盡，或者節(jié)點(diǎn)被損壞，都能使節(jié)點(diǎn)退出網(wǎng)絡(luò)，而且可以在需要的時(shí)候向已有的網(wǎng)絡(luò)加入新的傳感器節(jié)點(diǎn)。

1.7 兼容性

ZigBee技術(shù)與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無縫集成。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)，采用CSMA-CA方式進(jìn)行信道接入。為了可靠傳遞，還提供全握手協(xié)議。

1.8 安全性

ZigBee技術(shù)的安全性高，有三級(jí)安全模式可供選擇:無安全模式、使用接入控制清單(ACL)模式和利用特定加密標(biāo)準(zhǔn)AES128對(duì)稱密鑰模式。

1.9 實(shí)現(xiàn)成本低

低復(fù)雜的通信協(xié)議降低了對(duì)節(jié)點(diǎn)控制器的要求，并且ZigBee協(xié)議無須付專利費(fèi)。

2 滅火救援現(xiàn)場的特殊性

為組建適應(yīng)消防部隊(duì)作戰(zhàn)需求的傳感器網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)首先了解滅火救援現(xiàn)場的特殊性：首先，滅火救援現(xiàn)場具有作戰(zhàn)人員、車輛、裝備器材、環(huán)境等多種實(shí)體對(duì)象，因此節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)連接方式具有特殊性，不同種類節(jié)點(diǎn)之間組網(wǎng)及結(jié)構(gòu)關(guān)系比起單一種類的節(jié)點(diǎn)更加困難。其次，滅火救援現(xiàn)場信息種類豐富，因此需要多種節(jié)點(diǎn)攜帶不同類型的傳感器，諸如溫度、濕度、濃度、煙霧甚至生理傳感器。再次，在滅火救援現(xiàn)場的傳感器網(wǎng)絡(luò)中既有靜態(tài)的實(shí)體對(duì)象，也有會(huì)移動(dòng)的實(shí)體對(duì)象(主要是作戰(zhàn)人員)，對(duì)移動(dòng)對(duì)象進(jìn)行監(jiān)控必然要考慮其移動(dòng)性。在首次網(wǎng)絡(luò)部署之后，安置在作戰(zhàn)人員身上的節(jié)點(diǎn)會(huì)隨著該人員的移動(dòng)而不斷改變位置，從而導(dǎo)致無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。因此，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時(shí)要考慮靜態(tài)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)帶來的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?/p>

3 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

在滅火救援戰(zhàn)斗現(xiàn)場，所有的節(jié)點(diǎn)都需要與協(xié)調(diào)器建立通信連接，它們既承擔(dān)著采集、傳輸傳感數(shù)據(jù)，也負(fù)責(zé)傳送各種控制指令等任務(wù)。ZigBee的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)根據(jù)節(jié)點(diǎn)的連接方式大體可分為三種：星狀網(wǎng)絡(luò)、樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。采取單一的節(jié)點(diǎn)連接方式顯然很難滿足滅火救援現(xiàn)場的需求，因此，本文構(gòu)建了一個(gè)雙層次的分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，形狀為簇樹形結(jié)構(gòu)[2]。

如圖1所示，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包含網(wǎng)絡(luò)上層和網(wǎng)絡(luò)下層兩個(gè)子層：網(wǎng)絡(luò)上層采用網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)，由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和簇頭節(jié)點(diǎn)組成，可以縮短數(shù)據(jù)傳遞路徑并適應(yīng)大面積環(huán)境；網(wǎng)絡(luò)下層采用樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由簇頭節(jié)點(diǎn)和普通傳感節(jié)點(diǎn)各自組成的簇形成，簇頭節(jié)點(diǎn)作為中繼器存在，路徑固定、結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，方便簇頭節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)管理。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)大的功能，采用多跳的方式進(jìn)行通信，還具備自組織、自愈等功能，使得網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能經(jīng)過其他節(jié)點(diǎn)傳送信息，最終經(jīng)過“多級(jí)跳”的形式傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，適應(yīng)滅火救援現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境的需求[3]。圖1中包含兩種設(shè)備類型：全功能設(shè)備(Full-Function Device，F(xiàn)FD)及精簡功能設(shè)備(Reduced-Function Device，RFD)。FFD能夠構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)(為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器時(shí))，讓其他FFD或RFD連接，具備控制器功能，可提供信息雙向傳輸。RFD則只能傳送信息給FFD或從RFD接受信息，可以降低網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的成本和復(fù)雜性，只能作為終端設(shè)備。

圖1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)示意圖

3.1 節(jié)點(diǎn)類型及功能

為了構(gòu)建滅火救援現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，還需對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行類型劃分。根據(jù)上文所述節(jié)點(diǎn)分為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、簇頭節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)，其特點(diǎn)如表1所示。

3.1.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是整個(gè)滅火救援現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的中心，是WSN/3G網(wǎng)關(guān)的組成部分，WSN采集的所有傳感信息都將通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器傳送至數(shù)據(jù)服務(wù)中心。另外，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器承擔(dān)著發(fā)起建立網(wǎng)絡(luò)、設(shè)定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)信息等功能。

3.1.2 簇頭節(jié)點(diǎn)

簇頭節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)管理由本身所形成的樹狀網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的子節(jié)點(diǎn)，收集子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息并向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送。此外，作為WSN的中間節(jié)點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)上層形成的網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，簇頭節(jié)點(diǎn)還作為其他簇頭節(jié)點(diǎn)的路由節(jié)點(diǎn)存在。

3.1.3 普通節(jié)點(diǎn)

普通節(jié)點(diǎn)通常僅具有傳感數(shù)據(jù)采集和路由功能，一般布置在器材裝備、作戰(zhàn)人員隨身攜帶或者分布在現(xiàn)場環(huán)境中。根據(jù)實(shí)體對(duì)象所需信息的不同，也可布置不同種類的傳感器節(jié)點(diǎn)，提供包括溫度、濕度、濃度、煙霧、壓力、生理在內(nèi)的多種信息采集功能。

在本文的分級(jí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)之間依據(jù)組網(wǎng)機(jī)制形成簇樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性以及節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信等都是需要解決的重點(diǎn)問題。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、簇頭節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)的不同功能，其各自網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)也不同，如表2所示。

3.2 節(jié)點(diǎn)構(gòu)成

為了實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的功能目標(biāo)，節(jié)點(diǎn)應(yīng)包括如下基本組成：

3.2.1 傳感單元，由傳感器在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)采集信息并進(jìn)行AD/DC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；

表2 不同節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)層功能

3.2.2 處理單元，是節(jié)點(diǎn)的控制中心，包括處理器、存儲(chǔ)器以及嵌入式操作系統(tǒng)，控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)、處理自身感應(yīng)和其他節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)；

3.2.3 通信單元，是與其他節(jié)點(diǎn)交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)的傳輸途徑；

3.2.4 能量供應(yīng)單元，為節(jié)點(diǎn)其他單元提供能量。

此外，根據(jù)節(jié)點(diǎn)任務(wù)的需要，可以選擇的其他功能包括：定位系統(tǒng)、移動(dòng)系統(tǒng)、電源自供電系統(tǒng)等[4]。組成如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成

上文將節(jié)點(diǎn)劃分為三種節(jié)點(diǎn)，其中簇頭節(jié)點(diǎn)又分為靜態(tài)簇頭節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)簇頭節(jié)點(diǎn)，雖然節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的功能不同，但是其基本組成是相同的，只是在硬件性能上有所差異。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的主控節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)全部WSN數(shù)據(jù)的收發(fā)、管理及存儲(chǔ)，需要極強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和最大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，因此其處理器和存儲(chǔ)器最為強(qiáng)勁，還應(yīng)具備額外的存儲(chǔ)空間，其能量由車載電源負(fù)責(zé)提供。靜態(tài)簇頭節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)簇頭節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的骨干節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)局部數(shù)據(jù)的收發(fā)處理，需要一定數(shù)據(jù)處理能力和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，節(jié)點(diǎn)能量由微型電池負(fù)責(zé)供電。此外，作為定位系統(tǒng)中的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有定位系統(tǒng)，移動(dòng)簇頭節(jié)點(diǎn)還應(yīng)具有移動(dòng)系統(tǒng)。普通節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)，硬件需求最低，可以選取精簡功能設(shè)備。

滅火救援現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)際建設(shè)中，可根據(jù)實(shí)際情況，選取市場上產(chǎn)品化、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的傳感器節(jié)點(diǎn)。目前市場上的傳感器節(jié)點(diǎn)硬件均采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，接口簡化，可直接在硬件上進(jìn)行編程，已基本實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，如基于CC2430芯

片的產(chǎn)品應(yīng)用最為廣泛。

在節(jié)點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器架設(shè)在通信指揮車中，是WSN/3G網(wǎng)關(guān)的組成部分。在滅火救援現(xiàn)場每個(gè)實(shí)體對(duì)象都應(yīng)配備一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)和大量普通節(jié)點(diǎn)，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)該對(duì)象的全部信息監(jiān)測(cè)。無論是簇頭節(jié)點(diǎn)還是普通節(jié)點(diǎn)，都具備傳感單元，能夠感知信息，根據(jù)被測(cè)對(duì)象的信息需求，靈活改變傳感模塊重構(gòu)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)需要改變傳感器類型時(shí)，只需把傳感模塊換成所需的傳感器即可，而不用重新設(shè)計(jì)電路板和其他功能單元。

無論是簇頭節(jié)點(diǎn)還是普通節(jié)點(diǎn)，既可以利用嵌入式技術(shù)布置于車輛、器材裝備之中，用以監(jiān)測(cè)被測(cè)對(duì)象的信息，也可以制作成獨(dú)立的模塊便于在滅火救援現(xiàn)場拋灑，用以監(jiān)測(cè)環(huán)境信息。由于節(jié)點(diǎn)體積小，制作成獨(dú)立模塊的節(jié)點(diǎn)還應(yīng)額外具備發(fā)光、發(fā)聲功能，便于找尋。

4 結(jié)束語

基于ZigBee技術(shù)的滅火救援現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集管理方面具有突出的優(yōu)勢(shì)，不但能為指揮員提供決策支持，也能夠提高戰(zhàn)斗人員生命安全的保障能力，這也正是如今滅火救援工作最需

要的環(huán)節(jié)，該系統(tǒng)的研發(fā)能夠成為當(dāng)今滅火救援戰(zhàn)斗的重要補(bǔ)充。

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(責(zé)任編輯 陳 華)

A Research of Fire Fighting and Rescue Field Data Acquisition System Based on the ZigBee Technology

PEI Jian-guo1，ZHANG Ying-hua1，ZHANG Xiang2

(1.DepartmentofFireCommanding,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China;2.TianjinFireCorps,Tianjin300000,China)

The digitization of fire fighting and rescue on a fire spot is a new direction in the development of fire science. In this paper, the fire fighting and rescue data acquisition system is designed based on the ZigBee technology. This system arms at the characteristics of the scene of fire fighting and rescue. Talking the cluster tree of hybrid network, this system can realize the connection between the fighting person, the equipment and the environment, which can provide information for the commanders fast, clearly, comprehensively and objectively.

ZigBee technology; fire fighting and rescue; data acquisition system; communication command

2015-02-26

河北省科技廳項(xiàng)目“基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的滅火救援指揮平臺(tái)研究”(13275603)

裴建國(1966— )男，河北文安人，教授； 張穎花(1977— )，女，河北大城人，講師； 張翔(1987— )男，天津人。

TN925；D631.6

A

1008-2077(2015)04-0037-04