淺析ZigBee技術(shù)在火災(zāi)救援決策中的應(yīng)用

涂新星

(吉安市消防支隊,江西 吉安　343009)

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淺析ZigBee技術(shù)在火災(zāi)救援決策中的應(yīng)用

涂新星

(吉安市消防支隊,江西 吉安343009)

隨著城市密度和人口活動的活躍度不斷增強，火災(zāi)的發(fā)生也越加頻繁，而我國民眾的消防意識和應(yīng)對能力還較為薄弱，這給消防部門帶來了較大的工作負擔(dān)。對于滅火現(xiàn)場而言，可以采用現(xiàn)代化的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來輔助制定滅火救援決策。探討了ZigBee技術(shù)在滅火救援決策中的應(yīng)用，給出了具體的設(shè)計方案。

ZigBee;火災(zāi);滅火救援；決策

滅火救援決策工作是消防部隊需要重點考慮的方面。近年來，伴隨迅猛發(fā)展的現(xiàn)代化城市建設(shè)，大量具有流動性、爆炸性、毀滅性的特殊火災(zāi)和惡性災(zāi)害事故頻繁發(fā)生，滅火救援工作重要性日益凸顯。合理的滅火救援方案能夠在一定程度上降低災(zāi)情損失，因此研制滅火救援決策輔助平臺，最大限度地獲取火災(zāi)現(xiàn)場信息并進行深度分析研判，生成最優(yōu)的滅火救援方案，輔助消防部門決策，對提升滅火救援效率意義重大。

1　ZigBee通信技術(shù)及優(yōu)勢

ZigBee是基于 IEEE802.15.4 標準的局域網(wǎng)協(xié)議，是一種近距離、低復(fù)雜度、自組織網(wǎng)絡(luò)、低功耗、高數(shù)據(jù)速率的雙向無線通信技術(shù)，支持地理定位功能。ZigBee 是可多達 65 000 個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，十分類似于現(xiàn)有的移動通信的 CDM 網(wǎng)或 GSM 網(wǎng)，每一個 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊類似移動網(wǎng)絡(luò)的一個基站，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，它們之間可以進行相互通信；每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的距離可以從標準的75 m，到擴展后的幾百米，甚至幾千米；另外整個 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有的其他的各種網(wǎng)絡(luò)連接。與移動通信網(wǎng)絡(luò)不同的是，ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要是為自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不僅本身可以與監(jiān)控對象連接，它還可以自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料。

ZigBee通信技術(shù)的主要優(yōu)勢有：(1)統(tǒng)一性非常高：國內(nèi)的頻段設(shè)置則是完全按照全球統(tǒng)一的標準進行的2.4 GHz，其中歐洲與美國則略有不同；(2)低耗能：ZigBee不僅成本低于其他通信技術(shù)，在傳輸數(shù)據(jù)的時候所產(chǎn)生的能耗也遠遠低于其他通信技術(shù);(3)抗干擾：WiFi在日常生活、工作的使用中，可以很明顯的看出一旦有墻面阻隔或者電子信號的干擾，信號則會大大減弱，而ZigBee在這方面的能力遠遠高于WiFi；(4)價格低：ZigBee的結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，并且制作標準也統(tǒng)一，因此制作成本便大幅度減少；(5)大容量：ZigBee是可以單獨成立的，而每一個獨立的網(wǎng)絡(luò)中至多可以支持將近7萬個設(shè)備；(6)拓撲自由：ZigBee在應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)實處的時候，其結(jié)構(gòu)較為多樣，但是其自組性較強，因此大部分工作都可以實現(xiàn)智能特性；(7)通信距離易控制：ZigBee的先進性導(dǎo)致其通信能力遠超其他通信技術(shù)，在其經(jīng)過信號擴展后，信號可散布5 km范圍左右，使得節(jié)點在位置設(shè)置的時候可以滿足一切工作需求。

2　ZigBee滅火救援決策設(shè)計

2.1救援決策總體結(jié)構(gòu)

滅火救援決策管理系統(tǒng)主要分為兩大部分，一是滅火救援決策信息和控制命令的轉(zhuǎn)發(fā)階段，二是基于Android的滅火救援決策系統(tǒng)。在本文中，滅火救援決策系統(tǒng)分PC端和Android終端，PC端系統(tǒng)可采用C/C++等高級語言開發(fā)。

從圖1可以看出，滅火救援決策環(huán)境中可以看成每一片區(qū)域?qū)?yīng)一個協(xié)調(diào)器節(jié)點。在滅火救援管理過程中，協(xié)調(diào)器節(jié)點采集區(qū)域內(nèi)的所有終端節(jié)點信息，通過物理鏈路將信息傳輸?shù)浆F(xiàn)場指揮中心(滅火救援決策系統(tǒng)PC端)，再利用通信指揮車的通信設(shè)備將信息(GPRS/3G/4G/衛(wèi)星等傳輸方式)發(fā)送到Web服務(wù)器上，Web服務(wù)器通過HTTP協(xié)議向Android發(fā)送數(shù)據(jù)信息。當(dāng)節(jié)點采集到對應(yīng)的緊急情況信息時，則通過XML發(fā)送到Android端。

圖1　系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

2.2終端平臺功能結(jié)構(gòu)

2.2.1數(shù)據(jù)信息模塊

信息查詢是為了實現(xiàn)協(xié)調(diào)器節(jié)點與終端節(jié)點的對應(yīng)關(guān)系，同時也能夠查詢對應(yīng)的節(jié)點信息，指戰(zhàn)員可以實時查看災(zāi)情各節(jié)點信息，全面掌握災(zāi)情現(xiàn)場情況，科學(xué)下達滅火救援指令。

2.2.2推送功能模塊

基于Android的XMPP數(shù)據(jù)推送服務(wù)是一種主動式提醒服務(wù)，在本文的滅火救援決策管理系統(tǒng)中，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對緊急事件信息進行主動式提醒，通過XMPP協(xié)議向終端用戶發(fā)送對應(yīng)的消息。

2.2.3設(shè)備控制模塊

消防設(shè)備控制管理模塊的功能是為了實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)滅火救援決策實現(xiàn)主動控制功能，如發(fā)送控制命令自動開啟災(zāi)情報警器等動作,如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

2.3協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計

2.3.1協(xié)調(diào)器節(jié)點結(jié)構(gòu)

協(xié)調(diào)器節(jié)點是整個系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，也是聯(lián)通采集終端和滅火救援決策系統(tǒng)的重要平臺，在此節(jié)點上主要是負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的初始化建立、網(wǎng)絡(luò)管理和數(shù)據(jù)交互功能。同時，節(jié)點上集成了GPS模塊，實時地向滅火救援決策系統(tǒng)和后方指揮中心發(fā)送定位信息。由于考慮到協(xié)調(diào)器節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的任務(wù)量較大，對于主控芯片的要求較高，因此本文中協(xié)調(diào)器節(jié)點的設(shè)計還集成了相應(yīng)的單片機模塊來輔助節(jié)點的工作，如圖3。

圖3　協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)圖

2.3.2節(jié)點軟件設(shè)計方案

在一個自組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器節(jié)點作為網(wǎng)絡(luò)的建立與管理者，是獨立存在且唯一的。協(xié)調(diào)器節(jié)點的軟件設(shè)計框架如圖4所示，可以看出協(xié)調(diào)器節(jié)點的軟件業(yè)務(wù)主要包括對網(wǎng)絡(luò)的組建、通信和數(shù)據(jù)處理操作(主要為數(shù)據(jù)融合)。

圖4　協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件總體框架

2.4終端節(jié)點設(shè)計

2.4.1終端節(jié)點結(jié)構(gòu)

在本文的滅火救援決策管理系統(tǒng)中，終端節(jié)點的作用主要是負責(zé)系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)的采集與傳輸功能，節(jié)點的硬件模塊則首先需要具有數(shù)據(jù)采集的功能，在本文的設(shè)計中，由于滅火救援決策需要采集非常多類型的數(shù)據(jù)信息，這取決于滅火救援應(yīng)用的各個方面，由于系統(tǒng)功能和研究方向問題，我們以氣體濃度傳感器來闡述節(jié)點結(jié)構(gòu)設(shè)計。在災(zāi)情現(xiàn)場中，傳感器所采集到的模擬信號需要轉(zhuǎn)換和調(diào)理成數(shù)字信號發(fā)送到CC2530主控芯片，主控芯片對采集數(shù)據(jù)進行融合等操作后通過內(nèi)嵌的ZigBee通信模塊發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點，如圖5，當(dāng)然節(jié)點上需要電源模塊來保持節(jié)點工作。

圖5　終端節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

2.4.2數(shù)據(jù)采集處理

在終端節(jié)點模塊，對于氣體濃度數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)發(fā)送主要是由氣體濃度傳感器和CC2530芯片來進行的。在系統(tǒng)初始化以后，系統(tǒng)的上位機模塊(也就是本文中設(shè)計的滅火救援決策系統(tǒng))會向采集終端發(fā)送相應(yīng)的控制命令，設(shè)定節(jié)點的數(shù)據(jù)采集周期，當(dāng)采集周期到達后，由主控芯片喚醒節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集和發(fā)送工作，在此過程中，采集信息的模擬信號會進經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、濾波融合等處理，并通過ZigBee模塊發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點去，見圖6。

圖6　數(shù)據(jù)采集與處理流程

3　ZigBee滅火救援決策方案

3.1系統(tǒng)方案

滅火救援輔助決策系統(tǒng)包含滅火計算、信息查詢、模糊決策、災(zāi)害現(xiàn)場信息存儲(為戰(zhàn)評)等功能，通過在災(zāi)害現(xiàn)場布置ZigBee終端，實時有效地采集災(zāi)害現(xiàn)場數(shù)據(jù)，讓后方指戰(zhàn)員更高效地對災(zāi)害事故發(fā)展程度、趨勢預(yù)測和現(xiàn)有滅火救援實力進行評估，更科學(xué)地開展力量部署和實施技戰(zhàn)術(shù)方案。因此系統(tǒng)設(shè)計所需解決的關(guān)鍵內(nèi)容如下：

3.1.1基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的滅火救援決策區(qū)域數(shù)據(jù)采集。對于災(zāi)情發(fā)生區(qū)域數(shù)據(jù)的采集方面，本文采用基于ZigBee通信技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，通過部署在災(zāi)情現(xiàn)場的終端節(jié)點進行監(jiān)測信息的獲取和處理，并發(fā)送給現(xiàn)場指揮部，總隊、支隊消防指揮中心和其他管理的手機APP等滅火救援決策系統(tǒng)上。

3.1.2基于Android的滅火救援決策管理APP系統(tǒng)。采用基于安卓設(shè)備的MIS(Management Information System)系統(tǒng)來進行滅火救援決策信息的管理，移動設(shè)備端滅火救援決策管理APP是現(xiàn)代移動應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的趨勢，能夠大大增強滅火救援決策管理的實時性。

3.1.3基于XMPP的數(shù)據(jù)推送技術(shù)。通過采用基于XMPP協(xié)議的數(shù)據(jù)推送服務(wù)，當(dāng)滅火救援決策監(jiān)測終端發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)過渡超標、生命信號等緊急情況時系統(tǒng)能夠第一時間發(fā)送推送信息給APP客戶端(如圖7所示)。

圖7　系統(tǒng)總體方案示意圖

3.2功能設(shè)計

在災(zāi)情現(xiàn)場救援中，現(xiàn)場指揮部需要實時采集災(zāi)情現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息用于輔助決策。協(xié)調(diào)器節(jié)點將終端節(jié)點采集的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)浆F(xiàn)場指揮部的決策系統(tǒng)中，系統(tǒng)將自動采集信息進行數(shù)據(jù)分析，得出最優(yōu)結(jié)果，并將結(jié)果傳輸?shù)絎eb服務(wù)器和后方消防支隊指揮中心。Web服務(wù)器采用XMPP協(xié)議將數(shù)據(jù)信息主動推送到現(xiàn)場指揮員的設(shè)備終端(基于Android系統(tǒng)的滅火救援輔助終端)，如圖8所示。

圖8　數(shù)據(jù)傳輸流程

3.2.1終端節(jié)點布置和數(shù)據(jù)傳輸

本文以筆者所處的支隊為例，大多數(shù)基層中隊在處置災(zāi)情時，通常采取人工方式對災(zāi)害現(xiàn)場周邊的數(shù)據(jù)采集，這種采集方式存在以下幾點不足：一是災(zāi)害現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)不及時、傳輸效率低；二是災(zāi)害現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)可利用率低，不能全面客觀體現(xiàn)災(zāi)情情況；三是災(zāi)害現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集危險性高，極其容易對采集人員造成不必要的傷亡。采用ZigBee終端節(jié)點模塊對災(zāi)害現(xiàn)場周邊進行數(shù)據(jù)采集，可有效地避免以上問題發(fā)生。

通常在災(zāi)害現(xiàn)場布置終端節(jié)點主要考慮當(dāng)前災(zāi)害現(xiàn)場的風(fēng)向、風(fēng)力和濕度等自然因素，當(dāng)全勤指揮部到達災(zāi)情現(xiàn)場后根據(jù)不同的災(zāi)害類型和現(xiàn)場情況，劃分滅火救援?dāng)?shù)據(jù)采集圈。在撲救火災(zāi)時，布置火場的ZigBee終端節(jié)點數(shù)根據(jù)過火面積的長和寬來決定；在處置有毒氣體泄漏災(zāi)情時，主要由現(xiàn)場風(fēng)向、風(fēng)力、空氣濕度和氣體密度來決定采集節(jié)點數(shù)量和位置，風(fēng)向決定泄漏氣云擴散的主要方向，風(fēng)速影響泄漏氣云的擴散速度和被空氣稀釋的速度，若無風(fēng)天，則泄漏氣體以泄漏源為中心向四周擴散。圖9為在無風(fēng)天情況下，有毒氣體泄漏災(zāi)情區(qū)域的節(jié)點布置圖。

圖9　無風(fēng)天的氣體泄漏區(qū)域節(jié)點布置圖

在災(zāi)害現(xiàn)場進行終端節(jié)點部署，分粗調(diào)和細調(diào)兩部分，當(dāng)全勤指揮部到達現(xiàn)場后，首先要根據(jù)災(zāi)情當(dāng)前所處的階段，風(fēng)向、風(fēng)力和濕度等數(shù)據(jù)，初步計算出終端采集節(jié)點部署位置，并開始節(jié)點組網(wǎng)。后方指揮部在獲取到現(xiàn)場終端節(jié)點采集的數(shù)據(jù)后，重新對終端采集節(jié)點位置進行部署，設(shè)置二級報警和一級報警臨界點，劃分警戒區(qū)域。考慮到災(zāi)情現(xiàn)場的環(huán)境復(fù)雜多變，數(shù)據(jù)報警臨界點和警戒區(qū)域的劃分會隨著時間的推移而發(fā)生變化，后方指揮員需要及時對終端采集節(jié)點進行位置調(diào)整。終端節(jié)點的位置調(diào)整除靠人工移動外，還可以考慮給終端節(jié)點安裝可遠程控制的車輪,提高采集終端節(jié)點的靈活性。

3.2.2緊急聯(lián)動裝置

在災(zāi)害現(xiàn)場，電臺、電話等通訊方式極為繁雜，滅火救援輔助平臺在特殊情況下將自動開啟緊急聯(lián)動裝置及時向前方指戰(zhàn)員傳達緊急指令，最大限度地減少現(xiàn)場人員傷亡。同時緊急聯(lián)動裝置還可以接受后方指揮中心和前方指戰(zhàn)員終端的命令信息，如發(fā)送控制命令自動開啟有毒氣體超標報警器等動作，如圖10。

圖10　緊急聯(lián)動裝置模塊流程圖

3.2.3數(shù)據(jù)信息查詢和推送

推送信息功能是基于Android的XMPP數(shù)據(jù)推送服務(wù)是一種主動式提醒服務(wù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對緊急事件信息進行主動式提醒，當(dāng)相關(guān)節(jié)點采集到的救援決策數(shù)據(jù)信息超過預(yù)設(shè)的閾值信息時系統(tǒng)通過XMPP協(xié)議主動向終端用戶發(fā)送對應(yīng)的消息。信息通過滅火救援決策系統(tǒng)查詢對應(yīng)的災(zāi)情部署區(qū)域節(jié)點的采集信息，也可通過Android端或者PC(電腦)端觸發(fā)的通信服務(wù)請求，如遠程查詢區(qū)域的有毒氣體濃度等數(shù)據(jù)信息。

4　結(jié)束語

本文對滅火救援決策管理方案進行了詳細的分析和設(shè)計，并對終端平臺和節(jié)點的實現(xiàn)過程進行了具體的分析，但由于災(zāi)情現(xiàn)場不定因素較多，突發(fā)事件發(fā)生較為頻繁，針對于不同應(yīng)用場景和需求下的滅火救援決策研究內(nèi)容還需要進一步細化，通過在災(zāi)情中的多次實踐，可初步形成滅火救援輔助決策模板，提高指戰(zhàn)員的滅火救援效率和決策能力。

[1] 《消防火災(zāi)預(yù)防學(xué)理論與實踐》編委會.消防火災(zāi)預(yù)防學(xué)理論與實踐[M].北京：中國人民大學(xué)出版社,2013.

[2] Rod Johnson,Juergen Hoeller.J2EE Development without EJB[M],2013：36-38.

[3] ZigBee Alliance. ZigBee Specification Version 1.0 ZigBee Document 053474r06[S]. December 14th,2004.

[4] 程春榮．基于ZigBee技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[D]．杭州：杭州電子科技大學(xué),2009.

[5] 羅震．Android平臺環(huán)境下應(yīng)用程序架構(gòu)的設(shè)計與實現(xiàn)[D]．武漢：華中科技大學(xué)，2009.

(責(zé)任編輯陳華)

On the Application of ZigBee to the Fire-fighting Decision-making

TU Xinxing

(Ji’anMunicipalFireBrigade,JiangxiProvince343009,China)

With the increase of cities and the city population, fires increase frequently. However, there is no increase of people’s awareness of fire prevention, which adds much burden to the fire departments. It is suggested that the internet of things be adapted to aid for a fire fighting decision on the spot. The paper offers the specific planning and design.

ZigBee; fire fighting; fire rescue; decision

2016-05-22

涂新星(1986—)，男，江西吉安人，助理工程師。

●滅火救援技術(shù)

D631.6

A

1008-2077(2016)08-0032-05