基于火災(zāi)報(bào)警和被困人員定位功能的消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方建博 張福文 劉旭 周野 李潔純 韓成浩

摘要：我國(guó)目前有線火突報(bào)警系統(tǒng)較成熟，但并不具備被困人員定位追蹤功能，無(wú)線報(bào)警系統(tǒng)正在興起。針對(duì)這一現(xiàn)狀，文章設(shè)計(jì)了一種具有火突報(bào)警和被困人員定位功能的消防系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括參考節(jié)點(diǎn)、定位節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)關(guān)，火災(zāi)發(fā)生時(shí)，定位節(jié)點(diǎn)能與參考節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZigBee進(jìn)行無(wú)線通信，并計(jì)算出自身位置發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過(guò)CAN總線將信息匯總到控制中心。從而實(shí)現(xiàn)了無(wú)線火突報(bào)警和被困人員定位，在實(shí)施救援時(shí)，能夠大大降低救援難度，縮短救援時(shí)間。

關(guān)鍵詞：火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)；ZigBee；無(wú)線定位

隨著社會(huì)發(fā)展，高層建筑的不斷增多以及現(xiàn)代化城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑物內(nèi)人口的增加，電氣設(shè)備過(guò)載、過(guò)熱、短路和老化等不安全因素，均布局的擴(kuò)大和具有火災(zāi)隱患，重特大火災(zāi)發(fā)生概率呈上升趨勢(shì)，消防問(wèn)題越來(lái)越受到人們重視。

在我國(guó)基于有線的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)和消防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)趨于成熟，然而有線通信方式擴(kuò)展性能差，對(duì)管線的要求苛刻，投資大，布線繁瑣，影響美觀，維護(hù)困難。此外，傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)和消防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)不具備對(duì)被困人員的定位及追蹤。近幾年，國(guó)外新興起新型的無(wú)線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，我國(guó)在無(wú)線報(bào)警系統(tǒng)方面稍微滯后于國(guó)外，卻仍然可以看出無(wú)線報(bào)警系統(tǒng)廣闊的發(fā)展前景[1]。

基于以上國(guó)內(nèi)外報(bào)警系統(tǒng)現(xiàn)狀，本文利用ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)一種具有無(wú)線火災(zāi)報(bào)警和被困人員定位的新型系統(tǒng)。ZigBee技術(shù)具有低功耗，低成本，高可靠性，網(wǎng)絡(luò)容量大，安全等特點(diǎn)[2]。能夠有效地降低系統(tǒng)復(fù)雜度，提升可靠性和穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。圖中有以下4個(gè)模塊：（1）定位節(jié)點(diǎn)，是被困人員隨身攜帶的模塊，可以是胸針、腕帶等。（2）參考節(jié)點(diǎn)，一般布置在樓內(nèi)的走廊和工作室內(nèi)，坐標(biāo)值已知，具有火災(zāi)探測(cè)功能。（3）網(wǎng)關(guān)，需要每層設(shè)置一個(gè)或多個(gè)，在系統(tǒng)中起著承上啟下的作用。（4）控制中心，一般設(shè)置在一樓消防控制中心負(fù)責(zé)接受現(xiàn)場(chǎng)信息并解析，并發(fā)送命令及時(shí)處理[3]。

火災(zāi)發(fā)生時(shí)，參考節(jié)點(diǎn)首先把自身位置信息提供給定位節(jié)點(diǎn)，定位節(jié)點(diǎn)根據(jù)參考節(jié)點(diǎn)提供的信息，即固定坐標(biāo)值和接收到的信號(hào)強(qiáng)度（Received Signal Strength Indicator，RSSI）平均值，計(jì)算出自身的具體位置，并將相關(guān)信息傳送至所在樓層的網(wǎng)關(guān)上。該信息還包括各個(gè)定位節(jié)點(diǎn)標(biāo)志號(hào)，以及被困人員的體溫和脈搏等生理特征。

網(wǎng)關(guān)接收到相關(guān)信息以后，通過(guò)控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）總線把這些數(shù)據(jù)，連同自身的ID號(hào)以及參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送的環(huán)境溫度和煙霧濃度一同傳送至控制中心的服務(wù)器上。

控制中心根據(jù)網(wǎng)關(guān)提供的各項(xiàng)信息，就可以準(zhǔn)確定位被困人員的位置，包括被困人員所處的樓層和具體房間的位置。定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值、標(biāo)志號(hào)及網(wǎng)關(guān)的ID號(hào)，對(duì)被困人員的準(zhǔn)確定位起到關(guān)鍵性的作用。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 參考節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

參考節(jié)點(diǎn)選用CC2430芯片，是一個(gè)位于已知坐標(biāo)位置的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，配備溫度傳感器及離子感煙器，具有火災(zāi)探測(cè)功能?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，它能夠與定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，把一個(gè)信息包傳遞給定位節(jié)點(diǎn)，其中包含自己位置X、Y坐標(biāo)和RSSI值。從理論上講，參考節(jié)點(diǎn)布置得越多，其定位精度越高。同時(shí)，參考點(diǎn)能夠?qū)⒅車沫h(huán)境溫度和煙霧濃度轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)[4-5]。

2.2 定位節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

定位節(jié)點(diǎn)選用CC2431芯片，具有定位引擎功能。定位節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)還包括測(cè)量被困人員體溫的溫度傳感器，顯示相關(guān)數(shù)據(jù)的液晶顯示器，以及無(wú)線傳輸電路等。CC2431芯片是一款針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)ZigBee的片上系統(tǒng)，使用8051MCU，具有高性能、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，還具有極高的靈敏度和抗干擾性能。

定位節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)來(lái)計(jì)算自身位置，它可以收集參考節(jié)點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)值和RSSI值，并將這些信息和輸入?yún)?shù)（A，N）相結(jié)合，計(jì)算本身的坐標(biāo)位置信息。同時(shí)，定位節(jié)點(diǎn)將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)關(guān)，包括被困人員的體溫和脈搏等生理特征信息。CC2431芯片定位的原理是根據(jù)信號(hào)隨著距離增加而衰減的原理。

2.3 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)相當(dāng)于ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理、服務(wù)和協(xié)調(diào)。

每層至少設(shè)置一個(gè)網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)選用CC2530芯片。當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上同時(shí)分布一個(gè)樓層時(shí)，可以分區(qū)放置網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)的主要功能是接收來(lái)自于ZigBee待定位節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。每一個(gè)ZigBee定位節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)通信鏈路是由ZigBee定位節(jié)點(diǎn)的安裝位置和建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定，但數(shù)據(jù)信息的格式是固定不變的。網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本文利用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所開發(fā)的新型系統(tǒng)，具有無(wú)線火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警及被困人員實(shí)時(shí)定位、疏導(dǎo)功能，可以提高系統(tǒng)的智能化程度和安全系數(shù)。系統(tǒng)在最短的時(shí)間內(nèi)報(bào)警，并實(shí)時(shí)定位和跟蹤，大大提高了應(yīng)急救援工作的效率，將損失降低到最低。同時(shí)，也解決了傳統(tǒng)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警和消防聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)存在的工程龐大、系統(tǒng)復(fù)雜、施工難、維護(hù)困難、投資大等問(wèn)題，節(jié)省了大量的管材和導(dǎo)線，提高了系統(tǒng)的性價(jià)比，目前在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)有很大擴(kuò)展空間。

[參考文獻(xiàn)]

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