基于ZigBee通信技術(shù)的消防人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)初探-通訊消防論文

引言：目前，我國(guó)消防部隊(duì)主要采用呼救器確定在發(fā)生事故后被困消防人員的位置，然而這類(lèi)呼救器并不具有確定消防人員具體位置、作戰(zhàn)狀態(tài)的功能。此外在大型災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)噪聲大、障礙物多，更難以發(fā)揮呼救器的作用。在科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展的今天，筆者提出基于ZigBee通信技術(shù)，利用無(wú)線(xiàn)傳感器組建現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，以解決上述問(wèn)題。

1 ZigBee

ZigBee是一種新興的短距離、低速率、低功耗無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它采用直序擴(kuò)頻技術(shù)，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，并且使用的是國(guó)際2.4GHz免費(fèi)頻段。ZigBee可由多達(dá)65000個(gè)無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊組成一個(gè)無(wú)線(xiàn)數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，十分類(lèi)似現(xiàn)有的移動(dòng)通信CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊類(lèi)似移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基站，并擁有獨(dú)一無(wú)二的ID號(hào)。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，它們之間可以進(jìn)行相互通信，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75rn擴(kuò)展到幾百米，甚至幾千米；另外，整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有的以太網(wǎng)等各種網(wǎng)絡(luò)連接^[1]。

現(xiàn)有的移動(dòng)通信網(wǎng)主要是為語(yǔ)音通信而建立。而ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要是為控制數(shù)據(jù)傳輸而建立。每個(gè)移動(dòng)基站價(jià)值一般都在百萬(wàn)元以上，而每個(gè)ZigBee基站卻不到千元。每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅本身可以與監(jiān)控對(duì)象(如傳感器)連接，直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)資料；除此之外，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)還可在自己信號(hào)覆蓋的范圍內(nèi)和多個(gè)不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(diǎn)無(wú)線(xiàn)連接。

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中存在三種邏輯設(shè)備類(lèi)型：Coordinator(協(xié)調(diào)器)，Router(路由器)和End-Device(終端設(shè)備)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)Coordinator以及多個(gè)Router和多個(gè)End-Device組成^[1]。

圖1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖1是一個(gè)簡(jiǎn)單的ZigBee網(wǎng)絡(luò)示意圖。其中黑色節(jié)點(diǎn)為Coordinator，紅色節(jié)點(diǎn)為Router，白色節(jié)點(diǎn)為End-Device。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，它也是網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)設(shè)備。協(xié)調(diào)器選擇一個(gè)信道和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)ID，隨后啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。路由器的功能主要是：允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，多跳路由和協(xié)助它自己的由電池供電的子終端設(shè)備的通訊。終端設(shè)備沒(méi)有特定的維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的責(zé)任，它可以睡眠或者喚醒，因此它可以是一個(gè)電池供電設(shè)備。

2 系統(tǒng)技術(shù)要求

實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)消防官兵的個(gè)人防護(hù)，首先要對(duì)每位消防員在火場(chǎng)中的位置進(jìn)行定位和跟蹤。目前，有關(guān)定位應(yīng)用最廣泛的技術(shù)是全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)，但消防部隊(duì)的作戰(zhàn)場(chǎng)所經(jīng)常位于室內(nèi)或其他建筑遮擋區(qū)，加上GIS系統(tǒng)精確度有限，GPS信號(hào)在這些區(qū)域的信號(hào)強(qiáng)度和定位效果很難滿(mǎn)足火場(chǎng)防護(hù)的需求。結(jié)合滅火救援實(shí)際，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線(xiàn)定位的需求有以下幾點(diǎn)^[2]：

(1)精度要求。滅火救援過(guò)程中，幾名消防人員可能組成一個(gè)戰(zhàn)斗小組，要區(qū)分每名消防人員，定位系統(tǒng)的精度要能達(dá)到l m以下。另外，消防人員在滅火救援的過(guò)程中是不斷移動(dòng)的。因此定位系統(tǒng)應(yīng)該能夠?qū)σ苿?dòng)目標(biāo)提供與靜止目標(biāo)相當(dāng)?shù)亩ㄎ痪取?/p>

(2)穩(wěn)定性要求。作為消防員防護(hù)裝備之一的火場(chǎng)無(wú)線(xiàn)防護(hù)系統(tǒng)，事關(guān)消防員的人身安全，系統(tǒng)的穩(wěn)定性必須要滿(mǎn)足很高的要求。各個(gè)滅火救援現(xiàn)場(chǎng)條件各不相同，有些場(chǎng)所現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件非常惡劣，如高溫、高濕、灰塵、煙氣等，甚至?xí)浡卸練怏w。因此，系統(tǒng)必須在這些場(chǎng)所提供穩(wěn)定的定位性能。另外。還要要求產(chǎn)品能夠防水、防震等。

(3)多目標(biāo)定位。重特大災(zāi)害事故的處置一般都是多中隊(duì)參戰(zhàn)的，甚至?xí)袛?shù)百消防人員一起作戰(zhàn)。系統(tǒng)需要準(zhǔn)確地辨識(shí)每一名消防人員，并且精確地對(duì)每名消防人員進(jìn)行定位。

(4)方位無(wú)關(guān)性。消防員隨身攜帶的ZigBee模塊初步設(shè)計(jì)如同手表一樣戴在手腕上，在作戰(zhàn)過(guò)程中，消防員會(huì)有俯身、轉(zhuǎn)向等動(dòng)作，呼救器的朝向往往會(huì)有較大變化。在這砦情況下系統(tǒng)應(yīng)能保持對(duì)消防隊(duì)員的跟蹤，定位精度不能產(chǎn)生大的偏差。

(5)三維空間定位。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)三維空間定位，如能夠反映消防人員所在的樓層和房間等。

(6)簡(jiǎn)單方便性。使用時(shí)要盡量方便，易于部署，操作盡可能簡(jiǎn)便．不需要特別的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。

3 系統(tǒng)組網(wǎng)方案

3.1 系統(tǒng)主要功能

（1）對(duì)消防人員進(jìn)行定位，并進(jìn)行相關(guān)信息統(tǒng)計(jì)。能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)控進(jìn)入災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)消防人員的具體位置(誤差范圍內(nèi)) ；能夠進(jìn)行消防人員進(jìn)入災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)相應(yīng)時(shí)間、地點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)(包括何時(shí)進(jìn)入，何時(shí)離開(kāi)，具體位置等)。

（2）消防人員可以通過(guò)攜帶的無(wú)線(xiàn)定位機(jī)向系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，監(jiān)控中心可以第一時(shí)間了解事故地點(diǎn)，采取行動(dòng)。監(jiān)控中心通過(guò)對(duì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)異常情況，第一時(shí)間向?yàn)?zāi)害現(xiàn)場(chǎng)人員發(fā)出告警。

（3）消防人員軌跡描繪，根據(jù)定位基站記錄的人員信息，描繪出人員的活動(dòng)軌跡。

3.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

ZigBee消防人員定位系統(tǒng)主要由定位基站、無(wú)線(xiàn)定位機(jī)和定位系統(tǒng)服務(wù)器等設(shè)備組成。如圖2所示其中無(wú)線(xiàn)定位機(jī)由進(jìn)入災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)消防人員攜帶，并以無(wú)線(xiàn)的方式和定位基站保持連接；定位基站安裝在二級(jí)通訊指揮車(chē)或便攜移動(dòng)設(shè)備上，并通過(guò)有線(xiàn)方式接入通信指揮車(chē)核心定位服務(wù)器，能夠覆蓋不小于2 km²的滅火救援現(xiàn)場(chǎng)；定位系統(tǒng)服務(wù)器安裝在一級(jí)通訊指揮車(chē)上，負(fù)責(zé)對(duì)相關(guān)信息的處理、顯示和報(bào)警。從圖2中可以看出，信息跳傳過(guò)程為：B1、B2無(wú)線(xiàn)定位機(jī)處于A1定位基站檢測(cè)范圍之內(nèi)，其跳傳路徑為：B1(B2)一A1一以太網(wǎng)一定位系統(tǒng)服務(wù)器^[3]。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3.3 系統(tǒng)的定位原理

每個(gè)無(wú)線(xiàn)定位機(jī)都有唯一的ID，無(wú)線(xiàn)定位機(jī)每隔10s給定位基站發(fā)送狀態(tài)信息，包括它的ID號(hào)碼和狀態(tài)，總共3個(gè)字節(jié)^[4]。定時(shí)10s的實(shí)現(xiàn)過(guò)程：定義一個(gè)定時(shí)器，定時(shí)中斷為100ms，在第100個(gè)定時(shí)周期到來(lái)時(shí)，發(fā)送無(wú)線(xiàn)定位機(jī)的狀態(tài)信息。定位基站在接收到一個(gè)無(wú)線(xiàn)定位機(jī)信息后，進(jìn)行判別比較，看該無(wú)線(xiàn)定位機(jī)的ID是否在ID表中已經(jīng)存在，如果存在了，就把相對(duì)應(yīng)的標(biāo)志字段清零，表明收到了存在子機(jī)的消息。如果不存在，那么就要把該子機(jī)的ID寫(xiě)入ID表中。

定位基站通過(guò)定時(shí)查詢(xún)，判斷一個(gè)無(wú)線(xiàn)定位機(jī)是否離開(kāi)。定義一個(gè)定時(shí)器，定時(shí)周期為100ms。在100個(gè)定時(shí)周期之后，對(duì)現(xiàn)有的ID表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)，如果某一條ID信息的標(biāo)志字段值超過(guò)了3，說(shuō)明該ID對(duì)應(yīng)的無(wú)線(xiàn)定位機(jī)已經(jīng)連續(xù)100ms*100=10s沒(méi)有上報(bào)信息,可認(rèn)為該無(wú)線(xiàn)定位機(jī)已經(jīng)離開(kāi)了定位基站^[1,4,5]。舉例說(shuō)明災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)消防人員如何定位，設(shè)有一消防隊(duì)員攜帶無(wú)線(xiàn)定位機(jī)B，經(jīng)過(guò)某一定位基站A1。定位基站和無(wú)線(xiàn)定位機(jī)的通信流程如圖3所示。

3.4 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

在軟件方面，系統(tǒng)可以使用Visual C#的編程環(huán)境，通過(guò)串口通信控件，采用事件驅(qū)動(dòng)方式，可以很方便地對(duì)串口進(jìn)行操作^[5,6]。軟件通過(guò)串口發(fā)送和接收請(qǐng)求命令，將接收到的傳感信息結(jié)合GIS地理信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)地理信息管理（地圖顯示、放大、縮小、漫游、查詢(xún)、地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)等），進(jìn)而實(shí)時(shí)顯示被定位消防人員的位置和狀態(tài)信息。

4 結(jié)論

消防人員定位系統(tǒng)對(duì)消防部隊(duì)的滅火救援工作有著重大意義。目前，基于ZigBee技術(shù)在煤礦等安全領(lǐng)域的應(yīng)用較多，在火災(zāi)探測(cè)等方面也進(jìn)行了廣泛探討。筆者對(duì)ZigBee 技術(shù)進(jìn)行研究，通過(guò)有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)結(jié)合的方式，利用ZigBee 網(wǎng)絡(luò)容量大、功耗低、時(shí)延短等優(yōu)勢(shì)，初步設(shè)計(jì)了無(wú)線(xiàn)定位機(jī)和定位基站的通信方案，使基站將收到的無(wú)線(xiàn)定位機(jī)的信息，傳給監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器，可以實(shí)現(xiàn)地面控制中心對(duì)消防人員的實(shí)時(shí)通信與位置監(jiān)測(cè)，從而提高現(xiàn)場(chǎng)參戰(zhàn)人員的安全水平，并可為滅火救援指揮決策提供可信的、重要的數(shù)據(jù)資料。

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Design of firefighter Positioning System based on ZigBee Communication technology 

Abstract: During the fire fighting and rescue process, it’s critical for the fire forces to know the accurate location and status information of firefighters. This paper introduces how to establish the ZigBee wireless sensor network in the fire fighting and rescue work and get the real-time firefighter location and state information through the computer information system. It is of positive meaning to protecting the safety of firefighters and handling the disasters successfully.

Key words:  ZigBee;  fire fighting and rescue;  personnel positioning