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

引言：目前，我國消防部隊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。此外在大型災害現(xiàn)場噪聲大、障礙物多，更難以發(fā)揮呼救器的作用。在科學技術(shù)迅速發(fā)展的今天，筆者提出基于ZigBee通信技術(shù)，利用無線傳感器組建現(xiàn)場無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，以解決上述問題。

1 ZigBee

ZigBee是一種新興的短距離、低速率、低功耗無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它采用直序擴頻技術(shù)，具有很強的抗干擾能力，并且使用的是國際2.4GHz免費頻段。ZigBee可由多達65000個無線數(shù)傳模塊組成一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，十分類似現(xiàn)有的移動通信CDMA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，并擁有獨一無二的ID號。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75rn擴展到幾百米，甚至幾千米；另外，整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有的以太網(wǎng)等各種網(wǎng)絡(luò)連接^[1]。

現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)主要是為語音通信而建立。而ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要是為控制數(shù)據(jù)傳輸而建立。每個移動基站價值一般都在百萬元以上，而每個ZigBee基站卻不到千元。每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不僅本身可以與監(jiān)控對象(如傳感器)連接，直接進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，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；除此之外，每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)和多個不承擔網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點無線連接。

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中存在三種邏輯設(shè)備類型：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Coordinator以及多個Router和多個End-Device組成^[1]。

圖1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖1是一個簡單的ZigBee網(wǎng)絡(luò)示意圖。其中黑色節(jié)點為Coordinator，紅色節(jié)點為Router，白色節(jié)點為End-Device。協(xié)調(diào)器負責啟動整個網(wǎng)絡(luò)，它也是網(wǎng)絡(luò)的第一個設(shè)備。協(xié)調(diào)器選擇一個信道和一個網(wǎng)絡(luò)ID，隨后啟動整個網(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)備沒有特定的維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的責任，它可以睡眠或者喚醒，因此它可以是一個電池供電設(shè)備。

2 系統(tǒng)技術(shù)要求

實現(xiàn)對現(xiàn)場消防官兵的個人防護，首先要對每位消防員在火場中的位置進行定位和跟蹤。目前，有關(guān)定位應用最廣泛的技術(shù)是全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)，但消防部隊的作戰(zhàn)場所經(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信號在這些區(qū)域的信號強度和定位效果很難滿足火場防護的需求。結(jié)合滅火救援實際，對現(xiàn)場無線定位的需求有以下幾點^[2]：

(1)精度要求。滅火救援過程中，幾名消防人員可能組成一個戰(zhàn)斗小組，要區(qū)分每名消防人員，定位系統(tǒng)的精度要能達到l m以下。另外，消防人員在滅火救援的過程中是不斷移動的。因此定位系統(tǒng)應該能夠?qū)σ苿幽繕颂峁┡c靜止目標相當?shù)亩ㄎ痪取?/p>

(2)穩(wěn)定性要求。作為消防員防護裝備之一的火場無線防護系統(tǒng)，事關(guān)消防員的人身安全，系統(tǒng)的穩(wěn)定性必須要滿足很高的要求。各個滅火救援現(xiàn)場條件各不相同，有些場所現(xiàn)場環(huán)境條件非常惡劣，如高溫、高濕、灰塵、煙氣等，甚至會彌漫著有毒氣體。因此，系統(tǒng)必須在這些場所提供穩(wěn)定的定位性能。另外。還要要求產(chǎn)品能夠防水、防震等。

(3)多目標定位。重特大災害事故的處置一般都是多中隊參戰(zhàn)的，甚至會有數(shù)百消防人員一起作戰(zhàn)。系統(tǒng)需要準確地辨識每一名消防人員，并且精確地對每名消防人員進行定位。

(4)方位無關(guān)性。消防員隨身攜帶的ZigBee模塊初步設(shè)計如同手表一樣戴在手腕上，在作戰(zhàn)過程中，消防員會有俯身、轉(zhuǎn)向等動作，呼救器的朝向往往會有較大變化。在這砦情況下系統(tǒng)應能保持對消防隊員的跟蹤，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)簡單方便性。使用時要盡量方便，易于部署，操作盡可能簡便．不需要特別的專業(yè)知識。

3 系統(tǒng)組網(wǎng)方案

3.1 系統(tǒng)主要功能

（1）對消防人員進行定位，并進行相關(guān)信息統(tǒng)計。能夠?qū)崟r地監(jiān)控進入災害現(xiàn)場消防人員的具體位置(誤差范圍內(nèi)) ；能夠進行消防人員進入災害現(xiàn)場相應時間、地點的統(tǒng)計(包括何時進入，何時離開，具體位置等)。

（2）消防人員可以通過攜帶的無線定位機向系統(tǒng)發(fā)出報警，監(jiān)控中心可以第一時間了解事故地點，采取行動。監(jiān)控中心通過對災害現(xiàn)場的監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)異常情況，第一時間向災害現(xiàn)場人員發(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、無線定位機和定位系統(tǒng)服務(wù)器等設(shè)備組成。如圖2所示其中無線定位機由進入災害現(xiàn)場消防人員攜帶，并以無線的方式和定位基站保持連接；定位基站安裝在二級通訊指揮車或便攜移動設(shè)備上，并通過有線方式接入通信指揮車核心定位服務(wù)器，能夠覆蓋不小于2 km²的滅火救援現(xiàn)場；定位系統(tǒng)服務(wù)器安裝在一級通訊指揮車上，負責對相關(guān)信息的處理、顯示和報警。從圖2中可以看出，信息跳傳過程為：B1、B2無線定位機處于A1定位基站檢測范圍之內(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

每個無線定位機都有唯一的ID，無線定位機每隔10s給定位基站發(fā)送狀態(tài)信息，包括它的ID號碼和狀態(tài)，總共3個字節(jié)^[4]。定時10s的實現(xiàn)過程：定義一個定時器，定時中斷為100ms，在第100個定時周期到來時，發(fā)送無線定位機的狀態(tài)信息。定位基站在接收到一個無線定位機信息后，進行判別比較，看該無線定位機的ID是否在ID表中已經(jīng)存在，如果存在了，就把相對應的標志字段清零，表明收到了存在子機的消息。如果不存在，那么就要把該子機的ID寫入ID表中。

定位基站通過定時查詢，判斷一個無線定位機是否離開。定義一個定時器，定時周期為100ms。在100個定時周期之后，對現(xiàn)有的ID表中的數(shù)據(jù)進行查詢，如果某一條ID信息的標志字段值超過了3，說明該ID對應的無線定位機已經(jīng)連續(xù)100ms*100=10s沒有上報信息,可認為該無線定位機已經(jīng)離開了定位基站^[1,4,5]。舉例說明災害現(xiàn)場消防人員如何定位，設(shè)有一消防隊員攜帶無線定位機B，經(jīng)過某一定位基站A1。定位基站和無線定位機的通信流程如圖3所示。

3.4 系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

在軟件方面，系統(tǒng)可以使用Visual C#的編程環(huán)境，通過串口通信控件，采用事件驅(qū)動方式，可以很方便地對串口進行操作^[5,6]。軟件通過串口發(fā)送和接收請求命令，將接收到的傳感信息結(jié)合GIS地理信息系統(tǒng)實現(xiàn)地理信息管理（地圖顯示、放大、縮小、漫游、查詢、地理信息數(shù)據(jù)庫等），進而實時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)對消防部隊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)域的應用較多，在火災探測等方面也進行了廣泛探討。筆者對ZigBee 技術(shù)進行研究，通過有線與無線結(jié)合的方式，利用ZigBee 網(wǎng)絡(luò)容量大、功耗低、時延短等優(yōu)勢，初步設(shè)計了無線定位機和定位基站的通信方案，使基站將收到的無線定位機的信息，傳給監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器，可以實現(xiàn)地面控制中心對消防人員的實時通信與位置監(jiān)測，從而提高現(xiàn)場參戰(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。

參考文獻

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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