基于Zigbee通信技術的消防人員定位系統設計初探

文/張禹海 李 程 中國人民武裝警察部隊學院

基于Zigbee通信技術的消防人員定位系統設計初探

文/張禹海 李 程 中國人民武裝警察部隊學院

在滅火搶險救援過程中，及時準確地獲知消防人員的位置及狀態是至關重要的。本文提出的觀點是：在滅火救援現場構建基于Zigbee通信技術的無線傳感器網絡，通過計算機信息系統實時獲取現場消防人員位置、狀態等信息，對保護消防人員生命安全和成功處置災害事故有著積極意義。

消防人員在滅火救援戰斗中，特別是在大型火災、爆炸、化學事故等災害的搶險救援過程中，會遇到許多突發性危險情況，甚至會有傷亡。事故發生后，如何及時準確判定現場參與處置的消防人員的具體位置、作戰狀態，對成功處置災害事故，特別是在消防人員被困情況下迅速制定救援方案是十分重要的。目前，我國消防部隊主要采用呼救器來獲知消防人員的位置，但呼救器并不具有確定消防人員具體位置、作戰狀態的功能。此外，在大型災害現場噪聲大、障礙物多，更難以發揮呼救器的作用。筆者對Zigbee 通信技術進行研究，利用Zigbee 網絡容量大、功耗低、時延短等優勢，通過有線與無線結合的方式，初步設計了無線子終端和定位基站的通信方案，以實現地面控制中心對消防人員的實時通信與位置監測，從而為救援指揮決策提供可信的、重要的數據資料，保障消防人員的生命安全。

Zigbee通信技術

Zigbee是一種新興的短距離、低速率、低功耗無線網絡技術，它采用直序擴頻技術，使用的是國際2.4GHz免費頻段，具有很強的抗干擾能力。Zigbee可由多達65000個無線數傳模塊組成一個無線數傳網絡平臺，十分類似現有的移動通信CDMA網或GSM網。每一個Zigbee網絡數傳模塊類似移動網絡的一個基站，并擁有獨一無二的ID號。在整個網絡范圍內，它們之間可以相互通信，每個網絡節點間的距離可以從標準的75米擴展到幾百米，甚至幾千米。另外，整個Zigbee網絡還可以與現有的以太網等各種網絡連接。

現有的移動通信網主要是為語音通信而建立，而Zigbee網絡主要是為控制數據傳輸而建立。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網絡節點不僅本身可以與監控對象（如傳感器）連接，直接進行數據采集和監控，還可以自動中轉別的網絡節點傳過來的數據資料；除此之外，每一個Zigbee網絡節點還可在自己信號覆蓋的范圍內和多個不承擔網絡信息中轉任務的孤立的子節點無線連接。

Zigbee網絡由一個協調器、多個路由器和多個終端設備組成。圖1是一個簡單的Zigbee網絡示意圖，其中黑色節點為協調器，紅色節點為路由器，白色節點為終端設備。協調器負責啟動整個網絡，是網絡的第一個設備。它選擇一個信道和一個網絡ID，隨后啟動整個網絡。路由器的功能主要是：允許由電池供電的無線子終端設備加入網絡。終端設備沒有特定的維持網絡結構的責任，它可以睡眠或者喚醒，因此它可以是一個電池供電設備。

圖1 Zigbee網絡示意圖

定位系統的主要功能及技術要求

要想保護好現場消防官兵的生命安全，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，有關定位應用最廣泛的技術是全球定位系統技術（GPS），而消防部隊的作戰場所經常位于室內或其他建筑遮擋區，加上地理信息系統（GIS）精確度有限，GPS信號在這些區域的信號強度和定位效果很難滿足火場防護的需求。利用Zigbee通信技術，組建現場無線網絡通信系統可以有效解決這個問題。

定位系統的主要功能有：（1）對消防人員進行定位，并進行相關信息統計。一是能夠在被允許的誤差范圍內實時監控進入災害現場的消防人員的具體位置；二是能夠統計消防人員出入災害現場的時間、地點等信息，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子終端向系統發出報警，監控中心可以第一時間了解事故地點情況，以采取相應的措施。同時，監控中心通過對災害現場的監視，一旦發現異常情況，可以第一時間向災害現場的消防人員發出示警信號。（3）根據定位基站記錄的信息，描繪出消防人員的活動軌跡。

根據滅火救援的實際情況來看，定位系統需要滿足以下幾點要求：

（1）精度要求。滅火救援過程中，可能是由幾名消防人員組成一個戰斗小組，為了區分每名消防人員，無線定位系統的精度要達到l米以下。同時，消防人員在滅火救援的過程中是不斷移動的，因此，定位系統應該能夠對移動目標提供與靜止目標相當的定位精度。

（2）穩定性要求。每個滅火救援現場環境都不相同，有些現場條件非常惡劣，如高溫、高濕、多灰塵、煙氣濃厚等，甚至會彌漫著有毒氣體，這就要求定位系統必須能夠提供穩定的定位性能。同時，無線子終端能夠防水、防震等。

（3）多目標定位要求。重特大災害事故的處置一般都是多個消防中隊共同參與救援，會有數百名消防人員在事故現場，定位系統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）方位無關性要求。消防人員隨身攜帶的無線子終端初步設計如同手表一樣戴在手腕上，在救援過程中，當消防人員有俯身、轉向等動作時，該終端的朝向往往會有較大變化。在這種情況下，定位系統應能保持對消防人員的跟蹤，定位精度不能產生大的偏差。

（5）三維空間定位要求。定位系統應能夠反映消防人員所在的樓層和房間等。

（6）簡單方便性要求。定位系統要易于部署，操作盡可能簡便，使用時不需要過多的專業知識。

定位系統的組網方案

系統的總體結構

基于Zigbee技術的消防人員定位系統主要由定位基站、無線子終端和定位系統服務器等設備組成，如圖2所示。其中，無線子終端由進入災害現場的消防人員攜帶，并以無線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備上，通過有線方式接入通信指揮車核心定位服務器，能夠覆蓋不小于2平方千米的滅火救援現場；定位系統服務器安裝在一級通訊指揮車上，負責對相關信息進行處理、顯示和報警。從圖2可以看出，信息跳傳過程為：B1、B2無線子終端處于A1定位基站檢測范圍之內；跳傳路徑為：B1(B2)—A1—以太網—定位系統服務器。

系統的定位原理

每個無線子終端都有唯一的ID，無線子終端每隔10秒給定位基站發送狀態信息，包括它的ID號碼和狀態，總共3個字節。實現過程：定義一個定時器，定時周期為100毫秒，在第100個定時周期到來時，發送無線子終端的狀態信息。定位基站在接收到一個無線子終端信息后，進行判別比較，看該無線子終端的ID是否在ID表中已經存在，如果存在了，就把相對應的標志字段清零，表明收到了存在子終端的消息；如果不存在，那么就要把該子終端的ID寫入ID表中。

同時，定位基站每隔10秒進行定時查詢，判斷一個無線子終端是否離開。實現過程：定義一個定時器，定時周期為100毫秒，在100個定時周期之后，對現有的ID表中的數據進行查詢，如果某一條ID信息的標志字段值超過了3字節，說明該ID對應的無線子終端已經連續10秒沒有上報信息，可認為該無線子終端已經離開了定位基站。

假設有一名消防隊員攜帶無線子終端B，經過某一定位基站A1，定位基站和無線子終端的通信流程如圖3所示。

圖3 定位基站和無線子終端的通信流程

系統的軟件實現

在軟件方面，系統可以使用C#編程語言，借助Visual Studio 2008的編程環境，通過串口通信控件，采用事件驅動方式，很方便地對串口進行操作。軟件通過串口發送和接收請求命令，結合地理信息系統（GIS）將接收到的傳感信息實現地理信息管理（地圖顯示、放大、縮小、漫游、查詢等），進而實時顯示被定位消防人員的位置和狀態信息。

責任編輯鐘金花