基于AdHoc網(wǎng)絡(luò)的人員信息無線傳輸系統(tǒng)

摘 要： 以火災(zāi)現(xiàn)場內(nèi)部消防隊員作移動的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計了一個消防隊員實(shí)時信息傳輸系統(tǒng)。設(shè)計中用傳感器網(wǎng)絡(luò)和MEMS慣性器件進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，通過433 MHz 無線網(wǎng)絡(luò)完成硬件之間的數(shù)據(jù)傳輸通信，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控中心的通信使用Ad Hoc無線網(wǎng)絡(luò)完成。實(shí)驗測試結(jié)果驗證了該系統(tǒng)應(yīng)用于消防救援的可行性，為救援隊員的生命安全提供了進(jìn)一步保障。

關(guān)鍵詞： 傳感器網(wǎng)絡(luò)； MEMS慣性器件； Ad Hoc無線網(wǎng)絡(luò)； 消防救援

中圖分類號： TN919.7?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）07?0028?03

0 引 言

雖然把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于消防救援領(lǐng)域有了很好的研究，但這些研究大多用于消防隊員跟蹤和搜救。英國拉夫堡（Loughborough） 大學(xué)研究小組在進(jìn)行名為Secure Ad Hoc Fire and Emergency Safety Network（SafetyNet）的研究[1]，雖然可以獲取并提供指定地點(diǎn)的環(huán)境和險情信息，但該系統(tǒng)需要預(yù)先在建筑物內(nèi)布設(shè)傳感器，這在目前的實(shí)際中有些困難。消防隊員在現(xiàn)場執(zhí)行救護(hù)任務(wù)遭遇危險時，不僅會影響整個現(xiàn)場的救援效率，而且會威脅到自身生命，十分不利于火災(zāi)現(xiàn)場的救援和調(diào)度。如果指揮中心能夠觀察到消防隊員的實(shí)時信息，指揮人員就能在消防隊員發(fā)生意外時指揮其他救援人員進(jìn)行快速的相互救援。由此提出一種新型人員實(shí)時信息傳輸系統(tǒng)的設(shè)計，以CC430F5137[2]單片機(jī)為系統(tǒng)主芯片，通過433 MHz無線網(wǎng)絡(luò)[3]完成利用Mesh慣性器件ADXL345三軸加速度計、DS18B20溫度傳感器和HM2600壓力傳感器等所采集到的實(shí)時信息以及其他信息例如硬件的剩余電量、剩余氧氣量等信息的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸，然后通過無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程指揮中心。通過對此系統(tǒng)進(jìn)行的數(shù)據(jù)信息傳輸試驗，驗證了此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人員監(jiān)測的可行性。

1 總體方案

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計

通過對系統(tǒng)需求的分析，考慮到低功耗要求、無線傳輸需求、外接無線模塊需求， MCU選擇了TI公司的超低功耗、高性能產(chǎn)品的CC430[4]芯片，擁有五種低功耗模式相組合，并具有射頻收發(fā)功能，其功耗僅為160 μA/MHz，可以有效地延長電池使用時間和電池壽命。Ad Hoc模塊設(shè)計所用的是內(nèi)嵌無線移動自組網(wǎng)Mesh協(xié)議的深圳捷訊易聯(lián)公司的YL_1110模塊。YL?1110N模塊既可以作為節(jié)點(diǎn)設(shè)備也可以作為網(wǎng)關(guān)設(shè)備，可以輕松組建最小2節(jié)點(diǎn)到成千上萬節(jié)點(diǎn)的Mesh網(wǎng)絡(luò)。YL?1110N模塊應(yīng)用在低功耗自組網(wǎng)領(lǐng)域如傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線抄表、智能家居等領(lǐng)域，具有明顯的技術(shù)和價格優(yōu)勢。

選用ADI公司的ADXL345[5]作為三軸加速計來測定能夠獲取三維方向上的加速度數(shù)值，從而判斷人體姿態(tài)。ADXL345可以對高達(dá)±16g的加速度進(jìn)行測量，并且分辨率高達(dá)13位。溫度傳感器選擇了DALLS公司生產(chǎn)的單總線溫度傳感器 DS18B20[6]，其分辨率可以隨著編程而改變，分辨率可以為9～12位，用于實(shí)現(xiàn)高精度的溫度檢測[7]。正壓式呼吸器的壓力傳感器選用HM2600，具有高集成化，高穩(wěn)定性的特點(diǎn)。使用于無腐蝕性氣體或液體介質(zhì)的測量，具有高低溫、震動、熱沖擊和機(jī)械沖擊等惡劣環(huán)境中的實(shí)用性。利用6個LED燈來顯示呼吸機(jī)中的剩余氣量。同時加入了一個振動器，防止消防員在復(fù)雜環(huán)境中不能發(fā)現(xiàn)聲光報警時，利用振動器的振動來警告消防員。

電源部分由于里面的芯片電壓要求基本都在3.3 V，所以選用電源管理芯片RT8009作為穩(wěn)壓3.3 V芯片，輸入電壓范圍從2.5～5.5 V，適合于用單節(jié)鋰電池供電的便攜式電子設(shè)備。外部電源考慮到便攜式設(shè)計，選用了可充電的2 400 mA·h的鋰電池供電。

系統(tǒng)信息采集硬件框圖如圖2所示。

圖2 信息采集硬件框圖

3 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是指一組無線移動節(jié)點(diǎn)組成的多跳的、臨時性的、無基礎(chǔ)設(shè)施支持的無中心網(wǎng)絡(luò)。常見的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)包括移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)（Mobile Ad Hoc Network，MANET）與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）等[8]。移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)不依賴預(yù)設(shè)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，其組成網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)都具有動態(tài)組網(wǎng)能力，每個節(jié)點(diǎn)都是移動的，并且都能以任意方式利用自身的無線收發(fā)裝置動態(tài)地保持與其他節(jié)點(diǎn)的聯(lián)系。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)[9?10]采用私有按需輕量動態(tài)多徑路由協(xié)議，此協(xié)議是針對硬件資源條件苛刻的移動自組網(wǎng)設(shè)計的，適用于有移動速度和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的本系統(tǒng)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。Mesh路由協(xié)議會綜合多種選擇算法進(jìn)行路由的篩選，包括距離矢量、信號質(zhì)量（鏈路狀態(tài)）和節(jié)點(diǎn)剩余電量?類 MMBCR（Min?Max Battery CostRouting）。

距離矢量算法根據(jù)目的地的遠(yuǎn)近來決定路徑，根據(jù)距離矢量算法可以找到兩個節(jié)點(diǎn)間的最近路徑，但不一定是最佳路徑。Mesh鏈路狀態(tài)路由算法選擇穩(wěn)定鏈路雖然距離會遠(yuǎn)一些，但是能保證報文傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時性。類 MMBCR路由選擇需要充分考慮節(jié)點(diǎn)電池的電量，應(yīng)盡可能避開電池電量低的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由。這樣避免出現(xiàn)某節(jié)點(diǎn)由于能量過度消耗出現(xiàn)死亡的情況，提高移動網(wǎng)絡(luò)的生存能力[11]。

4 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)工作過程

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的核心指導(dǎo)思想是讓網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送和接收信號。組網(wǎng)模塊的工作模式為使用NODE的MAC地址傳輸，這種工作模式下NODE 模塊報文發(fā)送的目的地址默認(rèn)為ROOT模塊，NODE模塊會自動在從UART接收到的數(shù)據(jù)報文前添加該模塊的序列號。

微控制器（MCU）通過串行接口連接Ad Hoc模塊，數(shù)據(jù)端的串行數(shù)據(jù)經(jīng)過微控制器的串口發(fā)送到節(jié)點(diǎn)（NODE）模塊上。節(jié)點(diǎn)（NODE）開機(jī)后就可以快速、自動地組成一個獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，每一個節(jié)點(diǎn)（NODE）同時是一個路由器。NODE模塊會自動在從UART接收到的數(shù)據(jù)報文前添加該模塊的序列號進(jìn)行多次中繼后和ROOT模塊建立數(shù)據(jù)無線連接，然后進(jìn)行Ad Hoc模塊間的無線數(shù)據(jù)傳輸。

Ad Hoc模塊工作流程如圖3所示。

圖3 Ad Hoc工作流程圖

5 系統(tǒng)的監(jiān)測過程

綜合消防員現(xiàn)場情況和功耗，硬件一直保持休眠模式，本系統(tǒng)采用10 s發(fā)一次數(shù)據(jù)。發(fā)送端設(shè)定定時器，9 s后退出休眠，打開傳感器，第10 s發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送完后進(jìn)休眠。接收端第9 s退出休眠，一直等到接收到數(shù)據(jù)再進(jìn)入休眠，開始計算時間。這樣不僅防止了數(shù)據(jù)的丟失，并且和發(fā)送端友好地進(jìn)行時序同步，還滿足設(shè)備的低功耗要求。

消防員進(jìn)入火場前在便攜式無線監(jiān)測器可以查看各個模塊的電量和剩余氣體可供使用時間，為了保證電子設(shè)備的正常以及電量充足。組網(wǎng)參數(shù)更改說明如表1所示。

6 結(jié) 論

在進(jìn)行報警傳輸測試時，使用了5個NODE模塊作為移動節(jié)點(diǎn)和1個ROOT模塊， ROOT節(jié)點(diǎn)位于沈陽化工大學(xué)六號實(shí)驗樓312室，5個NODE節(jié)點(diǎn)分別布于樓內(nèi)不同位置并可不時的移動。當(dāng)消防隊員000002的壓力值設(shè)置為3.08 MPa（低于5 MPa），同時模擬消防隊員000002跌倒時，測試結(jié)果如圖4所示，報警原因是消防人員倒地，而且壓力過低。控制監(jiān)測器也顯示聲光振動警報。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果

本文提出采集系統(tǒng)，可以改變目前單個消防隊員信息孤島的局面。該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具有很大的意義，數(shù)據(jù)的及時處理和傳輸在很大程度上保障了消防隊員的生命安全。

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