基于ZigBee網絡和MEC技術的火災手機導航系統設計

摘要：設計了一種基于ZigBee網絡和MEC技術的火災手機導航系統。該系統通過在建筑內安裝傳感器和ZigBee網絡，實時監測環境信息，并將信息傳輸給MEC服務器，當發生火災時，系統發出報警信息并對逃生路徑上的有毒氣體、溫度、路線長度等數據進行綜合分析，在手機上為人員提供安全逃生通道的引導。該系統采用MEC技術，使信息傳輸更迅速、穩定，具有極大的實用價值。

關鍵詞：ZigBee網絡;火災手機導航;MEC技術

0 引言

我國很多大型商場、候車廳等建筑，往往面積很大且建筑格局復雜，一旦發生火災，建筑內人員不知道火勢大小和著火點位置，不知道哪條路線距離安全出口最近，可能會盲目亂跑，浪費寶貴的逃生時間。針對這種情況，本文設計了一種基于ZigBee網絡和MEC技術的火災手機導航系統。該系統在建筑內部各通道布置傳感器組成ZigBee網絡，實時監測環境信息并傳送數據到MEC服務器，MEC服務器分析并存儲數據，一旦發生火災，系統將發出報警信息，啟動現場報警裝置，并及時把地圖和導航數據發送到火災現場被困人員的手機上，手機上就會出現最佳逃生通道導航地圖，幫助被困者逃離火災現場。

1 MEC技術和ZigBee系統概述

MEC是4G網絡架構向5G網絡架構發展的關鍵技術，MEC（Mobile edge computing）移動邊緣服務器技術[1]，是指在靠近數據源頭的網絡邊緣側部署服務器，提供計算、網絡和存儲功能[2]。

MEC技術把MEC平臺設備部署在原來的核心網與無線基站之間，通過MEC平臺將數據下沉到無線網絡中，縮短了端到端業務的時延，這種邊緣化的部署能夠大大提升網絡速度，減少信息傳送的時延[2]。

MEC技術具有交互性特點，MEC設備提供應用程序編程API接口服務，為應用程序開發人員提供云計算功能和IT服務，并提供實時訪問無線網絡的功能。

邊緣計算對于物聯網的應用具有極大的推動作用。在物聯網發展過程中，隨著傳感器應用數量不斷增加，對網絡傳送速度的要求越來越高，MEC技術優勢足以滿足這些方面的需求。所以應用MEC技術，可以縮短檢測到火災參數信息的傳送時間，可以在火災發生瞬間在手機上給出逃生路徑的指引。5G網絡的應用和MEC技術的支持，使信息傳遞非常迅速、穩定，為本系統的實現提供了技術支持。

ZigBee網絡是一種基于IEEE 802.15.4協議的自組織網絡[3]，其中每個節點相當于一個基站進行數據轉發，實現網絡的自組織。Zigbee技術適用于網絡節點較多的網絡，可以嵌入各種設備，具有能耗低、成本低、距離短等特點，是現在無線傳感器網絡常用的一種組網方式[4]。本文的設計方案是在大型建筑內部建立密集的傳感器網絡，傳輸距離要求不高，而ZigBee技術節點多、低能耗和低成本的特點最符合本系統需求，所以本系統采用ZigBee組網方式。

2 系統特點

本系統應用MEC平臺代替傳統的云計算平臺，MEC平臺部署在網絡邊緣，MEC設備更靠近數據源側和用戶側，可以在本地處理數據，不需要將數據上傳至云端，因此，網絡傳輸速度更快，數據傳送的可靠性增強，可大大縮短從采集數據到發送至服務器，再從服務器發送導航信息到手機的時間，為人員逃生預留出足夠的時間。

在MEC架構中，移動終端設備產生的本地業務可以直接請求MEC設備進行處理，MEC設備很容易判斷到每個終端設備的位置信息，從而有助于定位人員的所在位置，方便人員及時、有效地找到逃生通道。

3 系統功能需求

基于物聯網技術的火災現場手機逃生導航系統需具備如下功能：

（1）實時檢測建筑場所內的各項數據，一旦達到指標，發出火警信息。

（2）現場人員通過手中的智能手機，及時得到關于本建筑逃生通道的路徑信息。系統能夠通過整合各條逃生通道上經過的各檢測點的溫度、有害氣體和距離長度等信息，智能分析出最合適的逃生通道。

（3）傳送火災現場的信息給消防指揮部門，為消防人員提供基本信息。

4 系統整體框架

本文設計的基于MEC技術的火災手機逃生導航系統的整體框架主要由數據采集系統、MEC服務器平臺、手機平臺組成。

4.1? ? 數據采集系統

建筑內部布置監控節點（煙霧、溫度、CO傳感器等），與網絡設備組成無線網絡，把采集的數據發送到MEC平臺，由火災監控模塊進行數據分析和計算。

4.2? ? MEC服務器平臺

MEC平臺具備服務器配置和網絡通信功能，能夠架構數據可靠的數據庫，實現數據存儲和計算功能，在系統數據庫中存放該建筑的地圖數據（包括傳感器位置信息、建筑物通道等數據）。MEC服務器提供API接口，方便用戶部署應用程序，本系統的火災監控模塊、定位服務模塊、地圖服務和引導模塊等功能模塊和數據庫均部署在MEC服務器上。

（1）火災監控模塊：接收數據采集模塊通過無線網絡傳送的溫度、煙霧濃度、CO濃度數據，利用數據融合技術，對接收到的信息進行綜合分析，一旦判定發生了火災，則發出報警信號，啟動現場的報警設備，還可以把火情信息數據傳遞給消防部門的消防指揮系統。

（2）定位服務模塊：用戶手機端啟動逃生引導系統，根據用戶手機的所在位置信號，比照數據庫中的指紋信息，對用戶進行精確定位。

（3）地圖服務和引導模塊：用戶手機端啟動逃生引導系統后，從地圖數據庫中讀取室內地圖信息，生成室內地圖，再根據從火災監控模塊調用得到各個傳感器節點的位置信息和火情數據信息，判斷各通道路徑的火情狀態，根據定位模塊的個人位置信息，綜合分析和計算得出逃生引導路徑，把地圖信息和引導信息傳送給手機端。

（4）數據庫：主要包括室內地圖數據、定位用的位置指紋數據、傳感器傳送的數據和位置信息。

4.3? ? Android平臺

啟動系統時，手機終端先進行自我定位：傳送位置信息到定位服務模塊，地圖服務和引導模塊根據定位模塊得出的當前位置信息和地圖信息進行計算后，返回地圖和引導路徑，在手機端顯示地圖和引導信息。手機端采用多線程編程方式，實現APP內相關功能，運行手機電子地圖，顯示位置定位和火災逃生路徑。手機電子地圖軟件由SuperMap制作。

5 數據采集模塊的詳細設計

數據采集模塊如圖1所示。

數據采集系統通過ZigBee網絡進行數據的收集和傳輸。ZigBee網絡分為ZigBee協調器、ZigBee路由器、ZigBee終端。ZigBee終端設備將溫度等傳感器數據傳送給ZigBee協調器，通過網關接入移動網絡，通過基站將數據上傳至MEC服務器平臺。

5.1? ? 數據采集的硬件結構

5.1.1? ? ZigBee終端

ZigBee終端結構包括4部分：（1）傳感器單元;（2）對采集信號進行處理的微處理器單元;（3）用來接收和發送無線信號的無線傳輸單元;（4）供電電源。

傳感器單元負責采集3種火災參數：溫度參數用DS18B20傳感器、煙霧濃度參數用MQ-2 CO傳感器、濃度參數用MQ-7傳感器。

5.1.2? ? ZigBee路由器

路由器節點作用是將距離網關較遠的終端設備采集的數據進行轉發。負責處理子節點的入網和離網請求，為子節點分配地址等。

5.1.3? ? ZigBee協調器

協調器是ZigBee網絡的總控制器，功能是管理整個網絡，起到網關的作用，一個ZigBee網絡中只能有一個協調器節點。

5.2? ? 數據采集流程

收集信息流程如下：服務器平臺上的管理程序周期性發出命令進行數據收集，網關將命令數據包轉換為ZigBee網絡消息格式，且通過廣播方式發送該命令給ZigBee終端，終端傳感器設備將數據反饋給協調器，協調器收到數據后，進行數據緩存，等到所有傳感器傳回的數據收集完成后，組合打包發送給管理程序，以減少網絡消息數據，節約網絡資源。管理程序在服務器平臺上對傳感器數據進行保存，進一步計算和分析數據。

6 路徑分配算法

當火災發生時，為了讓人員都能安全逃生，在設計引導路徑時，既要考慮路徑要短，又要避免人多發生擁堵，還要考慮逃生路徑上的溫度、CO濃度和有害氣體濃度等是否允許人員安全通過等多方面因素。所以本方案逃生導航路徑規劃的策略是：根據各個節點的傳感器的探測數據以及定位技術得到的人員情況，首先排除所有火勢太大無法通過的出口和路徑，然后安排安全出口附近的人員以及離著火點很近的人按照最短路徑想辦法離開，然后再排除已經比較擁堵的出口和路徑，利用最短路徑算法為剩下的人規劃路徑，為每個人規劃出從當前位置到達不同安全出口的最短路徑，并根據不同安全出口的逃生容量，對人員的逃生路徑進行協調分配。

7 結語

目前傳感器、ZigBee組網設備等硬件設施價格都很便宜，如果在大型購物中心、車站等大型建筑內部架設傳感器網絡，在服務器和手機端部署和安裝應用程序，建筑內人員就可以在關鍵時刻通過手機迅速得到逃生指引，在大型建筑和公共場所火災發生后，能夠為人員節省寶貴的逃生時間，具有極大的實用價值和社會意義。

[參考文獻]

[1] 尚賽花.基于ZigBee網絡與5G邊緣計算的能源管理垂直應用系統[J].無線互聯科技，2018，5（9）：26-29.

[2] 張建敏，謝偉良，楊峰義，等.移動邊緣計算技術及其本地分流方案[J].電信科學，2016，32（7）：132-139.

[3] 付瑞玲，王寧，杜志強.基于多傳感器信息融合的火災報警器設計[J].計算機測量與控制，2018（1）：206-208.

[4] 高洪曄，張建輝.面向火災救援的室內定位與逃生路徑規劃系統[J].杭州電子科技大學學報，2013（6）：66-69.

收稿日期：2020-06-22

作者簡介：唐寶燕（1972—），山東青州人，碩士，副教授，從事計算機技術教學工作。