淺析ZigBee技術在火災救援決策中的應用

涂新星

(吉安市消防支隊,江西 吉安　343009)

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淺析ZigBee技術在火災救援決策中的應用

涂新星

(吉安市消防支隊,江西 吉安343009)

隨著城市密度和人口活動的活躍度不斷增強，火災的發生也越加頻繁，而我國民眾的消防意識和應對能力還較為薄弱，這給消防部門帶來了較大的工作負擔。對于滅火現場而言，可以采用現代化的物聯網技術來輔助制定滅火救援決策。探討了ZigBee技術在滅火救援決策中的應用，給出了具體的設計方案。

ZigBee;火災;滅火救援；決策

滅火救援決策工作是消防部隊需要重點考慮的方面。近年來，伴隨迅猛發展的現代化城市建設，大量具有流動性、爆炸性、毀滅性的特殊火災和惡性災害事故頻繁發生，滅火救援工作重要性日益凸顯。合理的滅火救援方案能夠在一定程度上降低災情損失，因此研制滅火救援決策輔助平臺，最大限度地獲取火災現場信息并進行深度分析研判，生成最優的滅火救援方案，輔助消防部門決策，對提升滅火救援效率意義重大。

1　ZigBee通信技術及優勢

ZigBee是基于 IEEE802.15.4 標準的局域網協議，是一種近距離、低復雜度、自組織網絡、低功耗、高數據速率的雙向無線通信技術，支持地理定位功能。ZigBee 是可多達 65 000 個無線數傳模塊組成的一個無線數傳網絡平臺，十分類似于現有的移動通信的 CDM 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，在整個網絡范圍內，它們之間可以進行相互通信；每個網絡節點間的距離可以從標準的75 m，到擴展后的幾百米，甚至幾千米；另外整個 ZigBee 網絡還可以與現有的其他的各種網絡連接。與移動通信網絡不同的是，ZigBee網絡主要是為自動化控制數據傳輸而建立，每個ZigBee網絡節點不僅本身可以與監控對象連接，它還可以自動中轉別的網絡節點傳過來的數據資料。

ZigBee通信技術的主要優勢有：(1)統一性非常高：國內的頻段設置則是完全按照全球統一的標準進行的2.4 GHz，其中歐洲與美國則略有不同；(2)低耗能：ZigBee不僅成本低于其他通信技術，在傳輸數據的時候所產生的能耗也遠遠低于其他通信技術;(3)抗干擾：WiFi在日常生活、工作的使用中，可以很明顯的看出一旦有墻面阻隔或者電子信號的干擾，信號則會大大減弱，而ZigBee在這方面的能力遠遠高于WiFi；(4)價格低：ZigBee的結構設計簡單，并且制作標準也統一，因此制作成本便大幅度減少；(5)大容量：ZigBee是可以單獨成立的，而每一個獨立的網絡中至多可以支持將近7萬個設備；(6)拓撲自由：ZigBee在應用到網絡實處的時候，其結構較為多樣，但是其自組性較強，因此大部分工作都可以實現智能特性；(7)通信距離易控制：ZigBee的先進性導致其通信能力遠超其他通信技術，在其經過信號擴展后，信號可散布5 km范圍左右，使得節點在位置設置的時候可以滿足一切工作需求。

2　ZigBee滅火救援決策設計

2.1救援決策總體結構

滅火救援決策管理系統主要分為兩大部分，一是滅火救援決策信息和控制命令的轉發階段，二是基于Android的滅火救援決策系統。在本文中，滅火救援決策系統分PC端和Android終端，PC端系統可采用C/C++等高級語言開發。

從圖1可以看出，滅火救援決策環境中可以看成每一片區域對應一個協調器節點。在滅火救援管理過程中，協調器節點采集區域內的所有終端節點信息，通過物理鏈路將信息傳輸到現場指揮中心(滅火救援決策系統PC端)，再利用通信指揮車的通信設備將信息(GPRS/3G/4G/衛星等傳輸方式)發送到Web服務器上，Web服務器通過HTTP協議向Android發送數據信息。當節點采集到對應的緊急情況信息時，則通過XML發送到Android端。

圖1　系統架構設計

2.2終端平臺功能結構

2.2.1數據信息模塊

信息查詢是為了實現協調器節點與終端節點的對應關系，同時也能夠查詢對應的節點信息，指戰員可以實時查看災情各節點信息，全面掌握災情現場情況，科學下達滅火救援指令。

2.2.2推送功能模塊

基于Android的XMPP數據推送服務是一種主動式提醒服務，在本文的滅火救援決策管理系統中，系統能夠實現對緊急事件信息進行主動式提醒，通過XMPP協議向終端用戶發送對應的消息。

2.2.3設備控制模塊

消防設備控制管理模塊的功能是為了實現對物聯網滅火救援決策實現主動控制功能，如發送控制命令自動開啟災情報警器等動作,如圖2所示。

圖2　系統功能結構圖

2.3協調器節點設計

2.3.1協調器節點結構

協調器節點是整個系統中最為關鍵的環節，也是聯通采集終端和滅火救援決策系統的重要平臺，在此節點上主要是負責網絡的初始化建立、網絡管理和數據交互功能。同時，節點上集成了GPS模塊，實時地向滅火救援決策系統和后方指揮中心發送定位信息。由于考慮到協調器節點在網絡中的任務量較大，對于主控芯片的要求較高，因此本文中協調器節點的設計還集成了相應的單片機模塊來輔助節點的工作，如圖3。

圖3　協調器結構圖

2.3.2節點軟件設計方案

在一個自組織的無線傳感器網絡中，協調器節點作為網絡的建立與管理者，是獨立存在且唯一的。協調器節點的軟件設計框架如圖4所示，可以看出協調器節點的軟件業務主要包括對網絡的組建、通信和數據處理操作(主要為數據融合)。

圖4　協調器節點軟件總體框架

2.4終端節點設計

2.4.1終端節點結構

在本文的滅火救援決策管理系統中，終端節點的作用主要是負責系統底層數據的采集與傳輸功能，節點的硬件模塊則首先需要具有數據采集的功能，在本文的設計中，由于滅火救援決策需要采集非常多類型的數據信息，這取決于滅火救援應用的各個方面，由于系統功能和研究方向問題，我們以氣體濃度傳感器來闡述節點結構設計。在災情現場中，傳感器所采集到的模擬信號需要轉換和調理成數字信號發送到CC2530主控芯片，主控芯片對采集數據進行融合等操作后通過內嵌的ZigBee通信模塊發送到協調器節點，如圖5，當然節點上需要電源模塊來保持節點工作。

圖5　終端節點結構圖

2.4.2數據采集處理

在終端節點模塊，對于氣體濃度數據的采集和數據發送主要是由氣體濃度傳感器和CC2530芯片來進行的。在系統初始化以后，系統的上位機模塊(也就是本文中設計的滅火救援決策系統)會向采集終端發送相應的控制命令，設定節點的數據采集周期，當采集周期到達后，由主控芯片喚醒節點進行數據采集和發送工作，在此過程中，采集信息的模擬信號會進經過數據轉換、濾波融合等處理，并通過ZigBee模塊發送到協調器節點去，見圖6。

圖6　數據采集與處理流程

3　ZigBee滅火救援決策方案

3.1系統方案

滅火救援輔助決策系統包含滅火計算、信息查詢、模糊決策、災害現場信息存儲(為戰評)等功能，通過在災害現場布置ZigBee終端，實時有效地采集災害現場數據，讓后方指戰員更高效地對災害事故發展程度、趨勢預測和現有滅火救援實力進行評估，更科學地開展力量部署和實施技戰術方案。因此系統設計所需解決的關鍵內容如下：

3.1.1基于無線傳感器網絡的滅火救援決策區域數據采集。對于災情發生區域數據的采集方面，本文采用基于ZigBee通信技術的無線傳感器網絡來實現，通過部署在災情現場的終端節點進行監測信息的獲取和處理，并發送給現場指揮部，總隊、支隊消防指揮中心和其他管理的手機APP等滅火救援決策系統上。

3.1.2基于Android的滅火救援決策管理APP系統。采用基于安卓設備的MIS(Management Information System)系統來進行滅火救援決策信息的管理，移動設備端滅火救援決策管理APP是現代移動應用技術發展的趨勢，能夠大大增強滅火救援決策管理的實時性。

3.1.3基于XMPP的數據推送技術。通過采用基于XMPP協議的數據推送服務，當滅火救援決策監測終端發現監測數據過渡超標、生命信號等緊急情況時系統能夠第一時間發送推送信息給APP客戶端(如圖7所示)。

圖7　系統總體方案示意圖

3.2功能設計

在災情現場救援中，現場指揮部需要實時采集災情現場的數據信息用于輔助決策。協調器節點將終端節點采集的數據信息傳輸到現場指揮部的決策系統中，系統將自動采集信息進行數據分析，得出最優結果，并將結果傳輸到Web服務器和后方消防支隊指揮中心。Web服務器采用XMPP協議將數據信息主動推送到現場指揮員的設備終端(基于Android系統的滅火救援輔助終端)，如圖8所示。

圖8　數據傳輸流程

3.2.1終端節點布置和數據傳輸

本文以筆者所處的支隊為例，大多數基層中隊在處置災情時，通常采取人工方式對災害現場周邊的數據采集，這種采集方式存在以下幾點不足：一是災害現場采集數據不及時、傳輸效率低；二是災害現場采集數據可利用率低，不能全面客觀體現災情情況；三是災害現場數據采集危險性高，極其容易對采集人員造成不必要的傷亡。采用ZigBee終端節點模塊對災害現場周邊進行數據采集，可有效地避免以上問題發生。

通常在災害現場布置終端節點主要考慮當前災害現場的風向、風力和濕度等自然因素，當全勤指揮部到達災情現場后根據不同的災害類型和現場情況，劃分滅火救援數據采集圈。在撲救火災時，布置火場的ZigBee終端節點數根據過火面積的長和寬來決定；在處置有毒氣體泄漏災情時，主要由現場風向、風力、空氣濕度和氣體密度來決定采集節點數量和位置，風向決定泄漏氣云擴散的主要方向，風速影響泄漏氣云的擴散速度和被空氣稀釋的速度，若無風天，則泄漏氣體以泄漏源為中心向四周擴散。圖9為在無風天情況下，有毒氣體泄漏災情區域的節點布置圖。

圖9　無風天的氣體泄漏區域節點布置圖

在災害現場進行終端節點部署，分粗調和細調兩部分，當全勤指揮部到達現場后，首先要根據災情當前所處的階段，風向、風力和濕度等數據，初步計算出終端采集節點部署位置，并開始節點組網。后方指揮部在獲取到現場終端節點采集的數據后，重新對終端采集節點位置進行部署，設置二級報警和一級報警臨界點，劃分警戒區域。考慮到災情現場的環境復雜多變，數據報警臨界點和警戒區域的劃分會隨著時間的推移而發生變化，后方指揮員需要及時對終端采集節點進行位置調整。終端節點的位置調整除靠人工移動外，還可以考慮給終端節點安裝可遠程控制的車輪,提高采集終端節點的靈活性。

3.2.2緊急聯動裝置

在災害現場，電臺、電話等通訊方式極為繁雜，滅火救援輔助平臺在特殊情況下將自動開啟緊急聯動裝置及時向前方指戰員傳達緊急指令，最大限度地減少現場人員傷亡。同時緊急聯動裝置還可以接受后方指揮中心和前方指戰員終端的命令信息，如發送控制命令自動開啟有毒氣體超標報警器等動作，如圖10。

圖10　緊急聯動裝置模塊流程圖

3.2.3數據信息查詢和推送

推送信息功能是基于Android的XMPP數據推送服務是一種主動式提醒服務，能夠實現對緊急事件信息進行主動式提醒，當相關節點采集到的救援決策數據信息超過預設的閾值信息時系統通過XMPP協議主動向終端用戶發送對應的消息。信息通過滅火救援決策系統查詢對應的災情部署區域節點的采集信息，也可通過Android端或者PC(電腦)端觸發的通信服務請求，如遠程查詢區域的有毒氣體濃度等數據信息。

4　結束語

本文對滅火救援決策管理方案進行了詳細的分析和設計，并對終端平臺和節點的實現過程進行了具體的分析，但由于災情現場不定因素較多，突發事件發生較為頻繁，針對于不同應用場景和需求下的滅火救援決策研究內容還需要進一步細化，通過在災情中的多次實踐，可初步形成滅火救援輔助決策模板，提高指戰員的滅火救援效率和決策能力。

[1] 《消防火災預防學理論與實踐》編委會.消防火災預防學理論與實踐[M].北京：中國人民大學出版社,2013.

[2] Rod Johnson,Juergen Hoeller.J2EE Development without EJB[M],2013：36-38.

[3] ZigBee Alliance. ZigBee Specification Version 1.0 ZigBee Document 053474r06[S]. December 14th,2004.

[4] 程春榮．基于ZigBee技術的水質監測系統的設計[D]．杭州：杭州電子科技大學,2009.

[5] 羅震．Android平臺環境下應用程序架構的設計與實現[D]．武漢：華中科技大學，2009.

(責任編輯陳華)

On the Application of ZigBee to the Fire-fighting Decision-making

TU Xinxing

(Ji’anMunicipalFireBrigade,JiangxiProvince343009,China)

With the increase of cities and the city population, fires increase frequently. However, there is no increase of people’s awareness of fire prevention, which adds much burden to the fire departments. It is suggested that the internet of things be adapted to aid for a fire fighting decision on the spot. The paper offers the specific planning and design.

ZigBee; fire fighting; fire rescue; decision

2016-05-22

涂新星(1986—)，男，江西吉安人，助理工程師。

●滅火救援技術

D631.6

A

1008-2077(2016)08-0032-05