賈 雪

(吉林建筑工程學(xué)院電氣與電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118)

0 引言

改革開(kāi)放30年來(lái)，城市人口的日益增長(zhǎng)和城市用地的日趨緊張，高層建筑如雨后春筍般拔地而起.北京、上海、廣東等地區(qū)的高層建筑的數(shù)量均已突破6 000幢，從深圳325 m的地王大廈，到上海420.5 m的金茂大廈，再到492 m的環(huán)球金融中心，高層建筑的高度在不斷攀升.隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及新材料、新工藝的不斷開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，高層建筑的結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜、功能日益繁多，逐步向現(xiàn)代化、大型化方向發(fā)展.由于高層建筑人口密集、樓層高、功能復(fù)雜、設(shè)備繁多、可燃物多，構(gòu)成了極大的火災(zāi)隱患.與此同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)消防應(yīng)急救援裝備能力與高層建筑的發(fā)展嚴(yán)重失衡，這使得消防人員在人員疏散、火災(zāi)撲救工作中遇到了很大的困難，極易造成重大的人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失和政治影響.高層救援技術(shù)的提高和改善刻不容緩.本文主要利用物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)和Zig bee技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高層建筑被困人員的準(zhǔn)確定位和疏導(dǎo)，為救援人員第一時(shí)間內(nèi)進(jìn)行撲救提供有利條件.

1 ZigBee技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無(wú)線傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到越來(lái)越多的重視.物聯(lián)網(wǎng)是在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用電子商品代碼EPC，RFID和無(wú)線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，構(gòu)造的一個(gè)覆蓋世界上萬(wàn)事萬(wàn)物的信息網(wǎng)絡(luò)，是獨(dú)立于EPC系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)整合的產(chǎn)物.物聯(lián)網(wǎng)一方面可提高經(jīng)濟(jì)效益，大大節(jié)約成本，另一方面可為全球經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇提供技術(shù)動(dòng)力.ZigBee技術(shù)是一組基于IEEE 802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的通信技術(shù)，它是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù).它使用頻段是全球通用的2.4GHz，該標(biāo)準(zhǔn)定義了在IEEE 802.15.4物理層(PHY)和標(biāo)準(zhǔn)媒體訪問(wèn)控制層(MAC)上的網(wǎng)絡(luò)層及支持的應(yīng)用服務(wù)，ZigBee聯(lián)盟的長(zhǎng)期目標(biāo)是能夠建立基于互操作平臺(tái)和配置文件的可伸縮、低成本嵌入式基礎(chǔ)架構(gòu)［1］.

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)核心是無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)，是一種非接觸自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，又稱(chēng)電子標(biāo)簽.它是利用射頻信號(hào)和空間(電磁或電感)耦合傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別.基本的RFID系統(tǒng)至少包含閱讀器(Reader)和RFID標(biāo)簽(Tag)，它具有讀取速度快、存儲(chǔ)空間大、工作距離遠(yuǎn)、穿透性強(qiáng)、工作環(huán)境適應(yīng)強(qiáng)、可重復(fù)使用等多種優(yōu)勢(shì).RFID標(biāo)簽由芯片與天線組成，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，標(biāo)簽附著在物體上以表示目標(biāo)對(duì)象［2］.

在實(shí)際運(yùn)用中，是將電子標(biāo)簽附著在被識(shí)別物體的表面或內(nèi)部，當(dāng)帶有電子標(biāo)簽的被識(shí)別物體進(jìn)入磁場(chǎng)后，接收閱讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的物品信息，或者主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào);閱讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別物品或自動(dòng)收集物品標(biāo)志信息的功能.目前RFID已大規(guī)模用于商品零售、倉(cāng)儲(chǔ)管理、生產(chǎn)流水線控制、動(dòng)物識(shí)別、交通運(yùn)輸、軍事物質(zhì)跟蹤、鐵路系統(tǒng)等［3］.

2 高層建筑救援系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理、組成及功能

系統(tǒng)主要由每層設(shè)置的許多Zig bee終端節(jié)點(diǎn)和Zig bee路由器、控制中心組成.每個(gè)Zig bee終端節(jié)點(diǎn)由讀卡模塊、溫、濕度傳感模塊、感煙探測(cè)模塊等組成.該節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)完成讀取該區(qū)域人員信息、環(huán)境溫、濕度及煙霧濃度等，并通過(guò)Zig bee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和CAN總線網(wǎng)絡(luò)將這些信息傳送到控制中心.利用每個(gè)Zig bee終端節(jié)點(diǎn)分配的ID號(hào)和Zig bee路由器的ID號(hào)相結(jié)合，可以準(zhǔn)確定位人員在建筑物中的具體位置，并為其疏導(dǎo)和避難提供幫助，其救援系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1.

高層建筑救援系統(tǒng)的組成及功能:

(1)Zig bee終端結(jié)點(diǎn)

Zig bee終端結(jié)點(diǎn)的上位機(jī)是Zig bee路由器，二者之間的通信是建立在Zig bee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上的.Zig bee終端結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示.

(2)基于射頻卡的無(wú)線定位系統(tǒng)

Zig bee終端結(jié)點(diǎn)根據(jù)無(wú)線射頻卡檢測(cè)的網(wǎng)格密度，均勻分布于建筑物內(nèi)的走廊和房間內(nèi)，要求同一射頻卡要有3個(gè)或3個(gè)以上的Zig bee終端結(jié)點(diǎn)同時(shí)檢測(cè)到，便于控制中心計(jì)算機(jī)計(jì)算射頻卡的位置信息.平時(shí)可采用此項(xiàng)技術(shù)對(duì)建筑物內(nèi)的工作人員進(jìn)行監(jiān)控.當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，就可以通過(guò)Zig bee終端結(jié)點(diǎn)對(duì)生存者進(jìn)行身份確認(rèn)，并通過(guò)智能廣播系統(tǒng)或Zig bee終端結(jié)點(diǎn)本身向被困人員發(fā)出最佳的逃生路線.當(dāng)因建筑物的逃生路線均被損毀時(shí)，可以讓被困人員第一時(shí)間引至建筑中的避難層或相對(duì)較安全的區(qū)域，方便救援人員對(duì)被困人員及時(shí)施救.

圖1 救援系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

圖2 Zig bee終端結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖

(3)Zig bee終端結(jié)點(diǎn)

Zig bee終端結(jié)點(diǎn)包括溫、濕度傳感器模塊，感煙探測(cè)器模塊、射頻讀卡模塊等.溫、濕度檢測(cè)功能是當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件時(shí)規(guī)劃人員逃生路線及避難場(chǎng)所引導(dǎo)的重要參考指標(biāo).當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，溫度高、濕度低的走廊或樓梯間等通道均不適合成為逃生路線［4］.因此，利用消防聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)中的防火卷簾門(mén)、自動(dòng)噴淋系統(tǒng)對(duì)火災(zāi)區(qū)域進(jìn)行隔離和滅火.

感煙探測(cè)器模塊主要是對(duì)火災(zāi)起著預(yù)警功能，適時(shí)檢測(cè)每個(gè)Zig bee終端結(jié)點(diǎn)的煙霧濃度.當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，對(duì)被困人員的逃生路線規(guī)劃起到了一定的輔助作用.此部分主要解決煙霧濃度和A/D轉(zhuǎn)換之間的關(guān)系.

(4)Zig bee路由器

Zig bee路由器分布在每個(gè)樓層.根據(jù)樓層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)，至少放置一個(gè).當(dāng)2個(gè)或2個(gè)以上同時(shí)分布一個(gè)樓層時(shí)，可以分區(qū)放置.

Zig bee路由器的主要功能是接收來(lái)自于Zig bee終端結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息.每一個(gè)Zig bee終端結(jié)點(diǎn)與Zig bee路由器之間的數(shù)據(jù)通信鏈路是由Zig bee終端結(jié)點(diǎn)的安裝位置和建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定，但數(shù)據(jù)信息的格式是固定不變的.

各樓層Zig bee路由器之間的通信采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)相連接.其目的是保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、無(wú)誤地進(jìn)行通信的同時(shí)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)用性.分布于一樓的Zig bee路由器具有信息匯總功能，并與上位的Zig bee中心結(jié)點(diǎn)無(wú)線連接.Zig bee中心結(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將所有的數(shù)據(jù)信息傳送到控制中心計(jì)算機(jī)上.

(5)控制中心計(jì)算機(jī)

控制中心計(jì)算機(jī)主要負(fù)責(zé)各種數(shù)據(jù)信息的匯總、各種設(shè)備的聯(lián)動(dòng)及逃生路線的規(guī)劃等.在控制中心計(jì)算機(jī)上建立標(biāo)準(zhǔn)的MYSQL數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和處理.結(jié)合房屋建筑學(xué)、運(yùn)籌學(xué)、建筑設(shè)備及通道分布等，加上探測(cè)到的溫度、濕度及煙霧情況，統(tǒng)籌規(guī)劃逃生路線規(guī)劃的算法，最大限度解救被困人員的生命.

3 結(jié)語(yǔ)

本文在充分考慮物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的現(xiàn)有狀況和深入分析技術(shù)難題的前提下，把RFID，ZigBee等技術(shù)融合在物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)中，構(gòu)建一套基于ZigBee技術(shù)無(wú)線射頻識(shí)別的物聯(lián)網(wǎng)高層建筑定位系統(tǒng)，提高了高層建筑的火災(zāi)救援智能化水平，同時(shí)也增強(qiáng)了高層建筑的消防安全性.

［1］趙軍輝.射頻識(shí)別技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008:1－22.

［2］姚朝軍.基于信號(hào)強(qiáng)度的無(wú)線定位算法研究［J］.煤炭技術(shù)，2011(1):166.

［3］張 毅，唐 紅.物聯(lián)網(wǎng)綜述［J］.數(shù)字通信，2010(4):24－27.

［4］張鳳和，蘇 丹.高層和地下建筑火災(zāi)防控對(duì)策［J］.消防控制科學(xué)與技術(shù)，2010(8):8－10.