陳 林

(太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院，山西 太原 030024)

公交車火災(zāi)已經(jīng)成為公交安全的重要隱患，它威脅到人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，使人們對公交車安全的信任度降低［1］。公交車火災(zāi)的預(yù)防非常重要，而發(fā)生起火后的及時(shí)救援也同樣極為重要。從發(fā)生火災(zāi)到聯(lián)系人員救護(hù)需要一段時(shí)間，如果能盡可能縮短這段時(shí)間，當(dāng)公交車發(fā)生火災(zāi)后救援人員能夠在第一時(shí)間趕到現(xiàn)場，就會(huì)減少很多人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，公交起火后的快速定位和快速報(bào)警顯得尤為重要?；谶@種需要，本文提出了一種基于Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)的公交火災(zāi)快速定位系統(tǒng)，當(dāng)位于公交車內(nèi)的傳感器檢測到火災(zāi)時(shí)，能立即將信號傳給消防中心，同時(shí)定位傳感器也將公交車的位置上傳給消防中心，消防中心就能立刻依據(jù)定位系統(tǒng)上報(bào)的地點(diǎn)安排對發(fā)生火災(zāi)的公交的消防救護(hù)工作，以將人身財(cái)產(chǎn)損失降到最低。Zigbee 網(wǎng)絡(luò)具有靈活簡易的組網(wǎng)能力，成本、功耗較低，能夠滿足在大范圍城市公交線路上組網(wǎng)檢測、定位的要求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本公交火災(zāi)快速定位系統(tǒng)由底層數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)和上層管理中心組成。底層數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)火災(zāi)信號和公交車位置兩種信息的采集。網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)構(gòu)建、維護(hù)及管理Zigbee 網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)將底層數(shù)據(jù)傳給上層計(jì)算機(jī)。

上層的管理計(jì)算機(jī)位于消防中心，當(dāng)收到火災(zāi)報(bào)警時(shí)控制人員可以立即知曉并派出消防車，同時(shí)聯(lián)系醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行救護(hù)。

網(wǎng)關(guān)在此選擇Zigbee 芯片CC2430 進(jìn)行設(shè)計(jì)。CC2430是系統(tǒng)級芯片(SOC)，內(nèi)部集成了工業(yè)級小巧高效的8051控制器。CC2430的核心是高性能的2.4 GHz DSSS(直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器。CC2430為Zigbee 網(wǎng)絡(luò)中的路由器和節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址，起協(xié)調(diào)器的作用。

底層信息采集網(wǎng)絡(luò)主要由檢測火災(zāi)的傳感節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)組成，同時(shí)包括協(xié)助定位并充當(dāng)路由器功能的參考節(jié)點(diǎn)?；馂?zāi)檢測節(jié)點(diǎn)由煙感傳感器、基于Zigbee 標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片CC2430 組成，定位節(jié)點(diǎn)選用CC2431 芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。CC2431 芯片內(nèi)部具有定位引擎。圖1為公交火災(zāi)定位系統(tǒng)框架圖。采集到的現(xiàn)場信息由下至上傳至管理中心計(jì)算機(jī)。

圖1 公交火災(zāi)定位系統(tǒng)框架圖

2 Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)

Zigbee 具有簡易靈活的組網(wǎng)能力，而它的功耗、成本與其它無線網(wǎng)絡(luò)相比均具有優(yōu)勢，因此本設(shè)計(jì)中選用Zigbee 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。Zigbee的無線mesh 網(wǎng)絡(luò)可以以“多級跳”的方式實(shí)現(xiàn)信號傳播，具有自組織和自愈功能。Zigbee 網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性和可靠性均符合要求，其抗干擾性與藍(lán)牙、WLAN 在相同的情況下相比有明顯優(yōu)勢。Zigbee 技術(shù)在抗干擾能力和通信可靠性上的優(yōu)勢得益于RF 物理層和通信協(xié)議上的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)證明IEEE 802.15.4/ZigBee的誤碼率，特別是在信噪比為4 dB的情況下可達(dá)到10－9;達(dá)到同樣誤碼率，藍(lán)牙/802.15.1 信噪比要達(dá)16 dB，802.11b 要達(dá)10 dB，可見ZigBee的抗干擾性能明顯高于藍(lán)牙和WLAN［2］。

3 定位原理

Zigbee 芯片CC2431 內(nèi)部設(shè)計(jì)了定位引擎。定位系統(tǒng)中的參考節(jié)點(diǎn)選用CC2430 進(jìn)行設(shè)計(jì)。CC2431 芯片使能后，將收集與多個(gè)參考節(jié)點(diǎn)通信時(shí)的信號強(qiáng)度值，利用三個(gè)參數(shù)(A值、N值、RSSI值)值，結(jié)合相應(yīng)參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行定位計(jì)算。三個(gè)參數(shù)中A值為距離發(fā)射機(jī)(CC2430/CC2431)1 m 遠(yuǎn)的RSSI 絕對值;N值為距離發(fā)射機(jī)每增加1 m 衰減的RSSI 絕對值;RSSI為CC2430/CC2431 信號強(qiáng)度，單位為dBm［3］。計(jì)算中用到三角(三邊)測量法。

三角(三邊)測量的原理是，在地面選一系列控制點(diǎn)，相互連接成若干個(gè)三角形，構(gòu)成各種網(wǎng)(鎖)狀圖形。通過觀測三角形的內(nèi)角(或邊長)，再根據(jù)已知控制點(diǎn)的坐標(biāo)、起始邊的邊長和坐標(biāo)方位角，經(jīng)解算三角形和坐標(biāo)方位角推算可得到三角形各邊的邊長和坐標(biāo)方位角，進(jìn)而由直角坐標(biāo)正算公式計(jì)算待定點(diǎn)的平面坐標(biāo)。

該計(jì)算由硬件執(zhí)行，占用很少的CPU 資源，計(jì)算速度快，定位響應(yīng)時(shí)間少于40 μs。為了確保公交定位的準(zhǔn)確性，沿途的參考點(diǎn)應(yīng)保證一定數(shù)量，一次定位至少需要三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)。

4 系統(tǒng)控制流程

系統(tǒng)的軟件控制流程如圖2所示。當(dāng)系統(tǒng)初始化完成后，系統(tǒng)將不斷掃描各個(gè)公交車火災(zāi)信號的狀態(tài)值，當(dāng)狀態(tài)為發(fā)生火災(zāi)時(shí)，系統(tǒng)將立即發(fā)出聲音警報(bào)。在覆蓋公交行徑整個(gè)區(qū)域的電子地圖上，將以火焰的符號顯示公交所在地點(diǎn)。同時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)送短信給相關(guān)負(fù)責(zé)人員，通知他們發(fā)生火災(zāi)的公交地點(diǎn)，以便救援行動(dòng)能夠及時(shí)展開。

5 結(jié)論

本文中的城市公交車火災(zāi)快速定位系統(tǒng)能夠縮短消防和醫(yī)護(hù)人員對公交車進(jìn)行救援的響應(yīng)時(shí)間，對人民的出行安全有重要意義。采用的Zigbee 網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)靈活簡易，成本和耗能較低，有利于系統(tǒng)投放到實(shí)際應(yīng)用中。

圖2 系統(tǒng)流程圖

［1］夏燕.淺析城市公交車火災(zāi)事故防范措施［OL］.http://119.china.com.cn/txt/2010－ 07/15/content _3610952.htm.2010－07－05.

［2］顏艷華，劉軍.ZigBee 抗干擾性能分析及與其他無線系統(tǒng)的共存［J］.中國無線電，2008，19(11):37－40.

［3］國鑫，霍凱，劉玉琳.基于ZigBee的無線定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.中國儀器儀表，2011，31(4):31－34.