裴建國，張穎花，張 翔

(1.武警學院 消防指揮系，河北 廊坊 065000； 2.天津消防總隊，天津 300000)

基于ZigBee技術的滅火救援現場數據采集系統研究

裴建國1，張穎花1，張 翔2

(1.武警學院 消防指揮系，河北 廊坊 065000； 2.天津消防總隊，天津 300000)

滅火救援現場的數字化問題是消防發(fā)展的新方向，提出以ZigBee技術為基礎，針對滅火救援現場戰(zhàn)斗的特點，采取簇樹形混合組網，建設面向滅火救援現場環(huán)境與各實體對象的數據采集系統，實現對滅火救援現場中人員、器材裝備和環(huán)境信息的感知、連接和信息交換，使指揮員能夠快速、清晰、全面、客觀地掌控滅火救援戰(zhàn)斗現場情況，為消防部隊的快速反應、協同作戰(zhàn)、指揮決策提供信息支撐。

ZigBee技術；滅火救援；數據采集系統；通信指揮

0 引言

在滅火救援戰(zhàn)斗過程中，現場信息的獲取主要是通過視、聽等手段直接接觸外界所得到的感性認識及少量通過儀器獲取的數據，在一般的滅火救援戰(zhàn)斗中，指揮員通過自身的豐富經驗及理論知識往往能做出正確的決策，但在一場復雜的災害事故處置中，這些片面的、淺層的認識往往不能代表整個災害事故的發(fā)展變化。辯證法認為，若要認識事物的本質，就必須從感性認識上升到理性認識。數據采集系統的作用正是如此，為指揮員提供多層次的數據信息，對滅火救援現場實現量化。

1 ZigBee技術概述

ZigBee技術是一種具有統一技術標準的短距離無線通信技術，其物理層和數據鏈路層協議為IEEE 802.15.4協議標準，網絡層和安全層由ZigBee聯盟制定，應用層的開發(fā)應用根據用戶的應用需求，對其進行開發(fā)利用，因此該技術能夠為用戶提供機動、靈活的組網方式。ZigBee致力于提供一種廉價的固定、便攜或者移動設備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無線通信技術。該無線通信技術具有如下特點：

1.1 數據傳輸速率低

只有10～250 kb·s-1，專注于低傳輸速率應用。無線傳感器網絡不傳輸語音、視頻之類的大量數據，僅傳輸一些簡單數據。

1.2 功耗低

由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1 mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設備非常省電。據估算，ZigBee設備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間。

1.3 時延短

通信時延和休眠到喚醒的時延非常短，進行設備搜索時延約為30 ms，設備接入信道的時延為15 ms。因此ZigBee技術更適合于那些對時延要求較高的場合。

1.4 數據傳輸可靠

采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避開了發(fā)送數據的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式，每個發(fā)送的數據包都必須等待接收方的確認信息,保證了節(jié)點間傳輸信息的高可靠性。

1.5 網絡容量大

ZigBee的低速率、低功耗和短距離傳輸的特點使它非常適宜支持簡單器件。ZigBee定義了兩種器件：全功能器件(FFD)和簡化功能器件(RFD)。網絡協調器(Coordinator)是一種全功能器件。如果通過網絡協調器組建無線傳感器網絡，整個網絡最多可以支持超過65 000個ZigBee網絡節(jié)點，再加上各個網絡協調器可互相連接，整個ZigBee網絡節(jié)點的數目將十分可觀。

1.6 自動動態(tài)組網和自主路由

無線傳感器網絡是動態(tài)變化的，無論是節(jié)點的能量耗盡，或者節(jié)點被損壞，都能使節(jié)點退出網絡，而且可以在需要的時候向已有的網絡加入新的傳感器節(jié)點。

1.7 兼容性

ZigBee技術與現有的控制網絡標準無縫集成。通過網絡協調器自動建立網絡，采用CSMA-CA方式進行信道接入。為了可靠傳遞，還提供全握手協議。

1.8 安全性

ZigBee技術的安全性高，有三級安全模式可供選擇:無安全模式、使用接入控制清單(ACL)模式和利用特定加密標準AES128對稱密鑰模式。

1.9 實現成本低

低復雜的通信協議降低了對節(jié)點控制器的要求，并且ZigBee協議無須付專利費。

2 滅火救援現場的特殊性

為組建適應消防部隊作戰(zhàn)需求的傳感器網絡，應首先了解滅火救援現場的特殊性：首先，滅火救援現場具有作戰(zhàn)人員、車輛、裝備器材、環(huán)境等多種實體對象，因此節(jié)點的設計與網絡連接方式具有特殊性，不同種類節(jié)點之間組網及結構關系比起單一種類的節(jié)點更加困難。其次，滅火救援現場信息種類豐富，因此需要多種節(jié)點攜帶不同類型的傳感器，諸如溫度、濕度、濃度、煙霧甚至生理傳感器。再次，在滅火救援現場的傳感器網絡中既有靜態(tài)的實體對象，也有會移動的實體對象(主要是作戰(zhàn)人員)，對移動對象進行監(jiān)控必然要考慮其移動性。在首次網絡部署之后，安置在作戰(zhàn)人員身上的節(jié)點會隨著該人員的移動而不斷改變位置，從而導致無線網絡拓撲結構的變化。因此，設計網絡結構時要考慮靜態(tài)的網絡結構及移動的節(jié)點帶來的網絡拓撲變化。

3 現場數據采集系統體系結構

在滅火救援戰(zhàn)斗現場，所有的節(jié)點都需要與協調器建立通信連接，它們既承擔著采集、傳輸傳感數據，也負責傳送各種控制指令等任務。ZigBee的網絡結構根據節(jié)點的連接方式大體可分為三種：星狀網絡、樹狀網絡和網狀網絡。采取單一的節(jié)點連接方式顯然很難滿足滅火救援現場的需求，因此，本文構建了一個雙層次的分級網絡結構，形狀為簇樹形結構[2]。

如圖1所示，整個網絡拓撲結構包含網絡上層和網絡下層兩個子層：網絡上層采用網狀網結構，由網絡協調器和簇頭節(jié)點組成，可以縮短數據傳遞路徑并適應大面積環(huán)境；網絡下層采用樹狀拓撲結構，由簇頭節(jié)點和普通傳感節(jié)點各自組成的簇形成，簇頭節(jié)點作為中繼器存在，路徑固定、結構相對穩(wěn)定，方便簇頭節(jié)點協調管理。這種網絡結構具有強大的功能，采用多跳的方式進行通信，還具備自組織、自愈等功能，使得網絡中每個節(jié)點都能經過其他節(jié)點傳送信息，最終經過“多級跳”的形式傳輸到協調器，適應滅火救援現場復雜環(huán)境的需求[3]。圖1中包含兩種設備類型：全功能設備(Full-Function Device，FFD)及精簡功能設備(Reduced-Function Device，RFD)。FFD能夠構建網絡(為網絡協調器時)，讓其他FFD或RFD連接，具備控制器功能，可提供信息雙向傳輸。RFD則只能傳送信息給FFD或從RFD接受信息，可以降低網絡構建的成本和復雜性，只能作為終端設備。

圖1 ZigBee網絡示意圖

3.1 節(jié)點類型及功能

為了構建滅火救援現場的數據采集網絡，還需對節(jié)點進行類型劃分。根據上文所述節(jié)點分為網絡協調器、簇頭節(jié)點和普通節(jié)點，其特點如表1所示。

3.1.1 網絡協調器

網絡協調器是整個滅火救援現場數據采集網絡的中心，是WSN/3G網關的組成部分，WSN采集的所有傳感信息都將通過網絡協調器傳送至數據服務中心。另外，網絡協調器承擔著發(fā)起建立網絡、設定網絡參數、管理網絡節(jié)點、存儲節(jié)點信息等功能。

3.1.2 簇頭節(jié)點

簇頭節(jié)點主要負責管理由本身所形成的樹狀網絡內的子節(jié)點，收集子節(jié)點的數據信息并向網絡協調器發(fā)送。此外，作為WSN的中間節(jié)點，在網絡上層形成的網狀網結構中，簇頭節(jié)點還作為其他簇頭節(jié)點的路由節(jié)點存在。

3.1.3 普通節(jié)點

普通節(jié)點通常僅具有傳感數據采集和路由功能，一般布置在器材裝備、作戰(zhàn)人員隨身攜帶或者分布在現場環(huán)境中。根據實體對象所需信息的不同，也可布置不同種類的傳感器節(jié)點，提供包括溫度、濕度、濃度、煙霧、壓力、生理在內的多種信息采集功能。

在本文的分級網絡拓撲結構中，節(jié)點之間依據組網機制形成簇樹形網絡結構，移動節(jié)點的移動性以及節(jié)點之間進行數據通信等都是需要解決的重點問題。針對網絡協調器、簇頭節(jié)點和普通節(jié)點的不同功能，其各自網絡層設計也不同，如表2所示。

3.2 節(jié)點構成

為了實現節(jié)點的功能目標，節(jié)點應包括如下基本組成：

3.2.1 傳感單元，由傳感器在監(jiān)測區(qū)域內采集信息并進行AD/DC數據轉換；

表2 不同節(jié)點網絡層功能

3.2.2 處理單元，是節(jié)點的控制中心，包括處理器、存儲器以及嵌入式操作系統，控制整個節(jié)點的操作，存儲、處理自身感應和其他節(jié)點傳送的數據；

3.2.3 通信單元，是與其他節(jié)點交換控制信息和收發(fā)采集數據的傳輸途徑；

3.2.4 能量供應單元，為節(jié)點其他單元提供能量。

此外，根據節(jié)點任務的需要，可以選擇的其他功能包括：定位系統、移動系統、電源自供電系統等[4]。組成如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點構成

上文將節(jié)點劃分為三種節(jié)點，其中簇頭節(jié)點又分為靜態(tài)簇頭節(jié)點和移動簇頭節(jié)點，雖然節(jié)點在網絡中的功能不同，但是其基本組成是相同的，只是在硬件性能上有所差異。網絡協調器是整個網絡的主控節(jié)點，負責全部WSN數據的收發(fā)、管理及存儲，需要極強的數據處理能力和最大的數據存儲空間，因此其處理器和存儲器最為強勁，還應具備額外的存儲空間，其能量由車載電源負責提供。靜態(tài)簇頭節(jié)點和移動簇頭節(jié)點是網絡的骨干節(jié)點，負責局部數據的收發(fā)處理，需要一定數據處理能力和數據存儲空間，節(jié)點能量由微型電池負責供電。此外，作為定位系統中的信標節(jié)點應具有定位系統，移動簇頭節(jié)點還應具有移動系統。普通節(jié)點是網絡的終端節(jié)點，硬件需求最低，可以選取精簡功能設備。

滅火救援現場數據采集系統的實際建設中，可根據實際情況，選取市場上產品化、統一標準的傳感器節(jié)點。目前市場上的傳感器節(jié)點硬件均采用模塊化設計，結構簡單，體積小，接口簡化，可直接在硬件上進行編程，已基本實現產品化，如基于CC2430芯

片的產品應用最為廣泛。

在節(jié)點的實際應用中，網絡協調器架設在通信指揮車中，是WSN/3G網關的組成部分。在滅火救援現場每個實體對象都應配備一個簇頭節(jié)點和大量普通節(jié)點，共同實現對該對象的全部信息監(jiān)測。無論是簇頭節(jié)點還是普通節(jié)點，都具備傳感單元，能夠感知信息，根據被測對象的信息需求，靈活改變傳感模塊重構節(jié)點，當需要改變傳感器類型時，只需把傳感模塊換成所需的傳感器即可，而不用重新設計電路板和其他功能單元。

無論是簇頭節(jié)點還是普通節(jié)點，既可以利用嵌入式技術布置于車輛、器材裝備之中，用以監(jiān)測被測對象的信息，也可以制作成獨立的模塊便于在滅火救援現場拋灑，用以監(jiān)測環(huán)境信息。由于節(jié)點體積小，制作成獨立模塊的節(jié)點還應額外具備發(fā)光、發(fā)聲功能，便于找尋。

4 結束語

基于ZigBee技術的滅火救援現場數據采集系統在現場數據采集管理方面具有突出的優(yōu)勢，不但能為指揮員提供決策支持，也能夠提高戰(zhàn)斗人員生命安全的保障能力，這也正是如今滅火救援工作最需

要的環(huán)節(jié)，該系統的研發(fā)能夠成為當今滅火救援戰(zhàn)斗的重要補充。

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(責任編輯 陳 華)

A Research of Fire Fighting and Rescue Field Data Acquisition System Based on the ZigBee Technology

PEI Jian-guo1，ZHANG Ying-hua1，ZHANG Xiang2

(1.DepartmentofFireCommanding,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China;2.TianjinFireCorps,Tianjin300000,China)

The digitization of fire fighting and rescue on a fire spot is a new direction in the development of fire science. In this paper, the fire fighting and rescue data acquisition system is designed based on the ZigBee technology. This system arms at the characteristics of the scene of fire fighting and rescue. Talking the cluster tree of hybrid network, this system can realize the connection between the fighting person, the equipment and the environment, which can provide information for the commanders fast, clearly, comprehensively and objectively.

ZigBee technology; fire fighting and rescue; data acquisition system; communication command

2015-02-26

河北省科技廳項目“基于物聯網技術的滅火救援指揮平臺研究”(13275603)

裴建國(1966— )男，河北文安人，教授； 張穎花(1977— )，女，河北大城人，講師； 張翔(1987— )男，天津人。

TN925；D631.6

A

1008-2077(2015)04-0037-04