摘 要： 以火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)部消防隊(duì)員作移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了一個(gè)消防隊(duì)員實(shí)時(shí)信息傳輸系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中用傳感器網(wǎng)絡(luò)和MEMS慣性器件進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，通過(guò)433 MHz 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)完成硬件之間的數(shù)據(jù)傳輸通信，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控中心的通信使用Ad Hoc無(wú)線網(wǎng)絡(luò)完成。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)應(yīng)用于消防救援的可行性，為救援隊(duì)員的生命安全提供了進(jìn)一步保障。

關(guān)鍵詞： 傳感器網(wǎng)絡(luò)； MEMS慣性器件； Ad Hoc無(wú)線網(wǎng)絡(luò)； 消防救援

中圖分類(lèi)號(hào)： TN919.7?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）07?0028?03

0 引 言

雖然把無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于消防救援領(lǐng)域有了很好的研究，但這些研究大多用于消防隊(duì)員跟蹤和搜救。英國(guó)拉夫堡（Loughborough） 大學(xué)研究小組在進(jìn)行名為Secure Ad Hoc Fire and Emergency Safety Network（SafetyNet）的研究[1]，雖然可以獲取并提供指定地點(diǎn)的環(huán)境和險(xiǎn)情信息，但該系統(tǒng)需要預(yù)先在建筑物內(nèi)布設(shè)傳感器，這在目前的實(shí)際中有些困難。消防隊(duì)員在現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行救護(hù)任務(wù)遭遇危險(xiǎn)時(shí)，不僅會(huì)影響整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的救援效率，而且會(huì)威脅到自身生命，十分不利于火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的救援和調(diào)度。如果指揮中心能夠觀察到消防隊(duì)員的實(shí)時(shí)信息，指揮人員就能在消防隊(duì)員發(fā)生意外時(shí)指揮其他救援人員進(jìn)行快速的相互救援。由此提出一種新型人員實(shí)時(shí)信息傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以CC430F5137[2]單片機(jī)為系統(tǒng)主芯片，通過(guò)433 MHz無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[3]完成利用Mesh慣性器件ADXL345三軸加速度計(jì)、DS18B20溫度傳感器和HM2600壓力傳感器等所采集到的實(shí)時(shí)信息以及其他信息例如硬件的剩余電量、剩余氧氣量等信息的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸，然后通過(guò)無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程指揮中心。通過(guò)對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行的數(shù)據(jù)信息傳輸試驗(yàn)，驗(yàn)證了此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人員監(jiān)測(cè)的可行性。

1 總體方案

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)需求的分析，考慮到低功耗要求、無(wú)線傳輸需求、外接無(wú)線模塊需求， MCU選擇了TI公司的超低功耗、高性能產(chǎn)品的CC430[4]芯片，擁有五種低功耗模式相組合，并具有射頻收發(fā)功能，其功耗僅為160 μA/MHz，可以有效地延長(zhǎng)電池使用時(shí)間和電池壽命。Ad Hoc模塊設(shè)計(jì)所用的是內(nèi)嵌無(wú)線移動(dòng)自組網(wǎng)Mesh協(xié)議的深圳捷訊易聯(lián)公司的YL_1110模塊。YL?1110N模塊既可以作為節(jié)點(diǎn)設(shè)備也可以作為網(wǎng)關(guān)設(shè)備，可以輕松組建最小2節(jié)點(diǎn)到成千上萬(wàn)節(jié)點(diǎn)的Mesh網(wǎng)絡(luò)。YL?1110N模塊應(yīng)用在低功耗自組網(wǎng)領(lǐng)域如傳感器網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線抄表、智能家居等領(lǐng)域，具有明顯的技術(shù)和價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

選用ADI公司的ADXL345[5]作為三軸加速計(jì)來(lái)測(cè)定能夠獲取三維方向上的加速度數(shù)值，從而判斷人體姿態(tài)。ADXL345可以對(duì)高達(dá)±16g的加速度進(jìn)行測(cè)量，并且分辨率高達(dá)13位。溫度傳感器選擇了DALLS公司生產(chǎn)的單總線溫度傳感器 DS18B20[6]，其分辨率可以隨著編程而改變，分辨率可以為9～12位，用于實(shí)現(xiàn)高精度的溫度檢測(cè)[7]。正壓式呼吸器的壓力傳感器選用HM2600，具有高集成化，高穩(wěn)定性的特點(diǎn)。使用于無(wú)腐蝕性氣體或液體介質(zhì)的測(cè)量，具有高低溫、震動(dòng)、熱沖擊和機(jī)械沖擊等惡劣環(huán)境中的實(shí)用性。利用6個(gè)LED燈來(lái)顯示呼吸機(jī)中的剩余氣量。同時(shí)加入了一個(gè)振動(dòng)器，防止消防員在復(fù)雜環(huán)境中不能發(fā)現(xiàn)聲光報(bào)警時(shí)，利用振動(dòng)器的振動(dòng)來(lái)警告消防員。

電源部分由于里面的芯片電壓要求基本都在3.3 V，所以選用電源管理芯片RT8009作為穩(wěn)壓3.3 V芯片，輸入電壓范圍從2.5～5.5 V，適合于用單節(jié)鋰電池供電的便攜式電子設(shè)備。外部電源考慮到便攜式設(shè)計(jì)，選用了可充電的2 400 mA·h的鋰電池供電。

系統(tǒng)信息采集硬件框圖如圖2所示。

圖2 信息采集硬件框圖

3 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是指一組無(wú)線移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的多跳的、臨時(shí)性的、無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施支持的無(wú)中心網(wǎng)絡(luò)。常見(jiàn)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)包括移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)（Mobile Ad Hoc Network，MANET）與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）等[8]。移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)不依賴(lài)預(yù)設(shè)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，其組成網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)都具有動(dòng)態(tài)組網(wǎng)能力，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是移動(dòng)的，并且都能以任意方式利用自身的無(wú)線收發(fā)裝置動(dòng)態(tài)地保持與其他節(jié)點(diǎn)的聯(lián)系。

無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)[9?10]采用私有按需輕量動(dòng)態(tài)多徑路由協(xié)議，此協(xié)議是針對(duì)硬件資源條件苛刻的移動(dòng)自組網(wǎng)設(shè)計(jì)的，適用于有移動(dòng)速度和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的本系統(tǒng)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。Mesh路由協(xié)議會(huì)綜合多種選擇算法進(jìn)行路由的篩選，包括距離矢量、信號(hào)質(zhì)量（鏈路狀態(tài)）和節(jié)點(diǎn)剩余電量?類(lèi) MMBCR（Min?Max Battery CostRouting）。

距離矢量算法根據(jù)目的地的遠(yuǎn)近來(lái)決定路徑，根據(jù)距離矢量算法可以找到兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的最近路徑，但不一定是最佳路徑。Mesh鏈路狀態(tài)路由算法選擇穩(wěn)定鏈路雖然距離會(huì)遠(yuǎn)一些，但是能保證報(bào)文傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性。類(lèi) MMBCR路由選擇需要充分考慮節(jié)點(diǎn)電池的電量，應(yīng)盡可能避開(kāi)電池電量低的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由。這樣避免出現(xiàn)某節(jié)點(diǎn)由于能量過(guò)度消耗出現(xiàn)死亡的情況，提高移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的生存能力[11]。

4 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)工作過(guò)程

無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的核心指導(dǎo)思想是讓網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送和接收信號(hào)。組網(wǎng)模塊的工作模式為使用NODE的MAC地址傳輸，這種工作模式下NODE 模塊報(bào)文發(fā)送的目的地址默認(rèn)為ROOT模塊，NODE模塊會(huì)自動(dòng)在從UART接收到的數(shù)據(jù)報(bào)文前添加該模塊的序列號(hào)。

微控制器（MCU）通過(guò)串行接口連接Ad Hoc模塊，數(shù)據(jù)端的串行數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)微控制器的串口發(fā)送到節(jié)點(diǎn)（NODE）模塊上。節(jié)點(diǎn)（NODE）開(kāi)機(jī)后就可以快速、自動(dòng)地組成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)（NODE）同時(shí)是一個(gè)路由器。NODE模塊會(huì)自動(dòng)在從UART接收到的數(shù)據(jù)報(bào)文前添加該模塊的序列號(hào)進(jìn)行多次中繼后和ROOT模塊建立數(shù)據(jù)無(wú)線連接，然后進(jìn)行Ad Hoc模塊間的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。

Ad Hoc模塊工作流程如圖3所示。

圖3 Ad Hoc工作流程圖

5 系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)過(guò)程

綜合消防員現(xiàn)場(chǎng)情況和功耗，硬件一直保持休眠模式，本系統(tǒng)采用10 s發(fā)一次數(shù)據(jù)。發(fā)送端設(shè)定定時(shí)器，9 s后退出休眠，打開(kāi)傳感器，第10 s發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送完后進(jìn)休眠。接收端第9 s退出休眠，一直等到接收到數(shù)據(jù)再進(jìn)入休眠，開(kāi)始計(jì)算時(shí)間。這樣不僅防止了數(shù)據(jù)的丟失，并且和發(fā)送端友好地進(jìn)行時(shí)序同步，還滿(mǎn)足設(shè)備的低功耗要求。

消防員進(jìn)入火場(chǎng)前在便攜式無(wú)線監(jiān)測(cè)器可以查看各個(gè)模塊的電量和剩余氣體可供使用時(shí)間，為了保證電子設(shè)備的正常以及電量充足。組網(wǎng)參數(shù)更改說(shuō)明如表1所示。

6 結(jié) 論

在進(jìn)行報(bào)警傳輸測(cè)試時(shí)，使用了5個(gè)NODE模塊作為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和1個(gè)ROOT模塊， ROOT節(jié)點(diǎn)位于沈陽(yáng)化工大學(xué)六號(hào)實(shí)驗(yàn)樓312室，5個(gè)NODE節(jié)點(diǎn)分別布于樓內(nèi)不同位置并可不時(shí)的移動(dòng)。當(dāng)消防隊(duì)員000002的壓力值設(shè)置為3.08 MPa（低于5 MPa），同時(shí)模擬消防隊(duì)員000002跌倒時(shí)，測(cè)試結(jié)果如圖4所示，報(bào)警原因是消防人員倒地，而且壓力過(guò)低?？刂票O(jiān)測(cè)器也顯示聲光振動(dòng)警報(bào)。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果

本文提出采集系統(tǒng)，可以改變目前單個(gè)消防隊(duì)員信息孤島的局面。該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具有很大的意義，數(shù)據(jù)的及時(shí)處理和傳輸在很大程度上保障了消防隊(duì)員的生命安全。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔣玲.實(shí)時(shí)信息資源：全新無(wú)線技術(shù)在消防救援中的應(yīng)用[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2012（3）：79?82.

[2] 王娟，肖兵，李利軍.基于CC430的無(wú)線油田監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù)，2013（4）：157?161.

[3] 李快快，張東.一種433 MHz無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].信息技術(shù)，2014（1）：131?134.

[4] 林凡強(qiáng)，馬曉茗.基于CC430無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)[J].測(cè)控技術(shù)，2012，31（8）：16?19.

[5] 郭敏，尹光洪，田曦，等.基于三軸加速度計(jì)的傾斜角傳感器的研究與設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（8）：173?177.

[6] 湘江.基于DS18B20的無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].信息技術(shù)，2014（2）：173?177.

[7] 覃鮮艷.基于DS18B20的無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[8] 黃浩軍，尹浩，陳和平，等.無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)能量感知地理路由協(xié)議研究進(jìn)展[J].軟件學(xué)報(bào)，2014，25（5）：1061?1064.

[9] 蘭鵬.基于無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究及實(shí)現(xiàn)[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)， 2014.

[10] 毛譽(yù)熹.無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)干擾感知路由技術(shù)研究[D].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2014.

[11] 何昌偉，劉大偉.Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中能量?jī)?yōu)化路由協(xié)議的研究[J].物流工程與管理，2014，36（2）：113?114.