程 瑤 韓成浩

(1:吉林建筑大學電氣與電子信息工程學院，長春 130118;2:吉林省建筑電氣綜合節(jié)能重點實驗室，長春 130118)

0 引言

現(xiàn)行的消防系統(tǒng)由探測器(感煙探測器、感溫探測器、火焰探測器)、手動報警裝置(手動報警按鈕)和報警控制器(區(qū)域報警、集中報警、控制中心報警)組成．在火災發(fā)生時系統(tǒng)能第一時間通過探測器探測到火災發(fā)生的位置，并通過聯(lián)動控制立即采取一系列營救措施．但是，現(xiàn)行的火災自動報警和消防聯(lián)動控制系統(tǒng)不具備對被困人員的定位和跟蹤功能，高層建筑又具有人員相對集中、占地面積少等特點，因此發(fā)生火災時，火勢蔓延非常快，會造成樓內(nèi)人員疏散和搜救困難以及群死群傷等一系列問題，給國家?guī)韲乐氐慕?jīng)濟損失和社會問題．為此，本系統(tǒng)利用ZigBee無線定位技術、CAN總線技術，可實現(xiàn)高層建筑被困人員準確定位，為救援人員第一時間內(nèi)進行撲救提供有利條件．

1 智能消防控制系統(tǒng)的總體方案

利用ZigBee技術、無線定位技術和CAN總線技術，對高層建筑被困人員進行準確定位研究．每層采用ZigBee無線通信，樓層之間采用CAN總線通信技術．系統(tǒng)的總體設計方案如圖1所示．

火災發(fā)生初期，探測器將溫度和煙霧濃度等信號送區(qū)域報警控制器處理，判斷．確定發(fā)生火情后，發(fā)出報警信號，傳報警信息到消防控制中心，消防控制中心記錄火災信息后，顯示報警部位，協(xié)調(diào)聯(lián)動控制:①開啟疏散警鈴，開啟消防廣播疏散人員;②開啟排煙系統(tǒng)，開啟空調(diào)機組;③開啟緊急疏散指示照明燈;④迫降電梯到底層，普通電梯停止運行，消防梯投入運行;⑤當火場溫度上升到一定值時，自動噴水滅火系統(tǒng)動作．

定位節(jié)點通過探測人的體溫和脈搏獲取人的位置，并把數(shù)據(jù)傳送給參考節(jié)點．參考節(jié)點接受數(shù)據(jù)并計算出準確位置后傳輸給各樓層的網(wǎng)管系統(tǒng)，然后匯總到控制中心計算機．控制中心接受到所有數(shù)據(jù)后結(jié)合周圍火災情況進行統(tǒng)籌規(guī)劃，確定現(xiàn)場疏散、逃生路線，以及被困人員營救計劃．

圖1 系統(tǒng)總體設計方案

2 消防報警系統(tǒng)的硬件設計

2．1 參考節(jié)點的設計

參考節(jié)點是一個固定位置的參考點，為定位點通過一個參考位置和信號強度值．在定位系統(tǒng)中，直接連接在電池板上，通電便可使用．參考節(jié)點是一個靜止的知道自己位置的節(jié)點(CC2430)，這個節(jié)點必須正確的配置在定位區(qū)域中的位置．它的任務是提供一個包含自己位置X，Y坐標和RSSI值(接收信號的強度指示)的信息包給移動接點，數(shù)量為8個［1］．

此外，參考節(jié)點還有感煙功能，利用感煙探測器來探測空氣中煙霧濃度，從而達到報警的功能．

2．2 定位節(jié)點的設計

定位節(jié)點也就是盲節(jié)點，通過獲取參考節(jié)點和A、N值利用自身的定位引擎來計算自己的位置．在定位系統(tǒng)中，和參考點相同，直接連接在電池板上，通電便可使用．定位節(jié)點能夠與離自己最近的參考節(jié)點通話，二者之間通過ZigBee無線技術連接，收集這些節(jié)點的X，Y坐標和RSSI值，根據(jù)這些信息和輸入?yún)?shù)(A，N)一起計算自己位置信息，然后將適當?shù)男畔l(fā)送給網(wǎng)關，通過網(wǎng)關與計算機形成另一個直觀的系統(tǒng)［2］．

定位節(jié)點的作用是利用溫度傳感器和壓電傳感器來檢測人的體溫和脈搏，以此來探測人的位置，并把數(shù)據(jù)通過ZigBee無線傳感器傳送給參考節(jié)點．

2．3 網(wǎng)關與控制中心計算機

網(wǎng)關首要接收由監(jiān)控軟件提供的各參考接點和移動接點的配置數(shù)據(jù)，并發(fā)送給相應的節(jié)點;其次，還要接收各節(jié)點反饋的有效數(shù)據(jù)并傳輸給監(jiān)控軟件．控制中心計算機主要負責各種數(shù)據(jù)信息的匯總、各種設備的聯(lián)動及逃生路線的規(guī)劃等．

2．4 聯(lián)動控制部分

消防聯(lián)動控制系統(tǒng)是火災自動報警系統(tǒng)中的一個重要組成部分．通常包括消防聯(lián)動控制器、防排煙系統(tǒng)、應急疏散指示照明、消防廣播、消火栓控制系統(tǒng)、干式滅火系統(tǒng)等．當確認發(fā)生火災時，消防聯(lián)動控制器啟動上述相關的系統(tǒng)和設備，進行滅火和被困人員的疏導．

3 搜救目標的定位和跟蹤

在發(fā)生突發(fā)事件時，Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡中，根據(jù)網(wǎng)絡和節(jié)點自身的特點，想要在復雜條件下得到節(jié)點精確地位置信息，必須采用獨特的定位算法對節(jié)點進行定位．目前按照距離分類可將定位算法分為基于測距的定位算法和非基于測距的定位算法［3］．基于測距的定位算法相對于非基于測距的定位算法而言，定位精度比較高．基于三邊定位原理如圖2所示．

當無線網(wǎng)絡中有n(n≥3)個節(jié)點時，根據(jù)每個節(jié)點的坐標值和距未知節(jié)點(即搜救人員)的距離，可建立下列方程:

圖2 測量示意圖

整理成線性方程組AX=B形式．求解矩陣方程可以得到未知節(jié)點的坐標［4］．定位節(jié)點與參考節(jié)點二者之間通過ZigBee無線技術連接，記錄這些節(jié)點的X，Y坐標和RSSI值，計算出定位節(jié)點所在位置信息，將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制中心，控制中心將各數(shù)據(jù)匯總，然后安排好逃生路線．

4 結(jié)語

本文闡述了新型智能消防報警定位系統(tǒng)的設計方案，并對參考節(jié)點設計、定位節(jié)點設計、ZigBee路由器、控制中心計算機、搜救目標的定位和跟蹤進行了詳細的介紹．通過設計將人員定位功能加入到系統(tǒng)中，與消防報警功能結(jié)合，在火災發(fā)生時能更好地發(fā)揮報警、人員定位、跟蹤等功能，從而降低火災搶救難度，最大程度地保護人的安全，將損失降低到最小．

［1］彭宇倩．基于ZigBee室內(nèi)定位的智能導游系統(tǒng)研究［D］．廣州:廣州工業(yè)大學，2013．

［2］戚美月．高層建筑被困人員準確定位和疏導系統(tǒng)研究［D］．長春:吉林建筑大學，2014．

［3］程 帥．基于ZigBee的無線定位系統(tǒng)的研究［D］．長春:長春理工大學，2012．

［4］戚美月．高層建筑被困人員準確定位和疏導系統(tǒng)研究［J］．建筑電氣，2013(9):49．