涂新星

(吉安市消防支隊(duì),江西 吉安　343009)

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淺析ZigBee技術(shù)在火災(zāi)救援決策中的應(yīng)用

涂新星

(吉安市消防支隊(duì),江西 吉安343009)

隨著城市密度和人口活動(dòng)的活躍度不斷增強(qiáng)，火災(zāi)的發(fā)生也越加頻繁，而我國(guó)民眾的消防意識(shí)和應(yīng)對(duì)能力還較為薄弱，這給消防部門帶來了較大的工作負(fù)擔(dān)。對(duì)于滅火現(xiàn)場(chǎng)而言，可以采用現(xiàn)代化的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來輔助制定滅火救援決策。探討了ZigBee技術(shù)在滅火救援決策中的應(yīng)用，給出了具體的設(shè)計(jì)方案。

ZigBee;火災(zāi);滅火救援；決策

滅火救援決策工作是消防部隊(duì)需要重點(diǎn)考慮的方面。近年來，伴隨迅猛發(fā)展的現(xiàn)代化城市建設(shè)，大量具有流動(dòng)性、爆炸性、毀滅性的特殊火災(zāi)和惡性災(zāi)害事故頻繁發(fā)生，滅火救援工作重要性日益凸顯。合理的滅火救援方案能夠在一定程度上降低災(zāi)情損失，因此研制滅火救援決策輔助平臺(tái)，最大限度地獲取火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)信息并進(jìn)行深度分析研判，生成最優(yōu)的滅火救援方案，輔助消防部門決策，對(duì)提升滅火救援效率意義重大。

1　ZigBee通信技術(shù)及優(yōu)勢(shì)

ZigBee是基于 IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng)協(xié)議，是一種近距離、低復(fù)雜度、自組織網(wǎng)絡(luò)、低功耗、高數(shù)據(jù)速率的雙向無線通信技術(shù)，支持地理定位功能。ZigBee 是可多達(dá) 65 000 個(gè)無線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，十分類似于現(xiàn)有的移動(dòng)通信的 CDM 網(wǎng)或 GSM 網(wǎng)，每一個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊類似移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基站，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，它們之間可以進(jìn)行相互通信；每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75 m，到擴(kuò)展后的幾百米，甚至幾千米；另外整個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有的其他的各種網(wǎng)絡(luò)連接。與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)不同的是，ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要是為自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅本身可以與監(jiān)控對(duì)象連接，它還可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過來的數(shù)據(jù)資料。

ZigBee通信技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)有：(1)統(tǒng)一性非常高：國(guó)內(nèi)的頻段設(shè)置則是完全按照全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的2.4 GHz，其中歐洲與美國(guó)則略有不同；(2)低耗能：ZigBee不僅成本低于其他通信技術(shù)，在傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候所產(chǎn)生的能耗也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他通信技術(shù);(3)抗干擾：WiFi在日常生活、工作的使用中，可以很明顯的看出一旦有墻面阻隔或者電子信號(hào)的干擾，信號(hào)則會(huì)大大減弱，而ZigBee在這方面的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于WiFi；(4)價(jià)格低：ZigBee的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，并且制作標(biāo)準(zhǔn)也統(tǒng)一，因此制作成本便大幅度減少；(5)大容量：ZigBee是可以單獨(dú)成立的，而每一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)中至多可以支持將近7萬個(gè)設(shè)備；(6)拓?fù)渥杂桑篫igBee在應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)實(shí)處的時(shí)候，其結(jié)構(gòu)較為多樣，但是其自組性較強(qiáng)，因此大部分工作都可以實(shí)現(xiàn)智能特性；(7)通信距離易控制：ZigBee的先進(jìn)性導(dǎo)致其通信能力遠(yuǎn)超其他通信技術(shù)，在其經(jīng)過信號(hào)擴(kuò)展后，信號(hào)可散布5 km范圍左右，使得節(jié)點(diǎn)在位置設(shè)置的時(shí)候可以滿足一切工作需求。

2　ZigBee滅火救援決策設(shè)計(jì)

2.1救援決策總體結(jié)構(gòu)

滅火救援決策管理系統(tǒng)主要分為兩大部分，一是滅火救援決策信息和控制命令的轉(zhuǎn)發(fā)階段，二是基于Android的滅火救援決策系統(tǒng)。在本文中，滅火救援決策系統(tǒng)分PC端和Android終端，PC端系統(tǒng)可采用C/C++等高級(jí)語言開發(fā)。

從圖1可以看出，滅火救援決策環(huán)境中可以看成每一片區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。在滅火救援管理過程中，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)采集區(qū)域內(nèi)的所有終端節(jié)點(diǎn)信息，通過物理鏈路將信息傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)指揮中心(滅火救援決策系統(tǒng)PC端)，再利用通信指揮車的通信設(shè)備將信息(GPRS/3G/4G/衛(wèi)星等傳輸方式)發(fā)送到Web服務(wù)器上，Web服務(wù)器通過HTTP協(xié)議向Android發(fā)送數(shù)據(jù)信息。當(dāng)節(jié)點(diǎn)采集到對(duì)應(yīng)的緊急情況信息時(shí)，則通過XML發(fā)送到Android端。

圖1　系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2終端平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)

2.2.1數(shù)據(jù)信息模塊

信息查詢是為了實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)也能夠查詢對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)信息，指戰(zhàn)員可以實(shí)時(shí)查看災(zāi)情各節(jié)點(diǎn)信息，全面掌握災(zāi)情現(xiàn)場(chǎng)情況，科學(xué)下達(dá)滅火救援指令。

2.2.2推送功能模塊

基于Android的XMPP數(shù)據(jù)推送服務(wù)是一種主動(dòng)式提醒服務(wù)，在本文的滅火救援決策管理系統(tǒng)中，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)緊急事件信息進(jìn)行主動(dòng)式提醒，通過XMPP協(xié)議向終端用戶發(fā)送對(duì)應(yīng)的消息。

2.2.3設(shè)備控制模塊

消防設(shè)備控制管理模塊的功能是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)滅火救援決策實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制功能，如發(fā)送控制命令自動(dòng)開啟災(zāi)情報(bào)警器等動(dòng)作,如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

2.3協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.3.1協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，也是聯(lián)通采集終端和滅火救援決策系統(tǒng)的重要平臺(tái)，在此節(jié)點(diǎn)上主要是負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的初始化建立、網(wǎng)絡(luò)管理和數(shù)據(jù)交互功能。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)上集成了GPS模塊，實(shí)時(shí)地向滅火救援決策系統(tǒng)和后方指揮中心發(fā)送定位信息。由于考慮到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的任務(wù)量較大，對(duì)于主控芯片的要求較高，因此本文中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)還集成了相應(yīng)的單片機(jī)模塊來輔助節(jié)點(diǎn)的工作，如圖3。

圖3　協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)圖

2.3.2節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)方案

在一個(gè)自組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)的建立與管理者，是獨(dú)立存在且唯一的。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)框架如圖4所示，可以看出協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件業(yè)務(wù)主要包括對(duì)網(wǎng)絡(luò)的組建、通信和數(shù)據(jù)處理操作(主要為數(shù)據(jù)融合)。

圖4　協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件總體框架

2.4終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.4.1終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

在本文的滅火救援決策管理系統(tǒng)中，終端節(jié)點(diǎn)的作用主要是負(fù)責(zé)系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)的采集與傳輸功能，節(jié)點(diǎn)的硬件模塊則首先需要具有數(shù)據(jù)采集的功能，在本文的設(shè)計(jì)中，由于滅火救援決策需要采集非常多類型的數(shù)據(jù)信息，這取決于滅火救援應(yīng)用的各個(gè)方面，由于系統(tǒng)功能和研究方向問題，我們以氣體濃度傳感器來闡述節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在災(zāi)情現(xiàn)場(chǎng)中，傳感器所采集到的模擬信號(hào)需要轉(zhuǎn)換和調(diào)理成數(shù)字信號(hào)發(fā)送到CC2530主控芯片，主控芯片對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行融合等操作后通過內(nèi)嵌的ZigBee通信模塊發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，如圖5，當(dāng)然節(jié)點(diǎn)上需要電源模塊來保持節(jié)點(diǎn)工作。

圖5　終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

2.4.2數(shù)據(jù)采集處理

在終端節(jié)點(diǎn)模塊，對(duì)于氣體濃度數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)發(fā)送主要是由氣體濃度傳感器和CC2530芯片來進(jìn)行的。在系統(tǒng)初始化以后，系統(tǒng)的上位機(jī)模塊(也就是本文中設(shè)計(jì)的滅火救援決策系統(tǒng))會(huì)向采集終端發(fā)送相應(yīng)的控制命令，設(shè)定節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集周期，當(dāng)采集周期到達(dá)后，由主控芯片喚醒節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和發(fā)送工作，在此過程中，采集信息的模擬信號(hào)會(huì)進(jìn)經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、濾波融合等處理，并通過ZigBee模塊發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)去，見圖6。

圖6　數(shù)據(jù)采集與處理流程

3　ZigBee滅火救援決策方案

3.1系統(tǒng)方案

滅火救援輔助決策系統(tǒng)包含滅火計(jì)算、信息查詢、模糊決策、災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)信息存儲(chǔ)(為戰(zhàn)評(píng))等功能，通過在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)布置ZigBee終端，實(shí)時(shí)有效地采集災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，讓后方指戰(zhàn)員更高效地對(duì)災(zāi)害事故發(fā)展程度、趨勢(shì)預(yù)測(cè)和現(xiàn)有滅火救援實(shí)力進(jìn)行評(píng)估，更科學(xué)地開展力量部署和實(shí)施技戰(zhàn)術(shù)方案。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需解決的關(guān)鍵內(nèi)容如下：

3.1.1基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的滅火救援決策區(qū)域數(shù)據(jù)采集。對(duì)于災(zāi)情發(fā)生區(qū)域數(shù)據(jù)的采集方面，本文采用基于ZigBee通信技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，通過部署在災(zāi)情現(xiàn)場(chǎng)的終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)信息的獲取和處理，并發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)指揮部，總隊(duì)、支隊(duì)消防指揮中心和其他管理的手機(jī)APP等滅火救援決策系統(tǒng)上。

3.1.2基于Android的滅火救援決策管理APP系統(tǒng)。采用基于安卓設(shè)備的MIS(Management Information System)系統(tǒng)來進(jìn)行滅火救援決策信息的管理，移動(dòng)設(shè)備端滅火救援決策管理APP是現(xiàn)代移動(dòng)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，能夠大大增強(qiáng)滅火救援決策管理的實(shí)時(shí)性。

3.1.3基于XMPP的數(shù)據(jù)推送技術(shù)。通過采用基于XMPP協(xié)議的數(shù)據(jù)推送服務(wù)，當(dāng)滅火救援決策監(jiān)測(cè)終端發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)過渡超標(biāo)、生命信號(hào)等緊急情況時(shí)系統(tǒng)能夠第一時(shí)間發(fā)送推送信息給APP客戶端(如圖7所示)。

圖7　系統(tǒng)總體方案示意圖

3.2功能設(shè)計(jì)

在災(zāi)情現(xiàn)場(chǎng)救援中，現(xiàn)場(chǎng)指揮部需要實(shí)時(shí)采集災(zāi)情現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)信息用于輔助決策。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)指揮部的決策系統(tǒng)中，系統(tǒng)將自動(dòng)采集信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出最優(yōu)結(jié)果，并將結(jié)果傳輸?shù)絎eb服務(wù)器和后方消防支隊(duì)指揮中心。Web服務(wù)器采用XMPP協(xié)議將數(shù)據(jù)信息主動(dòng)推送到現(xiàn)場(chǎng)指揮員的設(shè)備終端(基于Android系統(tǒng)的滅火救援輔助終端)，如圖8所示。

圖8　數(shù)據(jù)傳輸流程

3.2.1終端節(jié)點(diǎn)布置和數(shù)據(jù)傳輸

本文以筆者所處的支隊(duì)為例，大多數(shù)基層中隊(duì)在處置災(zāi)情時(shí)，通常采取人工方式對(duì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)周邊的數(shù)據(jù)采集，這種采集方式存在以下幾點(diǎn)不足：一是災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)不及時(shí)、傳輸效率低；二是災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)可利用率低，不能全面客觀體現(xiàn)災(zāi)情情況；三是災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集危險(xiǎn)性高，極其容易對(duì)采集人員造成不必要的傷亡。采用ZigBee終端節(jié)點(diǎn)模塊對(duì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)周邊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可有效地避免以上問題發(fā)生。

通常在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)布置終端節(jié)點(diǎn)主要考慮當(dāng)前災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)向、風(fēng)力和濕度等自然因素，當(dāng)全勤指揮部到達(dá)災(zāi)情現(xiàn)場(chǎng)后根據(jù)不同的災(zāi)害類型和現(xiàn)場(chǎng)情況，劃分滅火救援?dāng)?shù)據(jù)采集圈。在撲救火災(zāi)時(shí)，布置火場(chǎng)的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)數(shù)根據(jù)過火面積的長(zhǎng)和寬來決定；在處置有毒氣體泄漏災(zāi)情時(shí)，主要由現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)向、風(fēng)力、空氣濕度和氣體密度來決定采集節(jié)點(diǎn)數(shù)量和位置，風(fēng)向決定泄漏氣云擴(kuò)散的主要方向，風(fēng)速影響泄漏氣云的擴(kuò)散速度和被空氣稀釋的速度，若無風(fēng)天，則泄漏氣體以泄漏源為中心向四周擴(kuò)散。圖9為在無風(fēng)天情況下，有毒氣體泄漏災(zāi)情區(qū)域的節(jié)點(diǎn)布置圖。

圖9　無風(fēng)天的氣體泄漏區(qū)域節(jié)點(diǎn)布置圖

在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行終端節(jié)點(diǎn)部署，分粗調(diào)和細(xì)調(diào)兩部分，當(dāng)全勤指揮部到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，首先要根據(jù)災(zāi)情當(dāng)前所處的階段，風(fēng)向、風(fēng)力和濕度等數(shù)據(jù)，初步計(jì)算出終端采集節(jié)點(diǎn)部署位置，并開始節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)。后方指揮部在獲取到現(xiàn)場(chǎng)終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)后，重新對(duì)終端采集節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行部署，設(shè)置二級(jí)報(bào)警和一級(jí)報(bào)警臨界點(diǎn)，劃分警戒區(qū)域?？紤]到災(zāi)情現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境復(fù)雜多變，數(shù)據(jù)報(bào)警臨界點(diǎn)和警戒區(qū)域的劃分會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化，后方指揮員需要及時(shí)對(duì)終端采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位置調(diào)整。終端節(jié)點(diǎn)的位置調(diào)整除靠人工移動(dòng)外，還可以考慮給終端節(jié)點(diǎn)安裝可遠(yuǎn)程控制的車輪,提高采集終端節(jié)點(diǎn)的靈活性。

3.2.2緊急聯(lián)動(dòng)裝置

在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，電臺(tái)、電話等通訊方式極為繁雜，滅火救援輔助平臺(tái)在特殊情況下將自動(dòng)開啟緊急聯(lián)動(dòng)裝置及時(shí)向前方指戰(zhàn)員傳達(dá)緊急指令，最大限度地減少現(xiàn)場(chǎng)人員傷亡。同時(shí)緊急聯(lián)動(dòng)裝置還可以接受后方指揮中心和前方指戰(zhàn)員終端的命令信息，如發(fā)送控制命令自動(dòng)開啟有毒氣體超標(biāo)報(bào)警器等動(dòng)作，如圖10。

圖10　緊急聯(lián)動(dòng)裝置模塊流程圖

3.2.3數(shù)據(jù)信息查詢和推送

推送信息功能是基于Android的XMPP數(shù)據(jù)推送服務(wù)是一種主動(dòng)式提醒服務(wù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)緊急事件信息進(jìn)行主動(dòng)式提醒，當(dāng)相關(guān)節(jié)點(diǎn)采集到的救援決策數(shù)據(jù)信息超過預(yù)設(shè)的閾值信息時(shí)系統(tǒng)通過XMPP協(xié)議主動(dòng)向終端用戶發(fā)送對(duì)應(yīng)的消息。信息通過滅火救援決策系統(tǒng)查詢對(duì)應(yīng)的災(zāi)情部署區(qū)域節(jié)點(diǎn)的采集信息，也可通過Android端或者PC(電腦)端觸發(fā)的通信服務(wù)請(qǐng)求，如遠(yuǎn)程查詢區(qū)域的有毒氣體濃度等數(shù)據(jù)信息。

4　結(jié)束語

本文對(duì)滅火救援決策管理方案進(jìn)行了詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)，并對(duì)終端平臺(tái)和節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行了具體的分析，但由于災(zāi)情現(xiàn)場(chǎng)不定因素較多，突發(fā)事件發(fā)生較為頻繁，針對(duì)于不同應(yīng)用場(chǎng)景和需求下的滅火救援決策研究?jī)?nèi)容還需要進(jìn)一步細(xì)化，通過在災(zāi)情中的多次實(shí)踐，可初步形成滅火救援輔助決策模板，提高指戰(zhàn)員的滅火救援效率和決策能力。

[1] 《消防火災(zāi)預(yù)防學(xué)理論與實(shí)踐》編委會(huì).消防火災(zāi)預(yù)防學(xué)理論與實(shí)踐[M].北京：中國(guó)人民大學(xué)出版社,2013.

[2] Rod Johnson,Juergen Hoeller.J2EE Development without EJB[M],2013：36-38.

[3] ZigBee Alliance. ZigBee Specification Version 1.0 ZigBee Document 053474r06[S]. December 14th,2004.

[4] 程春榮．基于ZigBee技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D]．杭州：杭州電子科技大學(xué),2009.

[5] 羅震．Android平臺(tái)環(huán)境下應(yīng)用程序架構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]．武漢：華中科技大學(xué)，2009.

(責(zé)任編輯陳華)

On the Application of ZigBee to the Fire-fighting Decision-making

TU Xinxing

(Ji’anMunicipalFireBrigade,JiangxiProvince343009,China)

With the increase of cities and the city population, fires increase frequently. However, there is no increase of people’s awareness of fire prevention, which adds much burden to the fire departments. It is suggested that the internet of things be adapted to aid for a fire fighting decision on the spot. The paper offers the specific planning and design.

ZigBee; fire fighting; fire rescue; decision

2016-05-22

涂新星(1986—)，男，江西吉安人，助理工程師。

●滅火救援技術(shù)

D631.6

A

1008-2077(2016)08-0032-05