張俊 陳偉利

（吉林建筑大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130000）

目前，我國(guó)建筑樣式多樣化，高層建筑也越來越多。這類建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，而且人員復(fù)雜且流通量大。容易發(fā)生意外災(zāi)害，對(duì)當(dāng)下定位與導(dǎo)航的需求日益增大，特別是在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，高層樓宇搶險(xiǎn)搜救等行業(yè)中有著更高更多的要求。但是受定位時(shí)間、定位精度以及復(fù)雜環(huán)境等條件的限制，缺少準(zhǔn)確靈敏的定位，而且若受困人員位置發(fā)生改變，無法及時(shí)反饋給救援人員，消防人員只能進(jìn)行低效且有一定風(fēng)險(xiǎn)的經(jīng)驗(yàn)式黑箱救援。不僅使救援效率低下，也增加了救援人員的救援風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致不必要的人員和財(cái)產(chǎn)損失，所以一套能夠準(zhǔn)確定位受困人員與救援人員位置的系統(tǒng)亟待建立。

本次研究就基于ZigBee 技術(shù)建立一款實(shí)用的室內(nèi)消防人員定位系統(tǒng)。目前，在一定程度上ZigBee 比WiFi、藍(lán)牙等常用定位技術(shù)更加穩(wěn)定，且ZigBee 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易維護(hù)，靈活性也較高，而且成本和功耗方面均較低，使其在建筑物室內(nèi)定位方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，成為了近幾年室內(nèi)人員定位研究方面的熱點(diǎn)。

1 ZigBee 技術(shù)分析

ZigBee 作為興起的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要運(yùn)用于短距離通訊，它有著單獨(dú)的無線電標(biāo)準(zhǔn)，并且應(yīng)對(duì)時(shí)代的發(fā)展，低功耗，低成本，傳感器的體積也較小，通過傳感器相互協(xié)助組成的無線網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)對(duì)盲點(diǎn)的定位。

ZigBee 技術(shù)越來越被眾多企業(yè)看好，也是由于其自身強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)所決定的。（1）低功耗：在平常非工作狀態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，只需極少電能維持控制芯片的運(yùn)作，但當(dāng)發(fā)生突發(fā)情況時(shí)，可以第一時(shí)間被喚起，轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)。ZigBee 信號(hào)的收發(fā)時(shí)間短，數(shù)據(jù)傳輸量較小，耗費(fèi)的功率低。一般一節(jié)5 號(hào)電池可以使用高達(dá)1 年左右的時(shí)間；（2）低成本：ZigBee 協(xié)議效率高，用在低速率環(huán)境下，普通節(jié)點(diǎn)只占用8 位的CPU，4KB 的ROM 即可完成基本功能，而且其工作頻段是免執(zhí)照的，使用協(xié)議也不需要付專利費(fèi)；（3）高可靠性:ZigBee 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)同時(shí)采用DSSS 和OQPSK 技術(shù)，物理層兼容IEEE802.11.5 短程無線通信協(xié)議，可靠性高；為了解決數(shù)據(jù)沖突問題，采用了CSMA-CA 技術(shù)，并采用16 位CRC 來保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；采用應(yīng)答方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，確保數(shù)據(jù)能正確到達(dá)目的地址;（4）安全性高：ZigBee 擁有三級(jí)安全措施防護(hù)，安全性能更高。最高級(jí)采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）對(duì)稱密鑰來保障數(shù)據(jù)傳輸。且還具有短延時(shí)、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)。

鑒于上述優(yōu)勢(shì)選定了ZigBee 技術(shù)作為本次定位系統(tǒng)基礎(chǔ)技術(shù)。

2 ZigBee 定位系統(tǒng)框架

如圖1 所示（僅以一個(gè)防火分區(qū)為例介紹本次定位系統(tǒng)框架），本次定位系統(tǒng)主要由參考節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（盲點(diǎn)）、路由器、網(wǎng)關(guān)、上位機(jī)構(gòu)成。參考節(jié)點(diǎn)必須固定在防火分區(qū)內(nèi)的合適位置，且已知其固定坐標(biāo)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)多次發(fā)送RSSI 請(qǐng)求給參考節(jié)點(diǎn)，參考節(jié)點(diǎn)取其平均值然后往回傳。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以嵌入人員的工作牌、手環(huán)等隨身物品當(dāng)中，且需隨身攜帶。加入網(wǎng)絡(luò)后將其數(shù)據(jù)傳入路由器，路由器傳遞給協(xié)調(diào)器（協(xié)調(diào)器組建子網(wǎng)絡(luò)），協(xié)調(diào)器與WiFi 無線通信模塊結(jié)合組成網(wǎng)關(guān)，把接收到的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位數(shù)據(jù)經(jīng)過WiFi 無線通信模塊傳入以太網(wǎng)[2]，再通過云端處理，利用定位算法計(jì)算出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)坐標(biāo)，通過消防部門終端界面使救援人員和現(xiàn)場(chǎng)指揮人員能實(shí)時(shí)了解受困人員及救援人員的位置，也能結(jié)合路徑規(guī)劃算法規(guī)劃最優(yōu)救援路徑。

圖1 ZigBee 定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

3 定位算法設(shè)計(jì)

本次主要使用預(yù)設(shè)測(cè)距定位算法，盲節(jié)點(diǎn)廣播RSSI 信息后，上位機(jī)根據(jù)各個(gè)參考盲點(diǎn)的不同位置以及不同的RSSI 值，計(jì)算傳播損耗將其轉(zhuǎn)化為距離[3]。其公式如下：

式中：ln——所述參考點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離；

C——距離為1 m 的兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)的RSSI 值，通常取40～45之間；

d——環(huán)境衰減因子，是個(gè)需要測(cè)量的參數(shù)，其數(shù)值隨環(huán)境的改變而變化；

RSSI——兩個(gè)相互通信的ZigBee 芯片的信號(hào)強(qiáng)度值。

為了定位的更加精確，在一個(gè)防火分區(qū)里固定4 個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，列出方程如下：

其中l(wèi)j(j=1,2,3,4) 為盲節(jié)點(diǎn)到參考節(jié)點(diǎn)的距離，xj(j=1,2,3,4）為盲節(jié)點(diǎn)到4 個(gè)參考節(jié)點(diǎn)x 軸的直線距離，yj(j=0,1,2,3）為盲節(jié)點(diǎn)與4 個(gè)參考節(jié)點(diǎn)y 軸的直線距離。利用最小二乘法將其修改為DX=H 的形式[2]：

運(yùn)用最小均方差的方法計(jì)算得盲節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為X，這樣，就可以確定室內(nèi)人員的位置：

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)需要人隨身攜帶，因此要盡量體積小、質(zhì)量輕、節(jié)能。所以CPU 采用CC2530 芯片，硬件設(shè)計(jì)圖2 如所示。TI公司生產(chǎn)的該處理器具有靈活強(qiáng)大的的開發(fā)工具，且有低功耗、高性能等優(yōu)勢(shì)，符合24GHz IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)良的無限接收靈敏度和抗干擾性能2.4G RF 收發(fā)器[4]。基于以上原因，本系統(tǒng)將其用于盲節(jié)點(diǎn)（移動(dòng)節(jié)點(diǎn)）、參考節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)關(guān)中。

圖2 CC2530 設(shè)計(jì)圖

圖3 盲節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖

圖4 固定節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖

Zigbee 節(jié)點(diǎn)可采用充電式鋰電池作為其工作電源，供電電壓為3.3V，如圖3 為盲節(jié)點(diǎn)實(shí)物示例圖。本系統(tǒng)中，固定節(jié)點(diǎn)可不采用蓄電池供電，此為試驗(yàn)方便，所以采用鋰電池供電如圖4所示。

在測(cè)試過程中選用了一個(gè)10.8m×6.9m 的房間作為測(cè)試地點(diǎn)，在房間的四個(gè)角放置4 個(gè)Zigbee 固定節(jié)點(diǎn)，將盲節(jié)點(diǎn)在房間內(nèi)隨機(jī)移動(dòng)，用C#做界面，網(wǎng)關(guān)通信用Socket，利用GDI+繪圖和圖像顯示功能設(shè)置固定節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)并且顯示盲節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)位置[5]。多次測(cè)試后顯示，定位誤差在50～85cm,基本滿足定位需求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了以ZigBee 節(jié)點(diǎn)技術(shù)為基礎(chǔ)的室內(nèi)消防人員定位系統(tǒng)，運(yùn)用了預(yù)設(shè)測(cè)距定位算法，對(duì)系統(tǒng)整體的框架做了設(shè)計(jì)。所運(yùn)用的ZigBee 技術(shù)具有安全穩(wěn)定、低功耗低成本、響應(yīng)間隔短（即從非工作狀態(tài)切換到工作狀態(tài)所需時(shí)間短）等優(yōu)點(diǎn)，以CC2530 作為Zigbee 芯片，經(jīng)過測(cè)試，基本能夠勝任于火災(zāi)環(huán)境下的定位。如果該系統(tǒng)經(jīng)過更加全面的優(yōu)化后，將能為我國(guó)消防救援事業(yè)提供不小助力。