基于ZigBee技术的数据通讯优化在高层建筑消防逃生中的研究*

陈　鹏　韩成浩　秦　颖　王香童　刘东宇　李　皓

(吉林建筑大学电气与电子信息工程学院,长春　130118)



基于ZigBee技术的数据通讯优化在高层建筑消防逃生中的研究*

陈鹏韩成浩秦颖王香童刘东宇李皓

(吉林建筑大学电气与电子信息工程学院,长春130118)

摘要：本文阐述了高层建筑消防逃生中ZigBee定位系统和数据传输中的优化方法,根据高层建筑火灾特点和人员数量的庞大性,对ZigBee路由路径的分析，提出了从优化路由路径入手解决数据大量传输时数据延迟的问题.

关键词：ZigBee定位；数据传输；路由路径；路径优化

0引言

随着人们生产生活水平的提高和国内建筑行业的日益发展,高层建筑在各大城市拔地而起，由此带来了许多安全问题.火灾在城市中蔓延速度越来越快,给人们生活造成了极大的损失和伤害.为了降低突发事故中人员伤亡人数,国内的专家、学者精心研究,设计了一种基于物联网技术的高层建筑人员定位和疏导系统.系统利用ZigBee技术、CAN总线技术和目标定位算法,能准确的定位被困人员的位置信息,了解被困人员的生命体征.由于高层建筑人员众多,因此在数据传输过程中,必然会造成数据的拥堵与延迟,甚至可能造成系统的瘫痪,严重影响正常的疏导工作.为此，本文主要探讨高层建筑消防逃生中人员信息传输的数据通讯优化.

1高层建筑救援中人员定位与传输

高层建筑中的人员可以每个人佩戴一枚装有ZigBee终端节点的胸牌,ZigBee终端节点中包含了感烟模块、读卡模块、温度传感模块、湿度传感模块.该节点主要是为了采集对应区域人员信息、温度和环境湿度、烟雾浓度等,并由CAN总线和ZigBee路由器相配合，将生命体征信息和环境信息送达至控制中心.利用ZigBee路由和终端节点相配合,对应各自的ID号.可以有效的确定被定位人员在楼宇中的具体位置信息,为疏导和救援提供保证.图1为其系统图[1].

图1 ZigBee救援系统

ZigBee路由器布置于各楼层.根据楼宇的结构特点,每个楼层至少放置一个路由器.ZigBee终端节点的数据信息主要由ZigBee路由器负责接收.ZigBee终端节点的摆放位置和楼宇内结构特点决定了ZigBee路由器和ZigBee终端节点之间的通信链路,但信息传输协议是不变的.因此，在高层人员信息大量传输的过程中就会造成信息的堵塞和延迟,严重会使系统通讯瘫痪,造成不可预计的损失.

2数据通讯中的优化

ZigBee数据信息在发送中,建立的无线局域网络为准确的数据传输提供了必要的路径条件.主要有两种路由方法：一种为线性路由，以Cluster-Tree路由为代表；另一种为非线性路由，以AODVjr路由为代表.

2.1　Cluster-Tree路由算法

当新的路由节点和终端节点加入ZigBee网络中时,网络中原有的节点会按照节点之间的父子关系给予新节点地址.完备的网络中,节点网络所在区域是确定的,簇树状网中,协调器在网络中根据实际情况确定.

在该算法中,由于树状结构特点,节点存在父节点和子节点,在传输过程中,必须明确节点之间的父子关系,判断是否为本节点的后代时,公式为:

(1)

式中,A为路由节点在执行判断时的网络地址;D为目的节点的网络地址;Cskip(d)为在地址分配中子节点的偏移量.

当上述判断式成立时,此次地址成功分配给目的节点;当上述判断式不成立时,则该节点的父节点为下一跳地址[2].

2.2　AODVjr路由算法

AODVjr算法在执行路由功能时主要进行路由路径的发起.路由路径建立完成后即可进行数据传输,该路由协议的路由建立过程如图2所示.AODVjr算法中RREQ控制分组,已知上级节点接收不到目的节点路由的中继节点的回复RREP分组,只有当路由发起的请求被目的节点接收后,RREP分组才能根据实际请求收到本节点的回复.在AODVjr算法中,检测到通讯链路断开之后,只有发起路由的源节点才会收到RERR控制分组请求,本条路径失效.当节点再次发出通信请求时,令该节点发起路由,路由表再次更新[3].

图2 AODVjr路由建立过程

2.3　路由算法存在的问题

ZigBee网络中,选择Cluster-Tree路由协议能够保证形成相对稳定的路由方式,而且可以确保路由节点之间数据传送的稳定性[4].AODVjr确保数据在短时间内完成在节点之间的有效传送,但是因为AODVjr算法的特征性.由图2可以发现,多余的控制组广播会由节点在发起路由路径请求时生成,如果节点数量很多,必然会产生多余的能量浪费.

Cluster-Tree的优点在于实现简单,初始延迟小.缺点是路径非最佳；AODVjr优点适应性差，为路由路径最佳,但需要路由表,能量开销大.

2.4　算法的改进

当目标节点收到源节点发送数据的请求时,由源节点首先发起路由申请，并检测目标节点是否在源节点的邻居表内,若源节点邻居表内存在目标节点,则直接传送完成通信.否则,继续计算出目标节点所在的父节点地址,本节点簇首中如果存在父节点地址转向执行Cluster-Tree算法将数据传输至目标节点,通信结束.如果父节点地址不在本节点簇时,上一级节点将接收数据.当簇首节点为该节点时,簇首节点执行AODVjr算法并发起路由,若非簇首节点,则重新检测目标节点地址是否在自身邻居表内;

当中继节点收到数据且目标节点不在本簇内时,应根据各个节点所剩余的能量来选择中继节点,作为数据转发时的备份.否则,计算中继节点与目标节点的深度差,如果不在一跳范围则执行AODVjr算法,否则进行Cluster-Tree算法,通信结束.图3为其流程图，图4为数据传输延迟比较.

图3 算法执行流程

图4 数据传输延迟比较

3结语

本文结合当前最具影响力的ZigBee定位技术在高层消防逃生中的实例进行研究,着重研究ZigBee技术的路由算法,旨在已有的算法上改进和优化算法,提出了Cluster-Tree和AODVjr算法相结合.仿真结果表明,已有的算法和本文提出的算法作比较在节点数据延迟上有较大的改进.

参考文献

[1] 徐廷焕.超高层建筑火灾防控对策探讨[J].武警学院学报,2014(6):58-60.

[2] 刘政.能量动态平衡的ZigBee EDE路由算法[J].中国科技论文,2013,8(1):19-22.

[3] 孙利民,叶驰,廖勇.传感器网络中的路由机制[J].计算机科学,2004(3):54-57.

[4] 白晓亮,宗晓萍,孙雪.基于ZigBee的无线灯光调节器的设计[J].现代电子技术,2013,36(4):13-15.

Research of Optimizing Data Communication Based on ZigBee

Technology in High-rise Building Fire Escape

CHEN Peng，HAN Cheng-hao，QIN Ying，WANG Xiang-tong，LIU Dong-yu，LI Hao

(SchoolofElectricalandInformationEngineering,JilinjianzhuUniversity,Changchun,China130118)

Abstract：This article introduces the high-rise building fire escape ZigBee positioning systems and data transmission optimization method, based on the characteristics of high-rise building fire and a huge number of people, an analysis of ZigBee routing path. Put forward to start from the optimization of the routing path, a large amount of data in order to address the problem of delay in transferring data.

Keywords:ZigBee positioning；data transmission；routing path；route optimization

*基金项目：吉林省科技计划项目(20130206090SF).

作者简介：陈鹏(1991～),男,吉林省蛟河市人,在读硕士研究生.

收稿日期：2014-10-13.

中图分类号：TN 925

文献标志码：A

文章编号：2095-8919(2015)03-0065-03