基于Ad Hoc网络的人员信息无线传输系统

汪莹，刘海立，王庆辉，封岸松

（沈阳化工大学，辽宁沈阳110142）

基于Ad Hoc网络的人员信息无线传输系统

汪莹，刘海立，王庆辉，封岸松

（沈阳化工大学，辽宁沈阳110142）

以火灾现场内部消防队员作移动的网络节点设计了一个消防队员实时信息传输系统。设计中用传感器网络和MEMS惯性器件进行数据收集，通过433 MHz无线网络完成硬件之间的数据传输通信，网络节点与监控中心的通信使用Ad Hoc无线网络完成。实验测试结果验证了该系统应用于消防救援的可行性，为救援队员的生命安全提供了进一步保障。

传感器网络；MEMS惯性器件；Ad Hoc无线网络；消防救援

0 引言

虽然把无线传感器网络用于消防救援领域有了很好的研究，但这些研究大多用于消防队员跟踪和搜救。英国拉夫堡（Loughborough）大学研究小组在进行名为Secure Ad Hoc Fire and Emergency Safety Network（Safe⁃tyNet）的研究[1]，虽然可以获取并提供指定地点的环境和险情信息，但该系统需要预先在建筑物内布设传感器，这在目前的实际中有些困难。消防队员在现场执行救护任务遭遇危险时，不仅会影响整个现场的救援效率，而且会威胁到自身生命，十分不利于火灾现场的救援和调度。如果指挥中心能够观察到消防队员的实时信息，指挥人员就能在消防队员发生意外时指挥其他救援人员进行快速的相互救援。由此提出一种新型人员实时信息传输系统的设计，以CC430F5137[2]单片机为系统主芯片，通过433 MHz无线网络[3]完成利用Mesh惯性器件ADXL345三轴加速度计、DS18B20温度传感器和HM2600压力传感器等所采集到的实时信息以及其他信息例如硬件的剩余电量、剩余氧气量等信息的内部数据传输，然后通过无线Ad Hoc网络将数据发送到远程指挥中心。通过对此系统进行的数据信息传输试验，验证了此系统实现人员监测的可行性。

1 总体方案

系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

2 系统设计

通过对系统需求的分析，考虑到低功耗要求、无线传输需求、外接无线模块需求，MCU选择了TI公司的超低功耗、高性能产品的CC430[4]芯片，拥有五种低功耗模式相组合，并具有射频收发功能，其功耗仅为160 μA/MHz，可以有效地延长电池使用时间和电池寿命。Ad Hoc模块设计所用的是内嵌无线移动自组网Mesh协议的深圳捷讯易联公司的YL_1110模块。YL⁃1110N模块既可以作为节点设备也可以作为网关设备，可以轻松组建最小2节点到成千上万节点的Mesh网络。YL⁃1110N模块应用在低功耗自组网领域如传感器网络、无线抄表、智能家居等领域，具有明显的技术和价格优势。

选用ADI公司的ADXL345[5]作为三轴加速计来测定能够获取三维方向上的加速度数值，从而判断人体姿态。ADXL345可以对高达±16g的加速度进行测量，并且分辨率高达13位。温度传感器选择了DALLS公司生产的单总线温度传感器DS18B20[6]，其分辨率可以随着编程而改变，分辨率可以为9～12位，用于实现高精度的温度检测[7]。正压式呼吸器的压力传感器选用HM2600，具有高集成化，高稳定性的特点。使用于无腐蚀性气体或液体介质的测量，具有高低温、震动、热冲击和机械冲击等恶劣环境中的实用性。利用6个LED灯来显示呼吸机中的剩余气量。同时加入了一个振动器，防止消防员在复杂环境中不能发现声光报警时，利用振动器的振动来警告消防员。

电源部分由于里面的芯片电压要求基本都在3.3 V，所以选用电源管理芯片RT8009作为稳压3.3 V芯片，输入电压范围从2.5～5.5 V，适合于用单节锂电池供电的便携式电子设备。外部电源考虑到便携式设计，选用了可充电的2 400 mA·h的锂电池供电。

系统信息采集硬件框图如图2所示。

图2 信息采集硬件框图

3 Ad Hoc网络路由协议

无线Ad Hoc网络是指一组无线移动节点组成的多跳的、临时性的、无基础设施支持的无中心网络。常见的Ad Hoc网络包括移动Ad Hoc网络（Mobile Ad Hoc Network，MANET）与无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）等[8]。移动Ad Hoc网络不依赖预设的基础网络设施，其组成网络的节点都具有动态组网能力，每个节点都是移动的，并且都能以任意方式利用自身的无线收发装置动态地保持与其他节点的联系。

无线Mesh网络[9⁃10]采用私有按需轻量动态多径路由协议，此协议是针对硬件资源条件苛刻的移动自组网设计的，适用于有移动速度和拓扑结构变化的本系统的Ad Hoc网络。Mesh路由协议会综合多种选择算法进行路由的筛选，包括距离矢量、信号质量（链路状态）和节点剩余电量⁃类MMBCR（Min⁃Max Battery CostRouting）。

距离矢量算法根据目的地的远近来决定路径，根据距离矢量算法可以找到两个节点间的最近路径，但不一定是最佳路径。Mesh链路状态路由算法选择稳定链路虽然距离会远一些，但是能保证报文传输的可靠性和实时性。类MMBCR路由选择需要充分考虑节点电池的电量，应尽可能避开电池电量低的节点进行路由。这样避免出现某节点由于能量过度消耗出现死亡的情况，提高移动网络的生存能力[11]。

4 Ad Hoc网络工作过程

无线Mesh网络的核心指导思想是让网络中的每个节点都可以发送和接收信号。组网模块的工作模式为使用NODE的MAC地址传输，这种工作模式下NODE模块报文发送的目的地址默认为ROOT模块，NODE模块会自动在从UART接收到的数据报文前添加该模块的序列号。

微控制器（MCU）通过串行接口连接Ad Hoc模块，数据端的串行数据经过微控制器的串口发送到节点（NODE）模块上。节点（NODE）开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络，每一个节点（NODE）同时是一个路由器。NODE模块会自动在从UART接收到的数据报文前添加该模块的序列号进行多次中继后和ROOT模块建立数据无线连接，然后进行Ad Hoc模块间的无线数据传输。

Ad Hoc模块工作流程如图3所示。

图3 Ad Hoc工作流程图

5 系统的监测过程

综合消防员现场情况和功耗，硬件一直保持休眠模式，本系统采用10 s发一次数据。发送端设定定时器，9 s后退出休眠，打开传感器，第10 s发送数据，发送完后进休眠。接收端第9 s退出休眠，一直等到接收到数据再进入休眠，开始计算时间。这样不仅防止了数据的丢失，并且和发送端友好地进行时序同步，还满足设备的低功耗要求。

消防员进入火场前在便携式无线监测器可以查看各个模块的电量和剩余气体可供使用时间，为了保证电子设备的正常以及电量充足。组网参数更改说明如表1所示。

表1 组网参数更改说明

6 结论

在进行报警传输测试时，使用了5个NODE模块作为移动节点和1个ROOT模块，ROOT节点位于沈阳化工大学六号实验楼312室，5个NODE节点分别布于楼内不同位置并可不时的移动。当消防队员000002的压力值设置为3.08 MPa（低于5 MPa），同时模拟消防队员000002跌倒时，测试结果如图4所示，报警原因是消防人员倒地，而且压力过低。控制监测器也显示声光振动警报。

图4 数据传输结果

本文提出采集系统，可以改变目前单个消防队员信息孤岛的局面。该系统在实际应用中具有很大的意义，数据的及时处理和传输在很大程度上保障了消防队员的生命安全。

[1]蒋玲.实时信息资源：全新无线技术在消防救援中的应用[J].消防技术与产品信息，2012（3）：79⁃82.

[2]王娟，肖兵，李利军.基于CC430的无线油田监控系统设计[J].信息技术，2013（4）：157⁃161.

[3]李快快，张东.一种433 MHz无线传感器网络的设计与应用[J].信息技术，2014（1）：131⁃134.

[4]林凡强，马晓茗.基于CC430无线传感网络实验平台的开发[J].测控技术，2012，31（8）：16⁃19.

[5]郭敏，尹光洪，田曦，等.基于三轴加速度计的倾斜角传感器的研究与设计[J].现代电子技术，2010，33（8）：173⁃177.

[6]湘江.基于DS18B20的无线温度监测系统[J].信息技术，2014（2）：173⁃177.

[7]覃鲜艳.基于DS18B20的无线测温系统的研究与设计[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[8]黄浩军，尹浩，陈和平，等.无线Ad Hoc网络能量感知地理路由协议研究进展[J].软件学报，2014，25（5）：1061⁃1064.

[9]兰鹏.基于无线Mesh网络的视频监控系统的研究及实现[D].杭州：杭州电子科技大学，2014.

[10]毛誉熹.无线Mesh网络干扰感知路由技术研究[D].合肥：中国科学技术大学，2014.

[11]何昌伟，刘大伟.Ad Hoc网络中能量优化路由协议的研究[J].物流工程与管理，2014，36（2）：113⁃114.

A personnel information transmission system based on Ad Hoc networks

WANG Ying，LIU Hai⁃li，WANG Qing⁃hui，FENG An⁃song
（Shenyang University of Chemical Technology，Shenyang 110142，China）

A real⁃time information transmission system for the fire firefighters was designed according to the network nodes of the fire fighters moving in fire scene.In the design，MEMS inertial components and sensor network are used to collect data，the data transmission and communication between hardwares are completed by 433 MHz wireless network.The communication between network and monitoring center is realized by means of Ad Hoc wireless networks.The feasibility of the system applied to fire rescue was verified by the experimental and testing results.It can provide further safeguard for the life security of firefighters.

sensor network；MEMS inertial component；Ad Hoc wireless network；fire rescue

TN919.7⁃34

A

1004⁃373X（2015）07⁃0028⁃03

汪莹（1966—），女，辽宁沈阳人，教授，博士。主要研究方向为数字信号处理。

刘海立（1988—），女，辽宁朝阳人，硕士研究生在读。主要研究方向为无线传感器网络及嵌入式系统。

2014⁃10⁃13

王庆辉（1972—），男，辽宁沈阳人，副教授，博士。主要研究方向为智能测控技术与装置的开发与研制和无线传感器网络应用技术。