浅析ZigBee技术在火灾救援决策中的应用

涂新星

(吉安市消防支队,江西 吉安　343009)



浅析ZigBee技术在火灾救援决策中的应用

涂新星

(吉安市消防支队,江西 吉安343009)

随着城市密度和人口活动的活跃度不断增强，火灾的发生也越加频繁，而我国民众的消防意识和应对能力还较为薄弱，这给消防部门带来了较大的工作负担。对于灭火现场而言，可以采用现代化的物联网技术来辅助制定灭火救援决策。探讨了ZigBee技术在灭火救援决策中的应用，给出了具体的设计方案。

ZigBee;火灾;灭火救援；决策

灭火救援决策工作是消防部队需要重点考虑的方面。近年来，伴随迅猛发展的现代化城市建设，大量具有流动性、爆炸性、毁灭性的特殊火灾和恶性灾害事故频繁发生，灭火救援工作重要性日益凸显。合理的灭火救援方案能够在一定程度上降低灾情损失，因此研制灭火救援决策辅助平台，最大限度地获取火灾现场信息并进行深度分析研判，生成最优的灭火救援方案，辅助消防部门决策，对提升灭火救援效率意义重大。

1　ZigBee通信技术及优势

ZigBee是基于 IEEE802.15.4 标准的局域网协议，是一种近距离、低复杂度、自组织网络、低功耗、高数据速率的双向无线通信技术，支持地理定位功能。ZigBee 是可多达 65 000 个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，十分类似于现有的移动通信的 CDM 网或 GSM 网，每一个 ZigBee 网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间的距离可以从标准的75 m，到扩展后的几百米，甚至几千米；另外整个 ZigBee 网络还可以与现有的其他的各种网络连接。与移动通信网络不同的是，ZigBee网络主要是为自动化控制数据传输而建立，每个ZigBee网络节点不仅本身可以与监控对象连接，它还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。

ZigBee通信技术的主要优势有：(1)统一性非常高：国内的频段设置则是完全按照全球统一的标准进行的2.4 GHz，其中欧洲与美国则略有不同；(2)低耗能：ZigBee不仅成本低于其他通信技术，在传输数据的时候所产生的能耗也远远低于其他通信技术;(3)抗干扰：WiFi在日常生活、工作的使用中，可以很明显的看出一旦有墙面阻隔或者电子信号的干扰，信号则会大大减弱，而ZigBee在这方面的能力远远高于WiFi；(4)价格低：ZigBee的结构设计简单，并且制作标准也统一，因此制作成本便大幅度减少；(5)大容量：ZigBee是可以单独成立的，而每一个独立的网络中至多可以支持将近7万个设备；(6)拓扑自由：ZigBee在应用到网络实处的时候，其结构较为多样，但是其自组性较强，因此大部分工作都可以实现智能特性；(7)通信距离易控制：ZigBee的先进性导致其通信能力远超其他通信技术，在其经过信号扩展后，信号可散布5 km范围左右，使得节点在位置设置的时候可以满足一切工作需求。

2　ZigBee灭火救援决策设计

2.1救援决策总体结构

灭火救援决策管理系统主要分为两大部分，一是灭火救援决策信息和控制命令的转发阶段，二是基于Android的灭火救援决策系统。在本文中，灭火救援决策系统分PC端和Android终端，PC端系统可采用C/C++等高级语言开发。

从图1可以看出，灭火救援决策环境中可以看成每一片区域对应一个协调器节点。在灭火救援管理过程中，协调器节点采集区域内的所有终端节点信息，通过物理链路将信息传输到现场指挥中心(灭火救援决策系统PC端)，再利用通信指挥车的通信设备将信息(GPRS/3G/4G/卫星等传输方式)发送到Web服务器上，Web服务器通过HTTP协议向Android发送数据信息。当节点采集到对应的紧急情况信息时，则通过XML发送到Android端。

图1　系统架构设计

2.2终端平台功能结构

2.2.1数据信息模块

信息查询是为了实现协调器节点与终端节点的对应关系，同时也能够查询对应的节点信息，指战员可以实时查看灾情各节点信息，全面掌握灾情现场情况，科学下达灭火救援指令。

2.2.2推送功能模块

基于Android的XMPP数据推送服务是一种主动式提醒服务，在本文的灭火救援决策管理系统中，系统能够实现对紧急事件信息进行主动式提醒，通过XMPP协议向终端用户发送对应的消息。

2.2.3设备控制模块

消防设备控制管理模块的功能是为了实现对物联网灭火救援决策实现主动控制功能，如发送控制命令自动开启灾情报警器等动作,如图2所示。

图2　系统功能结构图

2.3协调器节点设计

2.3.1协调器节点结构

协调器节点是整个系统中最为关键的环节，也是联通采集终端和灭火救援决策系统的重要平台，在此节点上主要是负责网络的初始化建立、网络管理和数据交互功能。同时，节点上集成了GPS模块，实时地向灭火救援决策系统和后方指挥中心发送定位信息。由于考虑到协调器节点在网络中的任务量较大，对于主控芯片的要求较高，因此本文中协调器节点的设计还集成了相应的单片机模块来辅助节点的工作，如图3。

图3　协调器结构图

2.3.2节点软件设计方案

在一个自组织的无线传感器网络中，协调器节点作为网络的建立与管理者，是独立存在且唯一的。协调器节点的软件设计框架如图4所示，可以看出协调器节点的软件业务主要包括对网络的组建、通信和数据处理操作(主要为数据融合)。

图4　协调器节点软件总体框架

2.4终端节点设计

2.4.1终端节点结构

在本文的灭火救援决策管理系统中，终端节点的作用主要是负责系统底层数据的采集与传输功能，节点的硬件模块则首先需要具有数据采集的功能，在本文的设计中，由于灭火救援决策需要采集非常多类型的数据信息，这取决于灭火救援应用的各个方面，由于系统功能和研究方向问题，我们以气体浓度传感器来阐述节点结构设计。在灾情现场中，传感器所采集到的模拟信号需要转换和调理成数字信号发送到CC2530主控芯片，主控芯片对采集数据进行融合等操作后通过内嵌的ZigBee通信模块发送到协调器节点，如图5，当然节点上需要电源模块来保持节点工作。

图5　终端节点结构图

2.4.2数据采集处理

在终端节点模块，对于气体浓度数据的采集和数据发送主要是由气体浓度传感器和CC2530芯片来进行的。在系统初始化以后，系统的上位机模块(也就是本文中设计的灭火救援决策系统)会向采集终端发送相应的控制命令，设定节点的数据采集周期，当采集周期到达后，由主控芯片唤醒节点进行数据采集和发送工作，在此过程中，采集信息的模拟信号会进经过数据转换、滤波融合等处理，并通过ZigBee模块发送到协调器节点去，见图6。

图6　数据采集与处理流程

3　ZigBee灭火救援决策方案

3.1系统方案

灭火救援辅助决策系统包含灭火计算、信息查询、模糊决策、灾害现场信息存储(为战评)等功能，通过在灾害现场布置ZigBee终端，实时有效地采集灾害现场数据，让后方指战员更高效地对灾害事故发展程度、趋势预测和现有灭火救援实力进行评估，更科学地开展力量部署和实施技战术方案。因此系统设计所需解决的关键内容如下：

3.1.1基于无线传感器网络的灭火救援决策区域数据采集。对于灾情发生区域数据的采集方面，本文采用基于ZigBee通信技术的无线传感器网络来实现，通过部署在灾情现场的终端节点进行监测信息的获取和处理，并发送给现场指挥部，总队、支队消防指挥中心和其他管理的手机APP等灭火救援决策系统上。

3.1.2基于Android的灭火救援决策管理APP系统。采用基于安卓设备的MIS(Management Information System)系统来进行灭火救援决策信息的管理，移动设备端灭火救援决策管理APP是现代移动应用技术发展的趋势，能够大大增强灭火救援决策管理的实时性。

3.1.3基于XMPP的数据推送技术。通过采用基于XMPP协议的数据推送服务，当灭火救援决策监测终端发现监测数据过渡超标、生命信号等紧急情况时系统能够第一时间发送推送信息给APP客户端(如图7所示)。

图7　系统总体方案示意图

3.2功能设计

在灾情现场救援中，现场指挥部需要实时采集灾情现场的数据信息用于辅助决策。协调器节点将终端节点采集的数据信息传输到现场指挥部的决策系统中，系统将自动采集信息进行数据分析，得出最优结果，并将结果传输到Web服务器和后方消防支队指挥中心。Web服务器采用XMPP协议将数据信息主动推送到现场指挥员的设备终端(基于Android系统的灭火救援辅助终端)，如图8所示。

图8　数据传输流程

3.2.1终端节点布置和数据传输

本文以笔者所处的支队为例，大多数基层中队在处置灾情时，通常采取人工方式对灾害现场周边的数据采集，这种采集方式存在以下几点不足：一是灾害现场采集数据不及时、传输效率低；二是灾害现场采集数据可利用率低，不能全面客观体现灾情情况；三是灾害现场数据采集危险性高，极其容易对采集人员造成不必要的伤亡。采用ZigBee终端节点模块对灾害现场周边进行数据采集，可有效地避免以上问题发生。

通常在灾害现场布置终端节点主要考虑当前灾害现场的风向、风力和湿度等自然因素，当全勤指挥部到达灾情现场后根据不同的灾害类型和现场情况，划分灭火救援数据采集圈。在扑救火灾时，布置火场的ZigBee终端节点数根据过火面积的长和宽来决定；在处置有毒气体泄漏灾情时，主要由现场风向、风力、空气湿度和气体密度来决定采集节点数量和位置，风向决定泄漏气云扩散的主要方向，风速影响泄漏气云的扩散速度和被空气稀释的速度，若无风天，则泄漏气体以泄漏源为中心向四周扩散。图9为在无风天情况下，有毒气体泄漏灾情区域的节点布置图。

图9　无风天的气体泄漏区域节点布置图

在灾害现场进行终端节点部署，分粗调和细调两部分，当全勤指挥部到达现场后，首先要根据灾情当前所处的阶段，风向、风力和湿度等数据，初步计算出终端采集节点部署位置，并开始节点组网。后方指挥部在获取到现场终端节点采集的数据后，重新对终端采集节点位置进行部署，设置二级报警和一级报警临界点，划分警戒区域。考虑到灾情现场的环境复杂多变，数据报警临界点和警戒区域的划分会随着时间的推移而发生变化，后方指挥员需要及时对终端采集节点进行位置调整。终端节点的位置调整除靠人工移动外，还可以考虑给终端节点安装可远程控制的车轮,提高采集终端节点的灵活性。

3.2.2紧急联动装置

在灾害现场，电台、电话等通讯方式极为繁杂，灭火救援辅助平台在特殊情况下将自动开启紧急联动装置及时向前方指战员传达紧急指令，最大限度地减少现场人员伤亡。同时紧急联动装置还可以接受后方指挥中心和前方指战员终端的命令信息，如发送控制命令自动开启有毒气体超标报警器等动作，如图10。

图10　紧急联动装置模块流程图

3.2.3数据信息查询和推送

推送信息功能是基于Android的XMPP数据推送服务是一种主动式提醒服务，能够实现对紧急事件信息进行主动式提醒，当相关节点采集到的救援决策数据信息超过预设的阈值信息时系统通过XMPP协议主动向终端用户发送对应的消息。信息通过灭火救援决策系统查询对应的灾情部署区域节点的采集信息，也可通过Android端或者PC(电脑)端触发的通信服务请求，如远程查询区域的有毒气体浓度等数据信息。

4　结束语

本文对灭火救援决策管理方案进行了详细的分析和设计，并对终端平台和节点的实现过程进行了具体的分析，但由于灾情现场不定因素较多，突发事件发生较为频繁，针对于不同应用场景和需求下的灭火救援决策研究内容还需要进一步细化，通过在灾情中的多次实践，可初步形成灭火救援辅助决策模板，提高指战员的灭火救援效率和决策能力。

[1] 《消防火灾预防学理论与实践》编委会.消防火灾预防学理论与实践[M].北京：中国人民大学出版社,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] 程春荣．基于ZigBee技术的水质监测系统的设计[D]．杭州：杭州电子科技大学,2009.

[5] 罗震．Android平台环境下应用程序架构的设计与实现[D]．武汉：华中科技大学，2009.

(责任编辑陈华)

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，助理工程师。

●灭火救援技术

D631.6

A

1008-2077(2016)08-0032-05