基于ZigBee通信技术的消防人员定位系统设计初探-通讯消防论文

引言：目前，我国消防部队主要采用呼救器确定在发生事故后被困消防人员的位置，然而这类呼救器并不具有确定消防人员具体位置、作战状态的功能。此外在大型灾害现场噪声大、障碍物多，更难以发挥呼救器的作用。在科学技术迅速发展的今天，笔者提出基于ZigBee通信技术，利用无线传感器组建现场无线网络通信系统，以解决上述问题。

1 ZigBee

ZigBee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术，它采用直序扩频技术，具有很强的抗干扰能力，并且使用的是国际2.4GHz免费频段。ZigBee可由多达65000个无线数传模块组成一个无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信CDMA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，并拥有独一无二的ID号。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75rn扩展到几百米，甚至几千米；另外，整个ZigBee网络还可以与现有的以太网等各种网络连接^[1]。

现有的移动通信网主要是为语音通信而建立。而ZigBee网络主要是为控制数据传输而建立。每个移动基站价值一般都在百万元以上，而每个ZigBee基站却不到千元。每个ZigBee网络节点不仅本身可以与监控对象(如传感器)连接，直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料；除此之外，每一个ZigBee网络节点还可在自己信号覆盖的范围内和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点无线连接。

在ZigBee网络中存在三种逻辑设备类型：Coordinator(协调器)，Router(路由器)和End-Device(终端设备)。ZigBee网络由一个Coordinator以及多个Router和多个End-Device组成^[1]。

图1 ZigBee网络示意图

图1是一个简单的ZigBee网络示意图。其中黑色节点为Coordinator，红色节点为Router，白色节点为End-Device。协调器负责启动整个网络，它也是网络的第一个设备。协调器选择一个信道和一个网络ID，随后启动整个网络。路由器的功能主要是：允许其他设备加入网络，多跳路由和协助它自己的由电池供电的子终端设备的通讯。终端设备没有特定的维持网络结构的责任，它可以睡眠或者唤醒，因此它可以是一个电池供电设备。

2 系统技术要求

实现对现场消防官兵的个人防护，首先要对每位消防员在火场中的位置进行定位和跟踪。目前，有关定位应用最广泛的技术是全球定位系统(GPS)技术，但消防部队的作战场所经常位于室内或其他建筑遮挡区，加上GIS系统精确度有限，GPS信号在这些区域的信号强度和定位效果很难满足火场防护的需求。结合灭火救援实际，对现场无线定位的需求有以下几点^[2]：

(1)精度要求。灭火救援过程中，几名消防人员可能组成一个战斗小组，要区分每名消防人员，定位系统的精度要能达到l m以下。另外，消防人员在灭火救援的过程中是不断移动的。因此定位系统应该能够对移动目标提供与静止目标相当的定位精度。

(2)稳定性要求。作为消防员防护装备之一的火场无线防护系统，事关消防员的人身安全，系统的稳定性必须要满足很高的要求。各个灭火救援现场条件各不相同，有些场所现场环境条件非常恶劣，如高温、高湿、灰尘、烟气等，甚至会弥漫着有毒气体。因此，系统必须在这些场所提供稳定的定位性能。另外。还要要求产品能够防水、防震等。

(3)多目标定位。重特大灾害事故的处置一般都是多中队参战的，甚至会有数百消防人员一起作战。系统需要准确地辨识每一名消防人员，并且精确地对每名消防人员进行定位。

(4)方位无关性。消防员随身携带的ZigBee模块初步设计如同手表一样戴在手腕上，在作战过程中，消防员会有俯身、转向等动作，呼救器的朝向往往会有较大变化。在这砦情况下系统应能保持对消防队员的跟踪，定位精度不能产生大的偏差。

(5)三维空间定位。系统能够实现三维空间定位，如能够反映消防人员所在的楼层和房间等。

(6)简单方便性。使用时要尽量方便，易于部署，操作尽可能简便．不需要特别的专业知识。

3 系统组网方案

3.1 系统主要功能

（1）对消防人员进行定位，并进行相关信息统计。能够实时地监控进入灾害现场消防人员的具体位置(误差范围内) ；能够进行消防人员进入灾害现场相应时间、地点的统计(包括何时进入，何时离开，具体位置等)。

（2）消防人员可以通过携带的无线定位机向系统发出报警，监控中心可以第一时间了解事故地点，采取行动。监控中心通过对灾害现场的监视，发现异常情况，第一时间向灾害现场人员发出告警。

（3）消防人员轨迹描绘，根据定位基站记录的人员信息，描绘出人员的活动轨迹。

3.2 系统总体结构

ZigBee消防人员定位系统主要由定位基站、无线定位机和定位系统服务器等设备组成。如图2所示其中无线定位机由进入灾害现场消防人员携带，并以无线的方式和定位基站保持连接；定位基站安装在二级通讯指挥车或便携移动设备上，并通过有线方式接入通信指挥车核心定位服务器，能够覆盖不小于2 km²的灭火救援现场；定位系统服务器安装在一级通讯指挥车上，负责对相关信息的处理、显示和报警。从图2中可以看出，信息跳传过程为：B1、B2无线定位机处于A1定位基站检测范围之内，其跳传路径为：B1(B2)一A1一以太网一定位系统服务器^[3]。

图2 系统总体结构图

3.3 系统的定位原理

每个无线定位机都有唯一的ID，无线定位机每隔10s给定位基站发送状态信息，包括它的ID号码和状态，总共3个字节^[4]。定时10s的实现过程：定义一个定时器，定时中断为100ms，在第100个定时周期到来时，发送无线定位机的状态信息。定位基站在接收到一个无线定位机信息后，进行判别比较，看该无线定位机的ID是否在ID表中已经存在，如果存在了，就把相对应的标志字段清零，表明收到了存在子机的消息。如果不存在，那么就要把该子机的ID写入ID表中。

定位基站通过定时查询，判断一个无线定位机是否离开。定义一个定时器，定时周期为100ms。在100个定时周期之后，对现有的ID表中的数据进行查询，如果某一条ID信息的标志字段值超过了3，说明该ID对应的无线定位机已经连续100ms*100=10s没有上报信息,可认为该无线定位机已经离开了定位基站^[1,4,5]。举例说明灾害现场消防人员如何定位，设有一消防队员携带无线定位机B，经过某一定位基站A1。定位基站和无线定位机的通信流程如图3所示。

3.4 系统的软件实现

在软件方面，系统可以使用Visual C#的编程环境，通过串口通信控件，采用事件驱动方式，可以很方便地对串口进行操作^[5,6]。软件通过串口发送和接收请求命令，将接收到的传感信息结合GIS地理信息系统实现地理信息管理（地图显示、放大、缩小、漫游、查询、地理信息数据库等），进而实时显示被定位消防人员的位置和状态信息。

4 结论

消防人员定位系统对消防部队的灭火救援工作有着重大意义。目前，基于ZigBee技术在煤矿等安全领域的应用较多，在火灾探测等方面也进行了广泛探讨。笔者对ZigBee 技术进行研究，通过有线与无线结合的方式，利用ZigBee 网络容量大、功耗低、时延短等优势，初步设计了无线定位机和定位基站的通信方案，使基站将收到的无线定位机的信息，传给监控系统服务器，可以实现地面控制中心对消防人员的实时通信与位置监测，从而提高现场参战人员的安全水平，并可为灭火救援指挥决策提供可信的、重要的数据资料。

参考文献

[1]斯凯科技. ZigBee快速入门[EB/OL]. http://www.armsky.net/kaifaziliao/zigbee/000038.html.

[2]张维勇，俞　海等. 基于ZigBee技术的矿井人员定位系统研究[J]. 合肥工业大学学报( 自然科学版),2007,30(9):1087-1090.

[3]张伯虎, 陈建莉. 基于人工智能技术和ZigBee火灾探测系统的设计[J]. 消防科学与技术,2008,(27)1:49-51.

[4]李皓. 基于ZigBee的无线网络技术及应用[J]. 信息技术. 2008(1):12-15.

[5]任秀丽，于海斌. ZigBee无线通信协议实现技术的研究[J]. 计算机工程与应用. 2007,43(6):143-145.

[6]王舒憬，党彦博等. ZigBee无线传感器网络结合GPRS实现远程监控[J]. 仪表技术,2008,(3):13-18.

Design of firefighter Positioning System based on ZigBee Communication technology 

Abstract: During the fire fighting and rescue process, it’s critical for the fire forces to know the accurate location and status information of firefighters. This paper introduces how to establish the ZigBee wireless sensor network in the fire fighting and rescue work and get the real-time firefighter location and state information through the computer information system. It is of positive meaning to protecting the safety of firefighters and handling the disasters successfully.

Key words:  ZigBee;  fire fighting and rescue;  personnel positioning