文/张禹海 李 程 中国人民武装警察部队学院

基于Zigbee通信技术的消防人员定位系统设计初探

文/张禹海 李 程 中国人民武装警察部队学院

在灭火抢险救援过程中，及时准确地获知消防人员的位置及状态是至关重要的。本文提出的观点是：在灭火救援现场构建基于Zigbee通信技术的无线传感器网络，通过计算机信息系统实时获取现场消防人员位置、状态等信息，对保护消防人员生命安全和成功处置灾害事故有着积极意义。

消防人员在灭火救援战斗中，特别是在大型火灾、爆炸、化学事故等灾害的抢险救援过程中，会遇到许多突发性危险情况，甚至会有伤亡。事故发生后，如何及时准确判定现场参与处置的消防人员的具体位置、作战状态，对成功处置灾害事故，特别是在消防人员被困情况下迅速制定救援方案是十分重要的。目前，我国消防部队主要采用呼救器来获知消防人员的位置，但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。笔者对Zigbee 通信技术进行研究，利用Zigbee 网络容量大、功耗低、时延短等优势，通过有线与无线结合的方式，初步设计了无线子终端和定位基站的通信方案，以实现地面控制中心对消防人员的实时通信与位置监测，从而为救援指挥决策提供可信的、重要的数据资料，保障消防人员的生命安全。

Zigbee通信技术

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，使用的是国际2.4GHz免费频段，具有很强的抗干扰能力。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，它们之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75米扩展到几百米，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。

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。

Zigbee网络由一个协调器、多个路由器和多个终端设备组成。图1是一个简单的Zigbee网络示意图，其中黑色节点为协调器，红色节点为路由器，白色节点为终端设备。协调器负责启动整个网络，是网络的第一个设备。它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：允许由电池供电的无线子终端设备加入网络。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。

图1 Zigbee网络示意图

定位系统的主要功能及技术要求

要想保护好现场消防官兵的生命安全，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技术（GPS），而消防部队的作战场所经常位于室内或其他建筑遮挡区，加上地理信息系统（GIS）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。利用Zigbee通信技术，组建现场无线网络通信系统可以有效解决这个问题。

定位系统的主要功能有：（1）对消防人员进行定位，并进行相关信息统计。一是能够在被允许的误差范围内实时监控进入灾害现场的消防人员的具体位置；二是能够统计消防人员出入灾害现场的时间、地点等信息，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子终端向系统发出报警，监控中心可以第一时间了解事故地点情况，以采取相应的措施。同时，监控中心通过对灾害现场的监视，一旦发现异常情况，可以第一时间向灾害现场的消防人员发出示警信号。（3）根据定位基站记录的信息，描绘出消防人员的活动轨迹。

根据灭火救援的实际情况来看，定位系统需要满足以下几点要求：

（1）精度要求。灭火救援过程中，可能是由几名消防人员组成一个战斗小组，为了区分每名消防人员，无线定位系统的精度要达到l米以下。同时，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。每个灭火救援现场环境都不相同，有些现场条件非常恶劣，如高温、高湿、多灰尘、烟气浓厚等，甚至会弥漫着有毒气体，这就要求定位系统必须能够提供稳定的定位性能。同时，无线子终端能够防水、防震等。

（3）多目标定位要求。重特大灾害事故的处置一般都是多个消防中队共同参与救援，会有数百名消防人员在事故现场，定位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）方位无关性要求。消防人员随身携带的无线子终端初步设计如同手表一样戴在手腕上，在救援过程中，当消防人员有俯身、转向等动作时，该终端的朝向往往会有较大变化。在这种情况下，定位系统应能保持对消防人员的跟踪，定位精度不能产生大的偏差。

（5）三维空间定位要求。定位系统应能够反映消防人员所在的楼层和房间等。

（6）简单方便性要求。定位系统要易于部署，操作尽可能简便，使用时不需要过多的专业知识。

定位系统的组网方案

系统的总体结构

基于Zigbee技术的消防人员定位系统主要由定位基站、无线子终端和定位系统服务器等设备组成，如图2所示。其中，无线子终端由进入灾害现场的消防人员携带，并以无线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，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平方千米的灭火救援现场；定位系统服务器安装在一级通讯指挥车上，负责对相关信息进行处理、显示和报警。从图2可以看出，信息跳传过程为：B1、B2无线子终端处于A1定位基站检测范围之内；跳传路径为：B1(B2)—A1—以太网—定位系统服务器。

系统的定位原理

每个无线子终端都有唯一的ID，无线子终端每隔10秒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。实现过程：定义一个定时器，定时周期为100毫秒，在第100个定时周期到来时，发送无线子终端的状态信息。定位基站在接收到一个无线子终端信息后，进行判别比较，看该无线子终端的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，表明收到了存在子终端的消息；如果不存在，那么就要把该子终端的ID写入ID表中。

同时，定位基站每隔10秒进行定时查询，判断一个无线子终端是否离开。实现过程：定义一个定时器，定时周期为100毫秒，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字节，说明该ID对应的无线子终端已经连续10秒没有上报信息，可认为该无线子终端已经离开了定位基站。

假设有一名消防队员携带无线子终端B，经过某一定位基站A1，定位基站和无线子终端的通信流程如图3所示。

图3 定位基站和无线子终端的通信流程

系统的软件实现

在软件方面，系统可以使用C#编程语言，借助Visual Studio 2008的编程环境，通过串口通信控件，采用事件驱动方式，很方便地对串口进行操作。软件通过串口发送和接收请求命令，结合地理信息系统（GIS）将接收到的传感信息实现地理信息管理（地图显示、放大、缩小、漫游、查询等），进而实时显示被定位消防人员的位置和状态信息。

责任编辑钟金花