高层建筑被困人员准确定位节点设计*

戚美月 韩成浩

(1:吉林建筑大学电气与电子信息工程学院,长春 130118； 2:长春建筑学院,长春 130607；3:吉林省智能建筑系统集成与节能控制重点实验室,长春 130118)

0 引言

近年来,随着社会的发展和经济的进步,高层建筑在大中城市中涌现.由于高层建筑楼层高、层数多、使用功能复杂,以及人员密集等特点,对救援有很高要求.当高层建筑楼内发生突发事件(如:火灾、地震、恐怖事件)时,在最短时间内对楼内人员进行准确定位和疏导尤为重要.

1 总体设计方案

系统的总体设计方案如图1所示.系统设计主要考虑被困人员的定位精度、跟踪速度、实时性和安全性等方面.系统主要由定位节点(高层建筑所有人员需携带)、参考节点(布置在楼内的走廊和工作室等)、网关(每层设置一个或多个)、控制中心和各模块之间的通信网络(Zig Bee通信网络和CAN总线通信网络)组成.系统的工作原理如下:

图1 总体设计方案

当发生突发事件时,定位节点能与离自己最近的参考节点进行通信,收集这些参考节点的X，Y坐标和RSSI(为CC2430/CC2431芯片的信号强度,单位为dBm)值.该节点将这些信息和输入参数(A为距离发射机1m远的RSSI绝对值;N为距离发射机每增加1m衰减的RSSI绝对值)进行结合,计算自己的坐标位置信息,并将该坐标值和每个定位节点标志号及定位节点(即被困人员)的生理特征(主要为体温和脉搏)传送至定位节点所在楼层的网关上.

2 定位节点设计

系统具体电路如图2所示.定位节点由定位核心器件CC2431芯片、压电传感器、温度传感器、液晶显示、无线传输电路组成.

图2 系统具体电路

2.1 CC2431芯片功能

随着无线网络的发展,CC2431芯片的作用和地位显得尤为重要.CC2430/CC2431是一颗真正的系统芯片(SoC)解决方案.这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHzISM 波段应用对低成本,低功耗的要求[1].CC2430/CC2430的区别在于只有CC2431有定位跟踪引擎,CC2430无定位跟踪引擎.除了以上区别外,在外观上CC2430与CC2431是完全一样的.

CC2431芯片是一款针对无线传感器网络Zigbee/IEEE802.15.4 的片上(SoC)解决方案,其整合了ZigBee射频前端、内存和微控制器,并具有定位跟踪引擎功能.它使用1个8位MCU,具有8KB的RAM,还包含14位A/D转换器、定时器和21个可编程I/O引脚.CC2430/CC2431芯片采用0.18μm CMOS工艺生产,工作时的电流损耗为27mA;在接收和发射模式下,电流损耗分别低于27mA或25mA.CC2430/CC2431的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性,特别适合那些要求电池寿命非常长的应用.

CC2430/CC2431的主要性能特点定位引擎能精确计算网络中节点位置;具有优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性能;8KB RAM,4KB 带所有功耗模式数据保持功能;待机模式下小于0.6μA电流损耗,外部中断能唤醒系统;低功耗模式与主动模式之间的快速切换保证了低占空比系统的超低平均功耗[2].

2.2 CC2430/CC2431引脚

CC2430/CC2431包括三个8位输入输出端口,分别是P0,P1,P2,P0,以及P1有8个引脚,P2有5个引脚,总共就是21个数字I/O引脚.这些引脚都可以用作于通过的 I/O 端口,同时,通过独立编程还可以作为特殊功能的输入输出,通过软件设置还可以改变引脚的输入输出硬件状态配置.

21个I/O引脚都可以用作于外部中断源输入口,因此如果需要外部设备可产生中断.外部中断功能也可以是睡眠模式.

2.3 压电传感器原理

Zigbee定位节点根据压电传感器原理,就是利用压电材料的的压电效应特性,当有力作用在压电材料上时,传感器就有电荷或电压输出.压电元件在外力作用下,电荷可以不断补充,可以供给测量回路一定的电流,只适用于动态测量[3].压电传感器是一种自发电式传感器,它通过信号调理电路和倍频电路对微弱信号进行放大和倍频处理,通过压力变化来直接检测脉搏运动情况,以便于控制中心计算机接收人员的位置信息.平时可采用此项技术对建筑物内的工作人员进行监控.当发生突发事件时,就可以通过Zigbee定位节点对生存者进行身份确认,并通过智能广播系统或Zigbee定位节点本身向被困人员发出最佳的逃生路线.

信号调理电路的作用是把压电传感器的微弱信号利用电阻电容等组件经过滤波处理,获得稳定的有效信号,降低噪音的产生.信号调理电路的一端接地是为了防止干扰,防止采样混叠.倍频电路的作用是把压电传感器的微弱信号进行放大处理,利用CD4046芯片实现.CD4046芯片是通用的CMOS锁相环集成电路,输入阻抗高(约100MΩ),动态功耗小.输入电压为3.0V,根据电阻值的比例变化可以实现需要的倍频参数.

2.4 温度传感器原理

用温度传感器来检测被困人员的体温.温度传感器具有抗干扰能力强、温度采集精度高、不需要复杂的调理电路和AD转换电路、易于采集信号等特点[4].DS18B20是单总线温度传感器.具有测温系统简单,连接方便,在与CC2431芯片连接时只需一条口线即可实现双向通讯.并能将数据存储在电脑中,因而在掉电的情况下,系统同样能够记录每一时刻的数据,从而轻松地实现温度的检测.

2.5 液晶显示器

液晶显示器显示相关数据信息.包括被困人员脉搏,被困人员体温以及最佳逃生路径的选择.液晶显示器选用CD1602.

3 软件设计

3.1 定位节点软件设计

定位算法的具体实现是通过定位节点CC2431/ CC2430芯片内部与定位引擎有关的寄存器的上述操作来完成.CC2431芯片的定位引擎采用RSSI技术,定位节点根据接收到的与周围不同参考节点之间的信号强度值来计算自身的准确位置.定位引擎运行时，需要采集3～8个参考节点的坐标值.每个参考节点的位置值在0m～63.75m之间,最高定位精度为0.25m.PC机通过网关发送相关指令即可完成每个参考节点的坐标值配置.待定位节点CC2431芯片的定位引擎操作流程如图3所示.

从图3中可以看出,定位节点首先读取所有参考节点的坐标(X,Y)值,然后再读取其他标准参数(A值,N值,RSSI值).定位节点的CC2431读取所有必要的参数后,就开始定位计算,然后确定定位节点的具体定位坐标值.与无线定位相关的CC2431芯片内部寄存器有:LOCENG，REFCOORD，MEASPARM，LOCX，LOCY，以及LOCMIN[5].

图3 CC2431芯片定位引擎软件设计流程

4 结论

本系统有很大的应用前景和实用价值.为高层建筑被困人员的及时救援和准确定位提供了有效的保障和方法，并在最大程度上保护被困人员的生命安全.本系统的成功应用，将进一步提高被困人员的定位精度，以最快的速度，以及最优的路径达到解救被困人员的目的.

CC2431的功能和特性可以满足低功耗、抗干扰、准确快速定位的要求,为被困人员准确定位提供了具有竞争力的方案.

本系统的研制成功和推广将进一步提高高层建筑的智能化水平,同时也增强了高层建筑的安全性.在火灾、地震、恐怖袭击中,最大限度地保护人的安全,与防火卷帘门等设备联动,控制危险区域,隔离危险区域,将损失降低到最小.

参 考 文 献

[1] 李文仲,段朝玉等.ZigBee无线网络技术入门与实战[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007:59-62.

[2] 吴灿阳.ZigBee技术实践教程[M].北京:北京航天航空大学出版社,2009:30-31.

[3] 韩光洁.智能空间中传感器网络节点精确定位与路径规划[M].北京:科学出版社,2010:67-70.

[4] 吴建平.传感器原理与应用[M].北京:机械工业出版社,2012年:95-98.

[5] 马祖长,孙怡宁.无限传感网络节点的定位算法[J].计算机工程,2004(7):13-14.