基于ZigBee技术的灭火救援现场数据采集系统研究

裴建国，张颖花，张 翔

(1.武警学院 消防指挥系，河北 廊坊 065000； 2.天津消防总队，天津 300000)

基于ZigBee技术的灭火救援现场数据采集系统研究

裴建国1，张颖花1，张 翔2

(1.武警学院 消防指挥系，河北 廊坊 065000； 2.天津消防总队，天津 300000)

灭火救援现场的数字化问题是消防发展的新方向，提出以ZigBee技术为基础，针对灭火救援现场战斗的特点，采取簇树形混合组网，建设面向灭火救援现场环境与各实体对象的数据采集系统，实现对灭火救援现场中人员、器材装备和环境信息的感知、连接和信息交换，使指挥员能够快速、清晰、全面、客观地掌控灭火救援战斗现场情况，为消防部队的快速反应、协同作战、指挥决策提供信息支撑。

ZigBee技术；灭火救援；数据采集系统；通信指挥

0 引言

在灭火救援战斗过程中，现场信息的获取主要是通过视、听等手段直接接触外界所得到的感性认识及少量通过仪器获取的数据，在一般的灭火救援战斗中，指挥员通过自身的丰富经验及理论知识往往能做出正确的决策，但在一场复杂的灾害事故处置中，这些片面的、浅层的认识往往不能代表整个灾害事故的发展变化。辩证法认为，若要认识事物的本质，就必须从感性认识上升到理性认识。数据采集系统的作用正是如此，为指挥员提供多层次的数据信息，对灭火救援现场实现量化。

1 ZigBee技术概述

ZigBee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其物理层和数据链路层协议为IEEE 802.15.4协议标准，网络层和安全层由ZigBee联盟制定，应用层的开发应用根据用户的应用需求，对其进行开发利用，因此该技术能够为用户提供机动、灵活的组网方式。ZigBee致力于提供一种廉价的固定、便携或者移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线通信技术。该无线通信技术具有如下特点：

1.1 数据传输速率低

只有10～250 kb·s-1，专注于低传输速率应用。无线传感器网络不传输语音、视频之类的大量数据，仅传输一些简单数据。

1.2 功耗低

由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1 mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间。

1.3 时延短

通信时延和休眠到唤醒的时延非常短，进行设备搜索时延约为30 ms，设备接入信道的时延为15 ms。因此ZigBee技术更适合于那些对时延要求较高的场合。

1.4 数据传输可靠

采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息,保证了节点间传输信息的高可靠性。

1.5 网络容量大

ZigBee的低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件。ZigBee定义了两种器件：全功能器件(FFD)和简化功能器件(RFD)。网络协调器(Coordinator)是一种全功能器件。如果通过网络协调器组建无线传感器网络，整个网络最多可以支持超过65 000个ZigBee网络节点，再加上各个网络协调器可互相连接，整个ZigBee网络节点的数目将十分可观。

1.6 自动动态组网和自主路由

无线传感器网络是动态变化的，无论是节点的能量耗尽，或者节点被损坏，都能使节点退出网络，而且可以在需要的时候向已有的网络加入新的传感器节点。

1.7 兼容性

ZigBee技术与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器自动建立网络，采用CSMA-CA方式进行信道接入。为了可靠传递，还提供全握手协议。

1.8 安全性

ZigBee技术的安全性高，有三级安全模式可供选择:无安全模式、使用接入控制清单(ACL)模式和利用特定加密标准AES128对称密钥模式。

1.9 实现成本低

低复杂的通信协议降低了对节点控制器的要求，并且ZigBee协议无须付专利费。

2 灭火救援现场的特殊性

为组建适应消防部队作战需求的传感器网络，应首先了解灭火救援现场的特殊性：首先，灭火救援现场具有作战人员、车辆、装备器材、环境等多种实体对象，因此节点的设计与网络连接方式具有特殊性，不同种类节点之间组网及结构关系比起单一种类的节点更加困难。其次，灭火救援现场信息种类丰富，因此需要多种节点携带不同类型的传感器，诸如温度、湿度、浓度、烟雾甚至生理传感器。再次，在灭火救援现场的传感器网络中既有静态的实体对象，也有会移动的实体对象(主要是作战人员)，对移动对象进行监控必然要考虑其移动性。在首次网络部署之后，安置在作战人员身上的节点会随着该人员的移动而不断改变位置，从而导致无线网络拓扑结构的变化。因此，设计网络结构时要考虑静态的网络结构及移动的节点带来的网络拓扑变化。

3 现场数据采集系统体系结构

在灭火救援战斗现场，所有的节点都需要与协调器建立通信连接，它们既承担着采集、传输传感数据，也负责传送各种控制指令等任务。ZigBee的网络结构根据节点的连接方式大体可分为三种：星状网络、树状网络和网状网络。采取单一的节点连接方式显然很难满足灭火救援现场的需求，因此，本文构建了一个双层次的分级网络结构，形状为簇树形结构[2]。

如图1所示，整个网络拓扑结构包含网络上层和网络下层两个子层：网络上层采用网状网结构，由网络协调器和簇头节点组成，可以缩短数据传递路径并适应大面积环境；网络下层采用树状拓扑结构，由簇头节点和普通传感节点各自组成的簇形成，簇头节点作为中继器存在，路径固定、结构相对稳定，方便簇头节点协调管理。这种网络结构具有强大的功能，采用多跳的方式进行通信，还具备自组织、自愈等功能，使得网络中每个节点都能经过其他节点传送信息，最终经过“多级跳”的形式传输到协调器，适应灭火救援现场复杂环境的需求[3]。图1中包含两种设备类型：全功能设备(Full-Function Device，FFD)及精简功能设备(Reduced-Function Device，RFD)。FFD能够构建网络(为网络协调器时)，让其他FFD或RFD连接，具备控制器功能，可提供信息双向传输。RFD则只能传送信息给FFD或从RFD接受信息，可以降低网络构建的成本和复杂性，只能作为终端设备。

图1 ZigBee网络示意图

3.1 节点类型及功能

为了构建灭火救援现场的数据采集网络，还需对节点进行类型划分。根据上文所述节点分为网络协调器、簇头节点和普通节点，其特点如表1所示。

3.1.1 网络协调器

网络协调器是整个灭火救援现场数据采集网络的中心，是WSN/3G网关的组成部分，WSN采集的所有传感信息都将通过网络协调器传送至数据服务中心。另外，网络协调器承担着发起建立网络、设定网络参数、管理网络节点、存储节点信息等功能。

3.1.2 簇头节点

簇头节点主要负责管理由本身所形成的树状网络内的子节点，收集子节点的数据信息并向网络协调器发送。此外，作为WSN的中间节点，在网络上层形成的网状网结构中，簇头节点还作为其他簇头节点的路由节点存在。

3.1.3 普通节点

普通节点通常仅具有传感数据采集和路由功能，一般布置在器材装备、作战人员随身携带或者分布在现场环境中。根据实体对象所需信息的不同，也可布置不同种类的传感器节点，提供包括温度、湿度、浓度、烟雾、压力、生理在内的多种信息采集功能。

在本文的分级网络拓扑结构中，节点之间依据组网机制形成簇树形网络结构，移动节点的移动性以及节点之间进行数据通信等都是需要解决的重点问题。针对网络协调器、簇头节点和普通节点的不同功能，其各自网络层设计也不同，如表2所示。

3.2 节点构成

为了实现节点的功能目标，节点应包括如下基本组成：

3.2.1 传感单元，由传感器在监测区域内采集信息并进行AD/DC数据转换；

表2 不同节点网络层功能

3.2.2 处理单元，是节点的控制中心，包括处理器、存储器以及嵌入式操作系统，控制整个节点的操作，存储、处理自身感应和其他节点传送的数据；

3.2.3 通信单元，是与其他节点交换控制信息和收发采集数据的传输途径；

3.2.4 能量供应单元，为节点其他单元提供能量。

此外，根据节点任务的需要，可以选择的其他功能包括：定位系统、移动系统、电源自供电系统等[4]。组成如图2所示。

图2 传感器节点构成

上文将节点划分为三种节点，其中簇头节点又分为静态簇头节点和移动簇头节点，虽然节点在网络中的功能不同，但是其基本组成是相同的，只是在硬件性能上有所差异。网络协调器是整个网络的主控节点，负责全部WSN数据的收发、管理及存储，需要极强的数据处理能力和最大的数据存储空间，因此其处理器和存储器最为强劲，还应具备额外的存储空间，其能量由车载电源负责提供。静态簇头节点和移动簇头节点是网络的骨干节点，负责局部数据的收发处理，需要一定数据处理能力和数据存储空间，节点能量由微型电池负责供电。此外，作为定位系统中的信标节点应具有定位系统，移动簇头节点还应具有移动系统。普通节点是网络的终端节点，硬件需求最低，可以选取精简功能设备。

灭火救援现场数据采集系统的实际建设中，可根据实际情况，选取市场上产品化、统一标准的传感器节点。目前市场上的传感器节点硬件均采用模块化设计，结构简单，体积小，接口简化，可直接在硬件上进行编程，已基本实现产品化，如基于CC2430芯

片的产品应用最为广泛。

在节点的实际应用中，网络协调器架设在通信指挥车中，是WSN/3G网关的组成部分。在灭火救援现场每个实体对象都应配备一个簇头节点和大量普通节点，共同实现对该对象的全部信息监测。无论是簇头节点还是普通节点，都具备传感单元，能够感知信息，根据被测对象的信息需求，灵活改变传感模块重构节点，当需要改变传感器类型时，只需把传感模块换成所需的传感器即可，而不用重新设计电路板和其他功能单元。

无论是簇头节点还是普通节点，既可以利用嵌入式技术布置于车辆、器材装备之中，用以监测被测对象的信息，也可以制作成独立的模块便于在灭火救援现场抛洒，用以监测环境信息。由于节点体积小，制作成独立模块的节点还应额外具备发光、发声功能，便于找寻。

4 结束语

基于ZigBee技术的灭火救援现场数据采集系统在现场数据采集管理方面具有突出的优势，不但能为指挥员提供决策支持，也能够提高战斗人员生命安全的保障能力，这也正是如今灭火救援工作最需

要的环节，该系统的研发能够成为当今灭火救援战斗的重要补充。

[1] 张琪．几种射频通信技术的比较和应用[C]//2008射频识别促进全球物流供应链透明化论坛，2008:60-66．

[2] Bhaskar Krishnamachari．Networking Wireless Sensors[M]．New York：Cambridge University Press，2005：1-2,12-14．

[3] 孙利民，李建中．无线传感器网络[M]．北京：清华大学出版社，2005:23-58．

[4] POTTIE G，KAISER W．Wireless Sensor Networks[J]．Communication of the ACM，2000，43(5):51-58．

[5] 丰国炳．微型应急指挥平台的研发和应用[J]．消防技术与产品信息，2009,(1):23-25．

[6] 孙忠武，周泳．ZIGBEE定位技术在消防通信指挥中的应用[J]．广东公安科技，2010,(1):54-58．

[7] 赵涛．应急救援指挥平台设计探讨[J]．现代商贸工业，2010,(19):329．

[8] 王援，赵丙辰，陈家芳,等．物联网技术及其在煤矿行业中的应用[J]．电脑知识与技术，2011,7(33):8322-8324．

(责任编辑 陈 华)

A Research of Fire Fighting and Rescue Field Data Acquisition System Based on the ZigBee Technology

PEI Jian-guo1，ZHANG Ying-hua1，ZHANG Xiang2

(1.DepartmentofFireCommanding,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China;2.TianjinFireCorps,Tianjin300000,China)

The digitization of fire fighting and rescue on a fire spot is a new direction in the development of fire science. In this paper, the fire fighting and rescue data acquisition system is designed based on the ZigBee technology. This system arms at the characteristics of the scene of fire fighting and rescue. Talking the cluster tree of hybrid network, this system can realize the connection between the fighting person, the equipment and the environment, which can provide information for the commanders fast, clearly, comprehensively and objectively.

ZigBee technology; fire fighting and rescue; data acquisition system; communication command

2015-02-26

河北省科技厅项目“基于物联网技术的灭火救援指挥平台研究”(13275603)

裴建国(1966— )男，河北文安人，教授； 张颖花(1977— )，女，河北大城人，讲师； 张翔(1987— )男，天津人。

TN925；D631.6

A

1008-2077(2015)04-0037-04