基于Zigbee技術(shù)的失火公交定位系統(tǒng)

摘要：提出了一種公交火災(zāi)的快速定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用了Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在公交車(chē)內(nèi)裝配煙感傳感器和定位芯片，配合起著Zigbee網(wǎng)絡(luò)中路由和定位參考節(jié)點(diǎn)作用的Zigbee芯片，將公交車(chē)是否發(fā)生火災(zāi)的狀態(tài)以及公交車(chē)的實(shí)時(shí)位置發(fā)送給上級(jí)管理計(jì)算機(jī)。該系統(tǒng)能夠縮短公交發(fā)生火災(zāi)后的救援響應(yīng)時(shí)間，減少人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)損失，在實(shí)際應(yīng)用中有重要意義。
關(guān)鍵詞：Zigbee；火災(zāi)；定位

    公交車(chē)火災(zāi)已經(jīng)成為公交安全的重要隱患，它威脅到人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，使人們對(duì)公交車(chē)安全的信任度降低。公交車(chē)火災(zāi)的預(yù)防非常重要，而發(fā)生起火后的及時(shí)救援也同樣極為重要。從發(fā)生火災(zāi)到聯(lián)系人員救護(hù)需要一段時(shí)間，如果能盡可能縮短這段時(shí)間，當(dāng)公交車(chē)發(fā)生火災(zāi)后救援人員能夠在第一時(shí)間趕到現(xiàn)場(chǎng)，就會(huì)減少很多人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，公交起火后的快速定位和快速報(bào)警顯得尤為重要?；谶@種需要，本文提出了一種基于Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的公交火災(zāi)快速定位系統(tǒng)，當(dāng)位于公交車(chē)內(nèi)的傳感器檢測(cè)到火災(zāi)時(shí)，能立即將信號(hào)傳給消防中心，同時(shí)定位傳感器也將公交車(chē)的位置上傳給消防中心，消防中心就能立刻依據(jù)定位系統(tǒng)上報(bào)的地點(diǎn)安排對(duì)發(fā)生火災(zāi)的公交的消防救護(hù)工作，以將人身財(cái)產(chǎn)損失降到最低。Zigbee網(wǎng)絡(luò)具有靈活簡(jiǎn)易的組網(wǎng)能力，成本、功耗較低，能夠滿(mǎn)足在大范圍城市公交線路上組網(wǎng)檢測(cè)、定位的要求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    本公交火災(zāi)快速定位系統(tǒng)由底層數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)和上層管理中心組成。底層數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)火災(zāi)信號(hào)和公交車(chē)位置兩種信息的采集。網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)構(gòu)建、維護(hù)及管理Zigbee網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)將底層數(shù)據(jù)傳給上層計(jì)算機(jī)。
    上層的管理計(jì)算機(jī)位于消防中心，當(dāng)收到火災(zāi)報(bào)警時(shí)控制人員可以立即知曉并派出消防車(chē)，同時(shí)聯(lián)系醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行救護(hù)。
    網(wǎng)關(guān)在此選擇Zigbee芯片CC2430進(jìn)行設(shè)計(jì)。CC2430是系統(tǒng)級(jí)芯片(SOC)，內(nèi)部集成了工業(yè)級(jí)小巧高效的8051控制器。CC2430的核心是高性能的2．4 GHz DSSS(直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器。CC2430為Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的路由器和節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址，起協(xié)調(diào)器的作用。
    底層信息采集網(wǎng)絡(luò)主要由檢測(cè)火災(zāi)的傳感節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)組成，同時(shí)包括協(xié)助定位并充當(dāng)路由器功能的參考節(jié)點(diǎn)?；馂?zāi)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)由煙感傳感器、基于Zigbee標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片CC2430組成，定位節(jié)點(diǎn)選用CC2431芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。CC2431芯片內(nèi)部具有定位引擎。圖1為公交火災(zāi)定位系統(tǒng)框架圖。采集到的現(xiàn)場(chǎng)信息由下至上傳至管理中心計(jì)算機(jī)。

2 Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)
    Zigbee具有簡(jiǎn)易靈活的組網(wǎng)能力，而它的功耗、成本與其它無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相比均具有優(yōu)勢(shì)，因此本設(shè)計(jì)中選用Zigbee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。Zig bee的無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)可以以“多級(jí)跳”的方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳播，具有自組織和自愈功能。Zigbee網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性和可靠性均符合要求，其抗干擾性與藍(lán)牙、WLAN在相同的情況下相比有明顯優(yōu)勢(shì)。Zigbee技術(shù)在抗干擾能力和通信可靠性上的優(yōu)勢(shì)得益于RF物理層和通信協(xié)議上的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)證明IEEE 802．15．4／ZigBee的誤碼率，特別是在信噪比為4 dB的情況下可達(dá)到10-9；達(dá)到同樣誤碼率，藍(lán)牙／802．15．1信噪比要達(dá)16 dB，802．11b要達(dá)10 dB，可見(jiàn)ZigBee的抗干擾性能明顯高于藍(lán)牙和WLAN。

3 定位原理
    Zigbee芯片CC2431內(nèi)部設(shè)計(jì)了定位引擎。定位系統(tǒng)中的參考節(jié)點(diǎn)選用CC2430進(jìn)行設(shè)計(jì)。CC2431芯片使能后，將收集與多個(gè)參考節(jié)點(diǎn)通信時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度值，利用三個(gè)參數(shù)(A值、N值、RSSI值)值，結(jié)合相應(yīng)參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行定位計(jì)算。三個(gè)參數(shù)中A值為距離發(fā)射機(jī)(CC2430／CC 2431)1 m遠(yuǎn)的RSSI絕對(duì)值；N值為距離發(fā)射機(jī)每增加1 m衰減的RSSI絕對(duì)值；RSSI為CC2430／CC2431信號(hào)強(qiáng)度，單位為dBm。計(jì)算中用到三角(三邊)測(cè)量法。
    三角(三邊)測(cè)量的原理是，在地面選一系列控制點(diǎn)，相互連接成若干個(gè)三角形，構(gòu)成各種網(wǎng)(鎖)狀圖形。通過(guò)觀測(cè)三角形的內(nèi)角(或邊長(zhǎng))，再根據(jù)已知控制點(diǎn)的坐標(biāo)、起始邊的邊長(zhǎng)和坐標(biāo)方位角，經(jīng)解算三角形和坐標(biāo)方位角推算可得到三角形各邊的邊長(zhǎng)和坐標(biāo)方位角，進(jìn)而由直角坐標(biāo)正算公式計(jì)算待定點(diǎn)的平面坐標(biāo)。
    該計(jì)算由硬件執(zhí)行，占用很少的CPU資源，計(jì)算速度快，定位響應(yīng)時(shí)間少于40μs。為了確保公交定位的準(zhǔn)確性，沿途的參考點(diǎn)應(yīng)保證一定數(shù)量，一次定位至少需要三個(gè)參考節(jié)點(diǎn)。

4 系統(tǒng)控制流程
    系統(tǒng)的軟件控制流程如圖2所示。當(dāng)系統(tǒng)初始化完成后，系統(tǒng)將不斷掃描各個(gè)公交車(chē)火災(zāi)信號(hào)的狀態(tài)值，當(dāng)狀態(tài)為發(fā)生火災(zāi)時(shí)，系統(tǒng)將立即發(fā)出聲音警報(bào)。在覆蓋公交行徑整個(gè)區(qū)域的電子地圖上，將以火焰的符號(hào)顯示公交所在地點(diǎn)。同時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)送短信給相關(guān)負(fù)責(zé)人員，通知他們發(fā)生火災(zāi)的公交地點(diǎn)，以便救援行動(dòng)能夠及時(shí)展開(kāi)。

5 結(jié)論
    本文中的城市公交車(chē)火災(zāi)快速定位系統(tǒng)能夠縮短消防和醫(yī)護(hù)人員對(duì)公交車(chē)進(jìn)行救援的響應(yīng)時(shí)間，對(duì)人民的出行安全有重要意義。采用的Zigbee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)靈活簡(jiǎn)易，成本和耗能較低，有利于系統(tǒng)投放到實(shí)際應(yīng)用中。