基于Zigbee技术的公交火灾快速定位系统设计

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 公交车火灾已经成为公交安全的重要隐患,它威胁到人民群众的生命财产安全,使人们对公交车安全的信任度降低。公交车火灾的预防非常重要,而发生起火后的及时救援也同样极为重要。从发生火灾到联系人员救护需要一段时间,如果能尽可能缩短这段时间,当公交车发生火灾后救援人员能够在第一时间赶到现场,就会减少很多人员伤亡和财产损失。因此,公交起火后的快速定位和快速报警显得尤为重要。基于这种需要,本文提出了一种基于Zigbee无线网络的公交火灾快速定位系统,当位于公交车内的传感器检测到火灾时,能立即将信号传给消防中心,同时定位传感器也将公交车的位置上传给消防中心,消防中心就能立刻依据定位系统上报的地点安排对发生火灾的公交的消防救护工作,以将人身财产损失降到最低。Zigbee网络具有灵活简易的组网能力,成本、功耗较低,能够满足在大范围城市公交线路上组网检测、定位的要求。

1 系统总体设计

本公交火灾快速定位系统由底层数据采集网络、网关和上层管理中心组成。底层数据采集网络负责火灾信号和公交车位置两种信息的采集。网关负责构建、维护及管理Zigbee网络,同时将底层数据传给上层计算机。
上层的管理计算机位于消防中心,当收到火灾报警时控制人员可以立即知晓并派出消防车,同时联系医护人员进行救护。

网关在此选择Zigbee芯片CC2430进行设计。CC2430是系统级芯片(SOC),内部集成了工业级小巧高效的8051控制器。CC2430的核心是高性能的2.4 GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器。CC2430为Zigbee网络中的路由器和节点分配网络地址,起协调器的作用。

底层信息采集网络主要由检测火灾的传感节点和定位节点组成,同时包括协助定位并充当路由器功能的参考节点。火灾检测节点由烟感传感器、基于Zigbee标准的射频芯片CC2430组成,定位节点选用CC2431芯片进行设计。CC2431芯片内部具有定位引擎。图1为公交火灾定位系统框架图。采集到的现场信息由下至上传至管理中心计算机。


2 Zigbee无线网络


Zigbee具有简易灵活的组网能力,而它的功耗、成本与其它无线网络相比均具有优势,因此本设计中选用Zigbee网络进行数据传输。Zig bee的无线mesh网络可以以“多级跳”的方式实现信号传播,具有自组织和自愈功能。Zigbee网络的抗干扰性和可靠性均符合要求,其抗干扰性与蓝牙、WLAN在相同的情况下相比有明显优势。Zigbee技术在抗干扰能力和通信可靠性上的优势得益于RF物理层和通信协议上的设计。实验证明IEEE 802.15.4/ZigBee的误码率,特别是在信噪比为4 dB的情况下可达到10-9;达到同样误码率,蓝牙/802.15.1信噪比要达16 dB,802.11b要达10 dB,可见ZigBee的抗干扰性能明显高于蓝牙和WLAN。

3 定位原理

Zigbee芯片CC2431内部设计了定位引擎。定位系统中的参考节点选用CC2430进行设计。CC2431芯片使能后,将收集与多个参考节点通信时的信号强度值,利用三个参数(A值、N值、RSSI值)值,结合相应参考节点的坐标进行定位计算。三个参数中A值为距离发射机(CC2430/CC 2431)1 m远的RSSI绝对值;N值为距离发射机每增加1 m衰减的RSSI绝对值;RSSI为CC2430/CC2431信号强度,单位为dBm。计算中用到三角(三边)测量法。

三角(三边)测量的原理是,在地面选一系列控制点,相互连接成若干个三角形,构成各种网(锁)状图形。通过观测三角形的内角(或边长),再根据已知控制点的坐标、起始边的边长和坐标方位角,经解算三角形和坐标方位角推算可得到三角形各边的边长和坐标方位角,进而由直角坐标正算公式计算待定点的平面坐标。
该计算由硬件执行,占用很少的CPU资源,计算速度快,定位响应时间少于40μs。为了确保公交定位的准确性,沿途的参考点应保证一定数量,一次定位至少需要三个参考节点。

4 系统控制流程

系统的软件控制流程如图2所示。当系统初始化完成后,系统将不断扫描各个公交车火灾信号的状态值,当状态为发生火灾时,系统将立即发出声音警报。在覆盖公交行径整个区域的电子地图上,将以火焰的符号显示公交所在地点。同时,系统将发送短信给相关负责人员,通知他们发生火灾的公交地点,以便救援行动能够及时展开。


5 结论

本文中的城市公交车火灾快速定位系统能够缩短消防和医护人员对公交车进行救援的响应时间,对人民的出行安全有重要意义。采用的Zigbee网络组网灵活简易,成本和耗能较低,有利于系统投放到实际应用中。

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