基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)和MEC技術(shù)的火災(zāi)手機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)和MEC技術(shù)的火災(zāi)手機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)在建筑內(nèi)安裝傳感器和ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境信息，并將信息傳輸給MEC服務(wù)器，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信息并對(duì)逃生路徑上的有毒氣體、溫度、路線長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，在手機(jī)上為人員提供安全逃生通道的引導(dǎo)。該系統(tǒng)采用MEC技術(shù)，使信息傳輸更迅速、穩(wěn)定，具有極大的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：ZigBee網(wǎng)絡(luò);火災(zāi)手機(jī)導(dǎo)航;MEC技術(shù)

0 引言

我國(guó)很多大型商場(chǎng)、候車廳等建筑，往往面積很大且建筑格局復(fù)雜，一旦發(fā)生火災(zāi)，建筑內(nèi)人員不知道火勢(shì)大小和著火點(diǎn)位置，不知道哪條路線距離安全出口最近，可能會(huì)盲目亂跑，浪費(fèi)寶貴的逃生時(shí)間。針對(duì)這種情況，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)和MEC技術(shù)的火災(zāi)手機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)在建筑內(nèi)部各通道布置傳感器組成ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境信息并傳送數(shù)據(jù)到MEC服務(wù)器，MEC服務(wù)器分析并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，一旦發(fā)生火災(zāi)，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警信息，啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警裝置，并及時(shí)把地圖和導(dǎo)航數(shù)據(jù)發(fā)送到火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)被困人員的手機(jī)上，手機(jī)上就會(huì)出現(xiàn)最佳逃生通道導(dǎo)航地圖，幫助被困者逃離火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)。

1 MEC技術(shù)和ZigBee系統(tǒng)概述

MEC是4G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)向5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，MEC（Mobile edge computing）移動(dòng)邊緣服務(wù)器技術(shù)[1]，是指在靠近數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)部署服務(wù)器，提供計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)功能[2]。

MEC技術(shù)把MEC平臺(tái)設(shè)備部署在原來(lái)的核心網(wǎng)與無(wú)線基站之間，通過(guò)MEC平臺(tái)將數(shù)據(jù)下沉到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，縮短了端到端業(yè)務(wù)的時(shí)延，這種邊緣化的部署能夠大大提升網(wǎng)絡(luò)速度，減少信息傳送的時(shí)延[2]。

MEC技術(shù)具有交互性特點(diǎn)，MEC設(shè)備提供應(yīng)用程序編程API接口服務(wù)，為應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)人員提供云計(jì)算功能和IT服務(wù)，并提供實(shí)時(shí)訪問(wèn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的功能。

邊緣計(jì)算對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用具有極大的推動(dòng)作用。在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中，隨著傳感器應(yīng)用數(shù)量不斷增加，對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳送速度的要求越來(lái)越高，MEC技術(shù)優(yōu)勢(shì)足以滿足這些方面的需求。所以應(yīng)用MEC技術(shù)，可以縮短檢測(cè)到火災(zāi)參數(shù)信息的傳送時(shí)間，可以在火災(zāi)發(fā)生瞬間在手機(jī)上給出逃生路徑的指引。5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和MEC技術(shù)的支持，使信息傳遞非常迅速、穩(wěn)定，為本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)支持。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)是一種基于IEEE 802.15.4協(xié)議的自組織網(wǎng)絡(luò)[3]，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于一個(gè)基站進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織。Zigbee技術(shù)適用于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)較多的網(wǎng)絡(luò)，可以嵌入各種設(shè)備，具有能耗低、成本低、距離短等特點(diǎn)，是現(xiàn)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)常用的一種組網(wǎng)方式[4]。本文的設(shè)計(jì)方案是在大型建筑內(nèi)部建立密集的傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳輸距離要求不高，而ZigBee技術(shù)節(jié)點(diǎn)多、低能耗和低成本的特點(diǎn)最符合本系統(tǒng)需求，所以本系統(tǒng)采用ZigBee組網(wǎng)方式。

2 系統(tǒng)特點(diǎn)

本系統(tǒng)應(yīng)用MEC平臺(tái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的云計(jì)算平臺(tái)，MEC平臺(tái)部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣，MEC設(shè)備更靠近數(shù)據(jù)源側(cè)和用戶側(cè)，可以在本地處理數(shù)據(jù)，不需要將數(shù)據(jù)上傳至云端，因此，網(wǎng)絡(luò)傳輸速度更快，數(shù)據(jù)傳送的可靠性增強(qiáng)，可大大縮短從采集數(shù)據(jù)到發(fā)送至服務(wù)器，再?gòu)姆?wù)器發(fā)送導(dǎo)航信息到手機(jī)的時(shí)間，為人員逃生預(yù)留出足夠的時(shí)間。

在MEC架構(gòu)中，移動(dòng)終端設(shè)備產(chǎn)生的本地業(yè)務(wù)可以直接請(qǐng)求MEC設(shè)備進(jìn)行處理，MEC設(shè)備很容易判斷到每個(gè)終端設(shè)備的位置信息，從而有助于定位人員的所在位置，方便人員及時(shí)、有效地找到逃生通道。

3 系統(tǒng)功能需求

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)手機(jī)逃生導(dǎo)航系統(tǒng)需具備如下功能：

（1）實(shí)時(shí)檢測(cè)建筑場(chǎng)所內(nèi)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，一旦達(dá)到指標(biāo)，發(fā)出火警信息。

（2）現(xiàn)場(chǎng)人員通過(guò)手中的智能手機(jī)，及時(shí)得到關(guān)于本建筑逃生通道的路徑信息。系統(tǒng)能夠通過(guò)整合各條逃生通道上經(jīng)過(guò)的各檢測(cè)點(diǎn)的溫度、有害氣體和距離長(zhǎng)度等信息，智能分析出最合適的逃生通道。

（3）傳送火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的信息給消防指揮部門，為消防人員提供基本信息。

4 系統(tǒng)整體框架

本文設(shè)計(jì)的基于MEC技術(shù)的火災(zāi)手機(jī)逃生導(dǎo)航系統(tǒng)的整體框架主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、MEC服務(wù)器平臺(tái)、手機(jī)平臺(tái)組成。

4.1? ? 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

建筑內(nèi)部布置監(jiān)控節(jié)點(diǎn)（煙霧、溫度、CO傳感器等），與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，把采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到MEC平臺(tái)，由火災(zāi)監(jiān)控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和計(jì)算。

4.2? ? MEC服務(wù)器平臺(tái)

MEC平臺(tái)具備服務(wù)器配置和網(wǎng)絡(luò)通信功能，能夠架構(gòu)數(shù)據(jù)可靠的數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算功能，在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中存放該建筑的地圖數(shù)據(jù)（包括傳感器位置信息、建筑物通道等數(shù)據(jù)）。MEC服務(wù)器提供API接口，方便用戶部署應(yīng)用程序，本系統(tǒng)的火災(zāi)監(jiān)控模塊、定位服務(wù)模塊、地圖服務(wù)和引導(dǎo)模塊等功能模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)均部署在MEC服務(wù)器上。

（1）火災(zāi)監(jiān)控模塊：接收數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送的溫度、煙霧濃度、CO濃度數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，對(duì)接收到的信息進(jìn)行綜合分析，一旦判定發(fā)生了火災(zāi)，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的報(bào)警設(shè)備，還可以把火情信息數(shù)據(jù)傳遞給消防部門的消防指揮系統(tǒng)。

（2）定位服務(wù)模塊：用戶手機(jī)端啟動(dòng)逃生引導(dǎo)系統(tǒng)，根據(jù)用戶手機(jī)的所在位置信號(hào)，比照數(shù)據(jù)庫(kù)中的指紋信息，對(duì)用戶進(jìn)行精確定位。

（3）地圖服務(wù)和引導(dǎo)模塊：用戶手機(jī)端啟動(dòng)逃生引導(dǎo)系統(tǒng)后，從地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取室內(nèi)地圖信息，生成室內(nèi)地圖，再根據(jù)從火災(zāi)監(jiān)控模塊調(diào)用得到各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息和火情數(shù)據(jù)信息，判斷各通道路徑的火情狀態(tài)，根據(jù)定位模塊的個(gè)人位置信息，綜合分析和計(jì)算得出逃生引導(dǎo)路徑，把地圖信息和引導(dǎo)信息傳送給手機(jī)端。

（4）數(shù)據(jù)庫(kù)：主要包括室內(nèi)地圖數(shù)據(jù)、定位用的位置指紋數(shù)據(jù)、傳感器傳送的數(shù)據(jù)和位置信息。

4.3? ? Android平臺(tái)

啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，手機(jī)終端先進(jìn)行自我定位：傳送位置信息到定位服務(wù)模塊，地圖服務(wù)和引導(dǎo)模塊根據(jù)定位模塊得出的當(dāng)前位置信息和地圖信息進(jìn)行計(jì)算后，返回地圖和引導(dǎo)路徑，在手機(jī)端顯示地圖和引導(dǎo)信息。手機(jī)端采用多線程編程方式，實(shí)現(xiàn)APP內(nèi)相關(guān)功能，運(yùn)行手機(jī)電子地圖，顯示位置定位和火災(zāi)逃生路徑。手機(jī)電子地圖軟件由SuperMap制作。

5 數(shù)據(jù)采集模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集和傳輸。ZigBee網(wǎng)絡(luò)分為ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器、ZigBee終端。ZigBee終端設(shè)備將溫度等傳感器數(shù)據(jù)傳送給ZigBee協(xié)調(diào)器，通過(guò)網(wǎng)關(guān)接入移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)基站將數(shù)據(jù)上傳至MEC服務(wù)器平臺(tái)。

5.1? ? 數(shù)據(jù)采集的硬件結(jié)構(gòu)

5.1.1? ? ZigBee終端

ZigBee終端結(jié)構(gòu)包括4部分：（1）傳感器單元;（2）對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行處理的微處理器單元;（3）用來(lái)接收和發(fā)送無(wú)線信號(hào)的無(wú)線傳輸單元;（4）供電電源。

傳感器單元負(fù)責(zé)采集3種火災(zāi)參數(shù)：溫度參數(shù)用DS18B20傳感器、煙霧濃度參數(shù)用MQ-2 CO傳感器、濃度參數(shù)用MQ-7傳感器。

5.1.2? ? ZigBee路由器

路由器節(jié)點(diǎn)作用是將距離網(wǎng)關(guān)較遠(yuǎn)的終端設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。負(fù)責(zé)處理子節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)和離網(wǎng)請(qǐng)求，為子節(jié)點(diǎn)分配地址等。

5.1.3? ? ZigBee協(xié)調(diào)器

協(xié)調(diào)器是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的總控制器，功能是管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，起到網(wǎng)關(guān)的作用，一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中只能有一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

5.2? ? 數(shù)據(jù)采集流程

收集信息流程如下：服務(wù)器平臺(tái)上的管理程序周期性發(fā)出命令進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，網(wǎng)關(guān)將命令數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為ZigBee網(wǎng)絡(luò)消息格式，且通過(guò)廣播方式發(fā)送該命令給ZigBee終端，終端傳感器設(shè)備將數(shù)據(jù)反饋給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，等到所有傳感器傳回的數(shù)據(jù)收集完成后，組合打包發(fā)送給管理程序，以減少網(wǎng)絡(luò)消息數(shù)據(jù)，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源。管理程序在服務(wù)器平臺(tái)上對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，進(jìn)一步計(jì)算和分析數(shù)據(jù)。

6 路徑分配算法

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，為了讓人員都能安全逃生，在設(shè)計(jì)引導(dǎo)路徑時(shí)，既要考慮路徑要短，又要避免人多發(fā)生擁堵，還要考慮逃生路徑上的溫度、CO濃度和有害氣體濃度等是否允許人員安全通過(guò)等多方面因素。所以本方案逃生導(dǎo)航路徑規(guī)劃的策略是：根據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳感器的探測(cè)數(shù)據(jù)以及定位技術(shù)得到的人員情況，首先排除所有火勢(shì)太大無(wú)法通過(guò)的出口和路徑，然后安排安全出口附近的人員以及離著火點(diǎn)很近的人按照最短路徑想辦法離開(kāi)，然后再排除已經(jīng)比較擁堵的出口和路徑，利用最短路徑算法為剩下的人規(guī)劃路徑，為每個(gè)人規(guī)劃出從當(dāng)前位置到達(dá)不同安全出口的最短路徑，并根據(jù)不同安全出口的逃生容量，對(duì)人員的逃生路徑進(jìn)行協(xié)調(diào)分配。

7 結(jié)語(yǔ)

目前傳感器、ZigBee組網(wǎng)設(shè)備等硬件設(shè)施價(jià)格都很便宜，如果在大型購(gòu)物中心、車站等大型建筑內(nèi)部架設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，在服務(wù)器和手機(jī)端部署和安裝應(yīng)用程序，建筑內(nèi)人員就可以在關(guān)鍵時(shí)刻通過(guò)手機(jī)迅速得到逃生指引，在大型建筑和公共場(chǎng)所火災(zāi)發(fā)生后，能夠?yàn)槿藛T節(jié)省寶貴的逃生時(shí)間，具有極大的實(shí)用價(jià)值和社會(huì)意義。

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收稿日期：2020-06-22

作者簡(jiǎn)介：唐寶燕（1972—），山東青州人，碩士，副教授，從事計(jì)算機(jī)技術(shù)教學(xué)工作。