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

摘

要：設(shè)計了一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)和MEC技術(shù)的火災(zāi)手機導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過在建筑內(nèi)安裝傳感器和ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實時監(jiān)測環(huán)境信息，并將信息傳輸給MEC服務(wù)器，當發(fā)生火災(zāi)時，系統(tǒng)發(fā)出報警信息并對逃生路徑上的有毒氣體、溫度、路線長度等數(shù)據(jù)進行綜合分析，在手機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，具有極大的實用價值。關(guān)鍵詞：ZigBee網(wǎng)絡(luò)；火災(zāi)手機導(dǎo)航；MEC技術(shù)0

引言我國很多大型商場、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)人員不知道火勢大小和著火點位置，不知道哪條路線距離安全出口最近，可能會盲目亂跑，浪費寶貴的逃生時間。針對這種情況，本文設(shè)計了一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)和MEC技術(shù)的火災(zāi)手機導(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)，實時監(jiān)測環(huán)境信息并傳送數(shù)據(jù)到MEC服務(wù)器，MEC服務(wù)器分析并存儲數(shù)據(jù)，一旦發(fā)生火災(zāi)，系統(tǒng)將發(fā)出報警信息，啟動現(xiàn)場報警裝置，并及時把地圖和導(dǎo)航數(shù)據(jù)發(fā)送到火災(zāi)現(xiàn)場被困人員的手機上，手機上就會出現(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。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（Mobileedgecomputing）移動邊緣服務(wù)器技術(shù)，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，提供計算、網(wǎng)絡(luò)和存儲功能。MEC技術(shù)把MEC平臺設(shè)備部署在原來的核心網(wǎng)與無線基站之間，通過MEC平臺將數(shù)據(jù)下沉到無線網(wǎng)絡(luò)中，縮短了端到端業(yè)務(wù)的時延，這種邊緣化的部署能夠大大提升網(wǎng)絡(luò)速度，減少信息傳送的時延。MEC技術(shù)具有交互性特點，MEC設(shè)備提供應(yīng)用程序編程API接口服務(wù)，為應(yīng)用程序開發(fā)人員提供云計算功能和IT服務(wù)，并提供實時訪問無線網(wǎng)絡(luò)的功能。邊緣計算對于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用具有極大的推動作用。在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中，隨著傳感器應(yīng)用數(shù)量不斷增加，對網(wǎng)絡(luò)傳送速度的要求越來越高，MEC技術(shù)優(yōu)勢足以滿足這些方面的需求。所以應(yīng)用MEC技術(shù)，可以縮短檢測到火災(zāi)參數(shù)信息的傳送時間，可以在火災(zāi)發(fā)生瞬間在手機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)的實現(xiàn)提供了技術(shù)支持。ZigBee網(wǎng)絡(luò)是一種基于IEEE802.15.4協(xié)議的自組織網(wǎng)絡(luò)，其中每個節(jié)點相當于一個基站進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織。Zigbee技術(shù)適用于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點較多的網(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，是現(xiàn)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)常用的一種組網(wǎng)方式。本文的設(shè)計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)點多、低能耗和低成本的特點最符合本系統(tǒng)需求，所以本系統(tǒng)采用ZigBee組網(wǎng)方式。2

系統(tǒng)特點本系統(tǒng)應(yīng)用MEC平臺代替?zhèn)鹘y(tǒng)的云計算平臺，MEC平臺部署在網(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，可大大縮短從采集數(shù)據(jù)到發(fā)送至服務(wù)器，再從服務(wù)器發(fā)送導(dǎo)航信息到手機的時間，為人員逃生預(yù)留出足夠的時間。在MEC架構(gòu)中，移動終端設(shè)備產(chǎn)生的本地業(yè)務(wù)可以直接請求MEC設(shè)備進行處理，MEC設(shè)備很容易判斷到每個終端設(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、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)場手機逃生導(dǎo)航系統(tǒng)需具備如下功能：（1）實時檢測建筑場所內(nèi)的各項數(shù)據(jù)，一旦達到指標，發(fā)出火警信息。（2）現(xiàn)場人員通過手中的智能手機，及時得到關(guān)于本建筑逃生通道的路徑信息。系統(tǒng)能夠通過整合各條逃生通道上經(jīng)過的各檢測點的溫度、有害氣體和距離長度等信息，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)計的基于MEC技術(shù)的火災(zāi)手機逃生導(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、手機平臺組成。4.1

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)建筑內(nèi)部布置監(jiān)控節(jié)點（煙霧、溫度、CO傳感器等），與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成無線網(wǎng)絡(luò)，把采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到MEC平臺，由火災(zāi)監(jiān)控模塊進行數(shù)據(jù)分析和計算。4.2

MEC服務(wù)器平臺MEC平臺具備服務(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，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和計算功能，在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫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)采集模塊通過無線網(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)，對接收到的信息進行綜合分析，一旦判定發(fā)生了火災(zāi)，則發(fā)出報警信號，啟動現(xiàn)場的報警設(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：用戶手機端啟動逃生引導(dǎo)系統(tǒng)，根據(jù)用戶手機的所在位置信號，比照數(shù)據(jù)庫中的指紋信息，對用戶進行精確定位。（3）地圖服務(wù)和引導(dǎo)模塊：用戶手機端啟動逃生引導(dǎo)系統(tǒng)后，從地圖數(shù)據(jù)庫中讀取室內(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)用得到各個傳感器節(jié)點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)定位模塊的個人位置信息，綜合分析和計算得出逃生引導(dǎo)路徑，把地圖信息和引導(dǎo)信息傳送給手機端。（4）數(shù)據(jù)庫：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平臺啟動系統(tǒng)時，手機終端先進行自我定位：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)定位模塊得出的當前位置信息和地圖信息進行計算后，返回地圖和引導(dǎo)路徑，在手機端顯示地圖和引導(dǎo)信息。手機端采用多線程編程方式，實現(xiàn)APP內(nèi)相關(guān)功能，運行手機電子地圖，顯示位置定位和火災(zāi)逃生路徑。手機電子地圖軟件由SuperMap制作。5

數(shù)據(jù)采集模塊的詳細設(shè)計數(shù)據(jù)采集模塊如圖1所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)進行數(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，通過網(wǎng)關(guān)接入移動網(wǎng)絡(luò)，通過基站將數(shù)據(jù)上傳至MEC服務(wù)器平臺。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）對采集信號進行處理的微處理器單元；（3）用來接收和發(fā)送無線信號的無線傳輸單元；（4）供電電源。傳感器單元負責(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-2CO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)點作用是將距離網(wǎng)關(guān)較遠的終端設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)。負責(zé)處理子節(jié)點的入網(wǎng)和離網(wǎng)請求，為子節(jié)點分配地址等。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，功能是管理整個網(wǎng)絡(luò)，起到網(wǎng)關(guān)的作用，一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中只能有一個協(xié)調(diào)器節(jié)點。5.2

數(shù)據(jù)采集流程收集信息流程如下：服務(wù)器平臺上的管理程序周期性發(fā)出命令進行數(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)器平臺上對傳感器數(shù)據(jù)進行保存，進一步計算和分析數(shù)據(jù)。6

路徑分配算法當火災(zāi)發(fā)生時，為了讓人員都能安全逃生，在設(shè)計引導(dǎo)路徑時，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)各個節(jié)點的傳感器的探測數(shù)據(jù)以及定位技術(shù)得到的人員情況，首先排除所有火勢太大無法通過的出口和路徑，然后安排安全出口附近的人員以及離著火點很近的人按照最短路徑想辦法離開，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，為每個人規(guī)劃出從當前位置到達不同安全出口的最短路徑，并根據(jù)