基于ZigBee技术的物联网技术在高层建筑火灾救援中的应用探讨*

贾 雪

(吉林建筑工程学院电气与电子信息工程学院，长春 130118)

0 引言

改革开放30年来，城市人口的日益增长和城市用地的日趋紧张，高层建筑如雨后春笋般拔地而起.北京、上海、广东等地区的高层建筑的数量均已突破6 000幢，从深圳325 m的地王大厦，到上海420.5 m的金茂大厦，再到492 m的环球金融中心，高层建筑的高度在不断攀升.随着科学技术的进步以及新材料、新工艺的不断开发和应用，高层建筑的结构日趋复杂、功能日益繁多，逐步向现代化、大型化方向发展.由于高层建筑人口密集、楼层高、功能复杂、设备繁多、可燃物多，构成了极大的火灾隐患.与此同时，我们发现消防应急救援装备能力与高层建筑的发展严重失衡，这使得消防人员在人员疏散、火灾扑救工作中遇到了很大的困难，极易造成重大的人员伤亡、经济损失和政治影响.高层救援技术的提高和改善刻不容缓.本文主要利用物联网的核心技术无线射频识别技术和Zig bee技术，实现高层建筑被困人员的准确定位和疏导，为救援人员第一时间内进行扑救提供有利条件.

1 ZigBee技术与物联网技术

随着互联网技术、无线传感技术、信息处理技术的快速发展，物联网技术得到越来越多的重视.物联网是在计算机互联网的基础上，利用电子商品代码EPC，RFID和无线数据通信等技术，构造的一个覆盖世界上万事万物的信息网络，是独立于EPC系统和互联网技术整合的产物.物联网一方面可提高经济效益，大大节约成本，另一方面可为全球经济的复苏提供技术动力.ZigBee技术是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术，它是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线网络技术.它使用频段是全球通用的2.4GHz，该标准定义了在IEEE 802.15.4物理层(PHY)和标准媒体访问控制层(MAC)上的网络层及支持的应用服务，ZigBee联盟的长期目标是能够建立基于互操作平台和配置文件的可伸缩、低成本嵌入式基础架构［1］.

物联网技术核心是无线射频识别技术(RFID)，是一种非接触自动识别技术，又称电子标签.它是利用射频信号和空间(电磁或电感)耦合传输特性，实现对被识别物体的自动识别.基本的RFID系统至少包含阅读器(Reader)和RFID标签(Tag)，它具有读取速度快、存储空间大、工作距离远、穿透性强、工作环境适应强、可重复使用等多种优势.RFID标签由芯片与天线组成，每个标签具有唯一的电子编码，标签附着在物体上以表示目标对象［2］.

在实际运用中，是将电子标签附着在被识别物体的表面或内部，当带有电子标签的被识别物体进入磁场后，接收阅读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的物品信息，或者主动发送某一频率的信号;阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理，实现自动识别物品或自动收集物品标志信息的功能.目前RFID已大规模用于商品零售、仓储管理、生产流水线控制、动物识别、交通运输、军事物质跟踪、铁路系统等［3］.

2 高层建筑救援系统实现原理、组成及功能

系统主要由每层设置的许多Zig bee终端节点和Zig bee路由器、控制中心组成.每个Zig bee终端节点由读卡模块、温、湿度传感模块、感烟探测模块等组成.该节点负责完成读取该区域人员信息、环境温、湿度及烟雾浓度等，并通过Zig bee无线网络和CAN总线网络将这些信息传送到控制中心.利用每个Zig bee终端节点分配的ID号和Zig bee路由器的ID号相结合，可以准确定位人员在建筑物中的具体位置，并为其疏导和避难提供帮助，其救援系统结构图如图1.

高层建筑救援系统的组成及功能:

(1)Zig bee终端结点

Zig bee终端结点的上位机是Zig bee路由器，二者之间的通信是建立在Zig bee无线通信网络的基础上的.Zig bee终端结点结构如图2所示.

(2)基于射频卡的无线定位系统

Zig bee终端结点根据无线射频卡检测的网格密度，均匀分布于建筑物内的走廊和房间内，要求同一射频卡要有3个或3个以上的Zig bee终端结点同时检测到，便于控制中心计算机计算射频卡的位置信息.平时可采用此项技术对建筑物内的工作人员进行监控.当发生突发事件时，就可以通过Zig bee终端结点对生存者进行身份确认，并通过智能广播系统或Zig bee终端结点本身向被困人员发出最佳的逃生路线.当因建筑物的逃生路线均被损毁时，可以让被困人员第一时间引至建筑中的避难层或相对较安全的区域，方便救援人员对被困人员及时施救.

图1 救援系统的结构图

图2 Zig bee终端结点结构示意图

(3)Zig bee终端结点

Zig bee终端结点包括温、湿度传感器模块，感烟探测器模块、射频读卡模块等.温、湿度检测功能是当发生突发事件时规划人员逃生路线及避难场所引导的重要参考指标.当发生火灾时，温度高、湿度低的走廊或楼梯间等通道均不适合成为逃生路线［4］.因此，利用消防联动控制系统中的防火卷帘门、自动喷淋系统对火灾区域进行隔离和灭火.

感烟探测器模块主要是对火灾起着预警功能，适时检测每个Zig bee终端结点的烟雾浓度.当发生火灾时，对被困人员的逃生路线规划起到了一定的辅助作用.此部分主要解决烟雾浓度和A/D转换之间的关系.

(4)Zig bee路由器

Zig bee路由器分布在每个楼层.根据楼层结构的特点设计，至少放置一个.当2个或2个以上同时分布一个楼层时，可以分区放置.

Zig bee路由器的主要功能是接收来自于Zig bee终端结点的数据信息.每一个Zig bee终端结点与Zig bee路由器之间的数据通信链路是由Zig bee终端结点的安装位置和建筑物内部结构特点确定，但数据信息的格式是固定不变的.

各楼层Zig bee路由器之间的通信采用CAN总线网络相连接.其目的是保证数据准确、无误地进行通信的同时，增强了系统的稳定性和实用性.分布于一楼的Zig bee路由器具有信息汇总功能，并与上位的Zig bee中心结点无线连接.Zig bee中心结点负责将所有的数据信息传送到控制中心计算机上.

(5)控制中心计算机

控制中心计算机主要负责各种数据信息的汇总、各种设备的联动及逃生路线的规划等.在控制中心计算机上建立标准的MYSQL数据库，对采集到的数据进行保存和处理.结合房屋建筑学、运筹学、建筑设备及通道分布等，加上探测到的温度、湿度及烟雾情况，统筹规划逃生路线规划的算法，最大限度解救被困人员的生命.

3 结语

本文在充分考虑物联网系统的现有状况和深入分析技术难题的前提下，把RFID，ZigBee等技术融合在物联网开发平台中，构建一套基于ZigBee技术无线射频识别的物联网高层建筑定位系统，提高了高层建筑的火灾救援智能化水平，同时也增强了高层建筑的消防安全性.

［1］赵军辉.射频识别技术与应用［M］.北京:机械工业出版社，2008:1－22.

［2］姚朝军.基于信号强度的无线定位算法研究［J］.煤炭技术，2011(1):166.

［3］张 毅，唐 红.物联网综述［J］.数字通信，2010(4):24－27.

［4］张凤和，苏 丹.高层和地下建筑火灾防控对策［J］.消防控制科学与技术，2010(8):8－10.