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(jī)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(shí)時監(jiān)測環(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，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(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(diǎn)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(fèi)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(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(jī)上，手機(jī)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(diǎn)，MEC設(shè)備提供應(yīng)用程序編程API接口服務(wù)，為應(yīng)用程序開發(fā)人員提供云計算功能和IT服務(wù)，并提供實(shí)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(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IEEE802.15.4協(xié)議的自組織網(wǎng)絡(luò)，其中每個節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于一個基站進(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(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(qiáng)，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(jī)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(jìn)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(jī)逃生導(dǎo)航系統(tǒng)需具備如下功能：（1）實(shí)時檢測建筑場所內(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)場人員通過手中的智能手機(jī)，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(diǎn)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(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、手機(jī)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(diǎn)（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(jìn)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(shí)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(jìn)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(jī)端啟動逃生引導(dǎo)系統(tǒng)，根據(jù)用戶手機(jī)的所在位置信號，比照數(shù)據(jù)庫中的指紋信息，對用戶進(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(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(jī)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(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(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(jìn)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(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-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(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(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)器平臺上對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，進(jìn)一步計算和分析數(shù)據(jù)。6

路徑分配算法當(dāng)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(diǎn)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(diǎn)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(dāng)前位置到達(dá)不同安全出口的最短路徑，并根據(jù)