基于ZigBee网络和MEC技术的火灾手机导航系统设计

摘要：设计了一种基于ZigBee网络和MEC技术的火灾手机导航系统。该系统通过在建筑内安装传感器和ZigBee网络，实时监测环境信息，并将信息传输给MEC服务器，当发生火灾时，系统发出报警信息并对逃生路径上的有毒气体、温度、路线长度等数据进行综合分析，在手机上为人员提供安全逃生通道的引导。该系统采用MEC技术，使信息传输更迅速、稳定，具有极大的实用价值。

关键词：ZigBee网络;火灾手机导航;MEC技术

0 引言

我国很多大型商场、候车厅等建筑，往往面积很大且建筑格局复杂，一旦发生火灾，建筑内人员不知道火势大小和着火点位置，不知道哪条路线距离安全出口最近，可能会盲目乱跑，浪费宝贵的逃生时间。针对这种情况，本文设计了一种基于ZigBee网络和MEC技术的火灾手机导航系统。该系统在建筑内部各通道布置传感器组成ZigBee网络，实时监测环境信息并传送数据到MEC服务器，MEC服务器分析并存储数据，一旦发生火灾，系统将发出报警信息，启动现场报警装置，并及时把地图和导航数据发送到火灾现场被困人员的手机上，手机上就会出现最佳逃生通道导航地图，帮助被困者逃离火灾现场。

1 MEC技术和ZigBee系统概述

MEC是4G网络架构向5G网络架构发展的关键技术，MEC（Mobile edge computing）移动边缘服务器技术[1]，是指在靠近数据源头的网络边缘侧部署服务器，提供计算、网络和存储功能[2]。

MEC技术把MEC平台设备部署在原来的核心网与无线基站之間，通过MEC平台将数据下沉到无线网络中，缩短了端到端业务的时延，这种边缘化的部署能够大大提升网络速度，减少信息传送的时延[2]。

MEC技术具有交互性特点，MEC设备提供应用程序编程API接口服务，为应用程序开发人员提供云计算功能和IT服务，并提供实时访问无线网络的功能。

边缘计算对于物联网的应用具有极大的推动作用。在物联网发展过程中，随着传感器应用数量不断增加，对网络传送速度的要求越来越高，MEC技术优势足以满足这些方面的需求。所以应用MEC技术，可以缩短检测到火灾参数信息的传送时间，可以在火灾发生瞬间在手机上给出逃生路径的指引。5G网络的应用和MEC技术的支持，使信息传递非常迅速、稳定，为本系统的实现提供了技术支持。

ZigBee网络是一种基于IEEE 802.15.4协议的自组织网络[3]，其中每个节点相当于一个基站进行数据转发，实现网络的自组织。Zigbee技术适用于网络节点较多的网络，可以嵌入各种设备，具有能耗低、成本低、距离短等特点，是现在无线传感器网络常用的一种组网方式[4]。本文的设计方案是在大型建筑内部建立密集的传感器网络，传输距离要求不高，而ZigBee技术节点多、低能耗和低成本的特点最符合本系统需求，所以本系统采用ZigBee组网方式。

2 系统特点

本系统应用MEC平台代替传统的云计算平台，MEC平台部署在网络边缘，MEC设备更靠近数据源侧和用户侧，可以在本地处理数据，不需要将数据上传至云端，因此，网络传输速度更快，数据传送的可靠性增强，可大大缩短从采集数据到发送至服务器，再从服务器发送导航信息到手机的时间，为人员逃生预留出足够的时间。

在MEC架构中，移动终端设备产生的本地业务可以直接请求MEC设备进行处理，MEC设备很容易判断到每个终端设备的位置信息，从而有助于定位人员的所在位置，方便人员及时、有效地找到逃生通道。

3 系统功能需求

基于物联网技术的火灾现场手机逃生导航系统需具备如下功能：

（1）实时检测建筑场所内的各项数据，一旦达到指标，发出火警信息。

（2）现场人员通过手中的智能手机，及时得到关于本建筑逃生通道的路径信息。系统能够通过整合各条逃生通道上经过的各检测点的温度、有害气体和距离长度等信息，智能分析出最合适的逃生通道。

（3）传送火灾现场的信息给消防指挥部门，为消防人员提供基本信息。

4 系统整体框架

本文设计的基于MEC技术的火灾手机逃生导航系统的整体框架主要由数据采集系统、MEC服务器平台、手机平台组成。

4.1    数据采集系统

建筑内部布置监控节点（烟雾、温度、CO传感器等），与网络设备组成无线网络，把采集的数据发送到MEC平台，由火灾监控模块进行数据分析和计算。

4.2    MEC服务器平台

MEC平台具备服务器配置和网络通信功能，能够架构数据可靠的数据库，实现数据存储和计算功能，在系统数据库中存放该建筑的地图数据（包括传感器位置信息、建筑物通道等数据）。MEC服务器提供API接口，方便用户部署应用程序，本系统的火灾监控模块、定位服务模块、地图服务和引导模块等功能模块和数据库均部署在MEC服务器上。

（1）火灾监控模块：接收数据采集模块通过无线网络传送的温度、烟雾浓度、CO浓度数据，利用数据融合技术，对接收到的信息进行综合分析，一旦判定发生了火灾，则发出报警信号，启动现场的报警设备，还可以把火情信息数据传递给消防部门的消防指挥系统。

（2）定位服务模块：用户手机端启动逃生引导系统，根据用户手机的所在位置信号，比照数据库中的指纹信息，对用户进行精确定位。

（3）地图服务和引导模块：用户手机端启动逃生引导系统后，从地图数据库中读取室内地图信息，生成室内地图，再根据从火灾监控模块调用得到各个传感器节点的位置信息和火情数据信息，判断各通道路径的火情状态，根据定位模块的个人位置信息，综合分析和计算得出逃生引导路径，把地图信息和引导信息传送给手机端。

（4）数据库：主要包括室内地图数据、定位用的位置指纹数据、传感器传送的数据和位置信息。

4.3    Android平台

启动系统时，手机终端先进行自我定位：传送位置信息到定位服务模块，地图服务和引导模块根据定位模块得出的当前位置信息和地图信息进行计算后，返回地图和引导路径，在手机端显示地图和引导信息。手机端采用多线程编程方式，实现APP内相关功能，运行手机电子地图，显示位置定位和火灾逃生路径。手机电子地图软件由SuperMap制作。

5 数据采集模块的详细设计

数据采集模块如图1所示。

数据采集系统通过ZigBee网络进行数据的收集和传输。ZigBee网络分为ZigBee协调器、ZigBee路由器、ZigBee终端。ZigBee终端设备将温度等传感器数据传送给ZigBee协调器，通过网关接入移动网络，通过基站将数据上传至MEC服务器平台。

5.1    数据采集的硬件结构

5.1.1    ZigBee终端

ZigBee终端结构包括4部分：（1）传感器单元;（2）对采集信号进行处理的微处理器单元;（3）用来接收和发送无线信号的无线传输单元;（4）供电电源。

传感器单元负责采集3种火灾参数：温度参数用DS18B20传感器、烟雾浓度参数用MQ-2 CO传感器、浓度参数用MQ-7传感器。

5.1.2    ZigBee路由器

路由器节点作用是将距离网关较远的终端设备采集的数据进行转发。负责处理子节点的入网和离网请求，为子节点分配地址等。

5.1.3    ZigBee协调器

协调器是ZigBee网络的总控制器，功能是管理整个网络，起到网关的作用，一个ZigBee网络中只能有一个协调器节点。

5.2    数据采集流程

收集信息流程如下：服务器平台上的管理程序周期性发出命令进行数据收集，网关将命令数据包转换为ZigBee网络消息格式，且通过广播方式发送该命令给ZigBee终端，终端传感器设备将数据反馈给协调器，协调器收到数据后，进行数据缓存，等到所有传感器传回的数据收集完成后，组合打包发送给管理程序，以减少网络消息数据，节约网络资源。管理程序在服务器平台上对传感器数据进行保存，进一步计算和分析数据。

6 路径分配算法

当火灾发生时，为了让人员都能安全逃生，在设计引导路径时，既要考虑路径要短，又要避免人多发生拥堵，还要考虑逃生路径上的温度、CO浓度和有害气体浓度等是否允许人员安全通过等多方面因素。所以本方案逃生导航路径规划的策略是：根据各个节点的传感器的探测数据以及定位技术得到的人员情况，首先排除所有火势太大无法通过的出口和路径，然后安排安全出口附近的人员以及离着火点很近的人按照最短路径想办法离开，然后再排除已经比较拥堵的出口和路径，利用最短路径算法为剩下的人规划路径，为每个人规划出从当前位置到达不同安全出口的最短路径，并根据不同安全出口的逃生容量，对人员的逃生路径进行协调分配。

7 结语

目前传感器、ZigBee组网设备等硬件设施价格都很便宜，如果在大型购物中心、车站等大型建筑内部架设传感器网络，在服务器和手机端部署和安装应用程序，建筑内人员就可以在关键时刻通过手机迅速得到逃生指引，在大型建筑和公共场所火灾发生后，能够为人员节省宝贵的逃生时间，具有极大的实用价值和社会意义。

[参考文献]

[1] 尚赛花.基于ZigBee网络与5G边缘计算的能源管理垂直应用系统[J].无线互联科技，2018，5（9）：26-29.

[2] 张建敏，谢伟良，杨峰义，等.移动边缘计算技术及其本地分流方案[J].电信科学，2016，32（7）：132-139.

[3] 付瑞玲，王宁，杜志强.基于多传感器信息融合的火灾报警器设计[J].计算机测量与控制，2018（1）：206-208.

[4] 高洪曄，张建辉.面向火灾救援的室内定位与逃生路径规划系统[J].杭州电子科技大学学报，2013（6）：66-69.

收稿日期：2020-06-22

作者简介：唐宝燕（1972—），山东青州人，硕士，副教授，从事计算机技术教学工作。