Wim Hendriksen is lector bij de Fontys Hogeschool ICT en Jan Otten is oprichter en CEO van Public Safety Innovation, specialist in innovatieve initiatieven voor een veiligere leef- en werkomgeving.

17 October 2011

Vier Fontys-studenten hebben zes weken gewerkt aan een experiment met een Zigbee-netwerk van veertig nodes in een brandend huis. Onlangs hebben ze hun concept overtuigend aangetoond in aanwezigheid van genodigden uit de brandweerwereld en afgevaardigden van de media. De demonstratie liet zien dat draadloze sensornetwerken van grote waarde kunnen zijn bij de fysieke beveiliging van brandweerlieden.

Hoe vaak maak je als ontwikkelaar mee dat je een huis in brand mag steken om je software te testen? Afgelopen juni en juli hebben studenten voor het lectoraat Architectuur van Embedded Systemen van de Fontys Hogeschool ICT het gebruik van Zigbee-netwerken in brandende gebouwen onderzocht en zelfs een woning in de hens laten zetten om problemen te signaleren die kleven aan die toepassing. Opdrachtgever was de Tilburgse dienstverlener in openbare veiligheid Public Safety Innovation. Het project is uitgevoerd in het kader van de SBIR-regeling (Small Business Innovation Research) Fysieke Bescherming fase 1.

Hulpverlening in grote gebouwencomplexen zit vol gevaren voor de operationele publieke veiligheidsdiensten zoals de brandweer. Op onbekend terrein, vaak zonder stroom en afgesloten van de buitenwereld moeten deze hulpdiensten reddingswerk verrichten met gevaar voor eigen leven. Deze voorstudie heeft onderzocht of we de fysieke bescherming van brandweerlieden kunnen verbeteren door binnen gebouwen Zigbee-netwerken te gebruiken.

Fontys waterscherm
Met twee lagedrukwaterspuiten brengt de brandweer een waterscherm aan tussen de twee mobiele Zigbee-nodes en de bevelvoerder.

We weten dat elektronica en water niet zo goed samengaan. Brandbestrijding is echter vooral een kwestie van véél water. Daarbij is elektronica gespecificeerd tot tachtig graden Celsius, terwijl een beetje brand pas begint bij enkele honderden graden. Elektronica en vuur is dus evenmin een goede combinatie. Het gebruik van Zigbee geeft nog een paar extra uitdagingen. Zo werkt de technologie op 2,4 GHz, een frequentie die sterk door water wordt gedempt. Bovendien ioniseert vuur de lucht; grote vraag is wat er van het radiosignaal overblijft bij een flinke brand. De invloed van rook en roetneerslag op de signalen is helemaal onduidelijk. Hier staat tegenover dat het leven van brandweermensen kan afhangen van de correcte werking van de apparatuur, dus zij stellen de simpele eis: ’the show must go on‘. Samengevat: de niet-functionele requirements hebben een dwingende invloed op het ontwerp van het product.

Handige eigenschappen

Een oude stelling luidt dat er in theorie geen verschil is tussen theorie en praktijk, maar dat de praktijk vaak anders uitwijst. Dit geeft het nut aan van praktijkgericht onderzoek. Ook in dit project hebben we daarom demonstrators gemaakt en gekeken wat er in de praktijk gebeurt, en ook hier zijn de resultaten soms weer verrassend.

In theorie verwachten we problemen met bluswater en hoge temperaturen. Als het water een belemmering vormt, dan kunnen we bij Zigbee bijvoorbeeld kiezen voor de 868-MHz-band in plaats van 2,4 GHz. Lagere frequenties hebben immers minder last van watermassa‘s. Hoge temperaturen zullen tot gevolg hebben dat een deel van de Zigbee-nodes het zal begeven. De grote vraag is of het hele netwerk voldoende robuust is om dit op te vangen door het berichtenverkeer via andere routes naar de bestemming te krijgen.

Fontys modules op tafel 02
De gebruikte Zigbee-modules zijn drie versies van NXP‘s Jennic 5148-familie: high-power uitvoeringen, normale exemplaren met externe antenne en varianten met PCB-antenne.

De opdrachtgever had drie extra vragen. De eerste was of de bevelvoerder in de aanstormende brandweerauto al informatie kan krijgen over het gebouw en de brandhaard, zodat hij zijn aanvalsplan al klaar kan hebben voor de plaats van bestemming is bereikt. De tweede vraag was of hij informatie kan krijgen waar de brandweermensen in het gebouw zijn. De derde vraag was of het mogelijk is een spraakverbinding op te bouwen die altijd werkt. In de praktijk hebben we een test uitgevoerd om zowel uitspraken te kunnen doen over deze vragen als over de theoretische kwesties.

Prominente eis was het gebruik van Zigbee. De reden is dat we verwachten dat dit de komende jaren breed wordt uitgerold in gebouwen en dat we daar dan te zijner tijd gebruik van kunnen maken. Daarnaast zijn ad hoc draadloze sensornetwerken zelfherstellend en zelfconfigurerend. Dat zijn handige eigenschappen in zware omstandigheden als brandende kelders en parkeergarages. De brandweer kan zijn eigen infrastructuur meenemen in het gebouw en het netwerk zal zichzelf tijdens de bluswerkzaamheden aanpassen aan de veranderende omstandigheden. Met onbetrouwbare hardware en onbetrouwbare verbindingen kunnen we zo toch een betrouwbaar systeem neerzetten. Dat heeft immers geen single point of failures in de gevaarlijke gebieden.

De beperkingen van Zigbee zijn niet relevant. Met een maximum van een paar honderd knooppunten kan de hele Nederlandse hulpverlening niet op één netwerk, maar bij een zeskoppige bemanning van één brandweerauto is dat geen probleem. Daarnaast is er een coördinatornode nodig die de boel beheert, het berichtenverkeer in goede banen leidt en de beveiliging regelt. Deze vormt een single point of failure als hij ermee ophoudt. Wij houden de coördinator echter buiten het brandende gebouw, waardoor dat risico beperkt blijft.

Bevelvoerder-pc

Plaats van handeling voor onze test was het Veiligheidsoefencentrum (VOC) in Tilburg. Daar staat een huis waar brandweermensen kunnen oefenen en waar ook brand kan worden gesticht. Dit gebouw hebben we op 12 juli voorzien van veertig Zigbee-nodes, waarvan er vier waren aangesloten op een brandmelder. Buiten het pand was één node (de coördinator) aangesloten op een pc met een groot beeldscherm waarop de bezoekers van de demonstratie de voortgang konden volgen. Dit scherm toonde wat de bevelvoerder in de toekomst gaat zien op zijn tabletcomputer. Alle ontvangen berichten (gericht aan de coördinator) hebben we opgeslagen in een logfile op de pc ter evaluatie achteraf.

De gebruikte Zigbee-modules waren drie versies van NXP‘s Jennic 5148-familie: high-power uitvoeringen, normale exemplaren met externe antenne en varianten met PCB-antenne. We hebben voor Jennic gekozen vanwege de softwareontwikkelomgeving en de time-of-flight-engine. Deze engine is overigens een ongedocumenteerd stuk hardware zonder ondersteuning, dus op dat punt was het een miskoop. De meegeleverde softwareontwikkelomgeving is echter uitmuntend.

Fontys bevelvoerdersscherm klein
De kaart op het beeldscherm geeft aan waar de brandweermannen zijn.

De Zigbee-knooppunten bouwen een meshnetwerk op, waarbij elke node berichten kan versturen naar elke andere node binnen het bereik van hun radio‘s. Bij onze test hebben we elke node opgehangen op een vastgelegde plaats. Twee hebben we er meegegeven aan de brandweermannen die tijdens de brand het gebouw betraden. Deze nodes ’pingden‘ de vaste nodes elke seconde. Zij stuurden de ontvangen signaalsterkte op hun beurt door naar de bevelvoerder-pc, die vervolgens het sterkste signaal opzocht, de kamer bepaalde waar de bijbehorende node hing en op de kaart op het beeldscherm aangaf in welke kamer de brandweerman op dat moment was. De twee mobiele nodes hebben we tijdens de proef met het waterscherm ook gebruikt om de signaalsterkte te meten tussen hen en de coördinator.

Vervormend plastic

De ochtend hebben we besteed aan het ophangen, debuggen en kwalificeren van het Zigbee-netwerk. Bij de eerste test hebben we het bereik van de gebruikte modules gemeten. Uit deze kwalificatie van het systeem zonder brand en water bleek dat bij een bereik van tweehonderd meter in de open lucht nog steeds een goede ontvangst mogelijk is.

Met twee lagedrukwaterspuiten heeft de brandweer vervolgens een waterscherm aangebracht tussen de twee mobiele nodes en de bevelvoerder. Wij hebben daarnaast nog een losse verbinding opgezet met een Zigbee-radio op 868 MHz. De verwachting was dat de ontvangen signaalsterkte zou afnemen, maar het tegendeel bleek waar: het signaal werd sterker met het waterscherm, althans bij de 2,4-GHz-nodes. Waarom is niet duidelijk. Misschien werkt bluswater op de grond als een spiegel, misschien doen waterdruppels iets met het radiosignaal, misschien speelt de automatic gain control in de ontvanger op. Bij de 868-MHz-node nam de signaalsterkte wel af, maar ontvangst bleef mogelijk. Radiocommunicatie via Zigbee is dus goed te doen in waterige omstandigheden.

Na binnenkomst van de ’getuigen‘, genodigden uit de brandweerwereld, schrijvende pers en twee tv-ploegen, is het vuur in het huis aangestoken. De brandmelder boven de vlammen meldde inderdaad binnen een paar minuten de brand, die werd getoond op het beeldscherm. De brandweermannen met mobiele nodes gingen het gebouw in en waren ook op het scherm te volgen. Het systeem raakte zo nu en dan wel het spoor bijster, maar gaf meestal de goede posities aan. Merk op dat we geen enkel filteralgoritme hebben toegepast en dat elke foutieve meting meteen op het scherm zichtbaar was. Evaluatie achteraf laat zien dat een simpel filter over vijf metingen de problemen oplost.

Het Zigbee-netwerk is de hele middag in de lucht geweest, waarbij er maar een paar nodes even zijn weggevallen. De elektronica heeft zich redelijk goed gehouden in de omgeving van een brand. Onder toeziend oog van de tv-ploegen is het vuur geblust en hebben we de schade opgenomen. Slechts één node bleek het niet te hebben overleefd: de vervormende plastic behuizing had in de hitte van de strijd een print uit zijn connector geduwd. Evaluatie van de logfile achteraf laat verder zien dat er geen verschil is in de netwerk- en radiokarakteristieken zonder of met brand. Radiocommunicatie via Zigbee is dus ook mogelijk in de buurt van houtvuur; de rook en de vlammen zijn niet van invloed op het gedrag.

Geestdrift en vaart

De eerste twee vragen van de opdrachtgever, of de bevelvoerder vooraf informatie kan krijgen over de brandhaard en tijdens de bluswerkzaamheden over de positie van zijn mensen, kunnen we hiermee positief beantwoorden. De derde vraag, over de mogelijkheid om een spraakverbinding in stand te houden, hebben we tijdens de test niet kunnen adresseren. We hebben wel literatuuronderzoek uitgevoerd en daaruit blijkt dat dat onder voorwaarden moet kunnen. Een van die voorwaarden is dat het netwerk op 2,4 GHz werkt, een andere is dat de spraak vrijwel de volledige bandbreedte tot zijn beschikking heeft.

De opdrachtgever is zeer tevreden met de resultaten. De proef heeft hem zelfs nieuwe ideeën gegeven. Bij de Fontys-studenten zorgde de korte lijnen met de opdrachtgever voor geestdrift. Hun begeleiders hebben geleerd dat het zaak is om opzij te springen als studenten gemotiveerd zijn om iets te doen dat eigenlijk niet kan, omdat ze dan flink vaart maken. Ten slotte hebben ook de aanwezige brandweercommandanten de test als zeer positief ervaren. Zij zagen meteen het nut in van een dergelijk systeem.