一種基于無源射頻識別標簽的消防員室內(nèi)定位系統(tǒng)

施連興

（龍巖市公安消防支隊 福建 龍巖 364021）

近年來伴隨著大空間、超高層和綜合性大型建筑物數(shù)量的增長，其火災(zāi)所帶來的損失和影響越來越大。大型建筑物內(nèi)特別是人員密集型住宅樓、辦公樓、廠房、商業(yè)中心等建筑物內(nèi)，一旦由于施工、用火、用電、燃氣使用不當(dāng)?shù)纫馔馇闆r發(fā)生火災(zāi)時，由于樓層多、通道分布復(fù)雜等原因，遇險人員的救援難度很大。當(dāng)大型建筑物內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，很難在建筑物外部將火災(zāi)撲滅，在很多情況下需要消防員進入建筑物內(nèi)部才能完全控制火情并實施人員搜救工作?，F(xiàn)階段，當(dāng)消防員進入建筑物內(nèi)之后，在能見度很差的環(huán)境中，依靠現(xiàn)有技術(shù)手段如視頻監(jiān)控系統(tǒng)等，建筑物外部的指揮員很難對建筑物內(nèi)的消防員進行實時定位，缺乏有效的室內(nèi)定位手段會影響消防員搜救人員的效率，甚至消防員也不能準確判斷自身的位置。因此，在缺乏有效的室內(nèi)定位系統(tǒng)的情況下，將會對火情控制和人員搜救工作帶來很多的不便，甚至威脅到消防員的生命安全。

近年來，隨著無線移動通信技術(shù)的快速發(fā)展，GPS和蜂窩網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的A-GPS（Assisted Global Positioning System）定位方式[1]在緊急救援和各種基于位置服務(wù)（LBS，Location-Based Services）中逐漸得到了應(yīng)用?，F(xiàn)有室內(nèi)無線定位系統(tǒng)主要采用紅外、超聲波[2]、藍牙、WiFi（Wireless Fidelity）、RFID（Radio Frequency Identification）等短距離無線技術(shù)。還有基于WiFi網(wǎng)絡(luò)的無線定位技術(shù)由于部署廣泛且低成本較低，因此備受關(guān)[3-4]。

文獻[5]提出了一種基于地理信息系統(tǒng)（GIS）和射頻識別技術(shù) （RFID）的火場消防救援人員和設(shè)備跟蹤定位監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)中消防員與消防救援設(shè)備上布置了RFID標簽，建筑物內(nèi)的關(guān)鍵位置，如消防通道、每個樓層的走廊內(nèi)、以及主要出入口、電梯井等，每隔一定距離會安裝布置一個讀寫器，用于監(jiān)控消防救援人員或監(jiān)控調(diào)派消防救援設(shè)備。該系統(tǒng)的主要不足在于，RFID讀寫器的安裝密度決定了該系統(tǒng)的定位精度，過于密集的安裝RFID讀寫器，又會使得系統(tǒng)成本上升。文獻[6]回顧了國內(nèi)外面向遇險消防員定位技術(shù)已取得的研究成果，分析了各類定位技術(shù)（包括基于無線信號強度的測距與測向、基于ZigBee或UWB的主動RFID標簽的定位）的優(yōu)缺點。應(yīng)用主動RFID標簽的室內(nèi)定位系統(tǒng)，定位精度高，但部署成本高，且無法長期部署，目前尚無應(yīng)用實例，而基于無線信號強度的測距與測向系統(tǒng)，系統(tǒng)簡單成本低，但定位精度不高。

本文提出了一種基于無源RFID標簽的消防員室內(nèi)定位系統(tǒng)，與已有基于RFID標簽實現(xiàn)室內(nèi)定位的系統(tǒng)主要不同之處在于，該系統(tǒng)所使用無源RFID標簽采用線極化天線并被部署在建筑物內(nèi)部，消防員頭盔上則安裝了一種可變功率和使用雙極化天線的RFID讀寫器，此外，頭盔中還集成了方向傳感器模塊可以感知消防員的當(dāng)前行進方向信息。通過讀取消防員所在位置附近的建筑物內(nèi)部署的RFID標簽信息，并將RFID標簽信息連同當(dāng)前行進方向信息一道通過3G網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器，服務(wù)器通過對傳回的RFID標簽信息和行進方向信息進行計算，可以得出消防員的實時室內(nèi)位置，建筑物外部的指揮員便可通過查詢服務(wù)器得知消防員的實時室內(nèi)位置，實現(xiàn)人員精準定位和指揮。根據(jù)該方法實現(xiàn)的室內(nèi)定位系統(tǒng)，部署和使用較為方便，且具有系統(tǒng)成本低、定位精度高和標簽可在建筑物內(nèi)長期部署等優(yōu)點。

1 基于射頻識別標簽的室內(nèi)定位系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成及RFID標簽與讀寫器的設(shè)計

基于射頻識別標簽的消防員室內(nèi)定位系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示，需要事先在建筑物內(nèi)部署好具有不同安裝方向的無源RFID標簽，本系統(tǒng)所采用的RFID標簽的天線要求是線極化的，并在消防員的頭盔中集成了可變功率的讀寫器和遠程數(shù)據(jù)通信模塊，系統(tǒng)的具體實現(xiàn)如下所述。

預(yù)先在大型建筑物內(nèi)人員有可能到達的區(qū)域，如消防通道、主要出入口、樓梯電梯等位置，布置好無源RFID標簽，標簽內(nèi)存儲了該標簽的全球唯一識別碼信息 （簡稱ID信息），并在建筑物的二維樓層分布圖或三維設(shè)計圖紙中標定每個RFID標簽的室內(nèi)位置坐標 （二維或三維）及其安裝方向信息。安裝RFID標簽時，標簽的方向可以按一定規(guī)律循環(huán)設(shè)定，如0-45-90-135度放置。這些RFID標簽的安裝位置信息與安裝方向信息，均可存儲于遠程服務(wù)器。

消防員進入建筑物內(nèi)部時佩戴的頭盔中安裝有RFID讀寫器、遠程數(shù)據(jù)通信模塊和電源模塊等，RFID讀寫器的組成示意圖如圖2所示。當(dāng)消防員（可以是一名或者一組）經(jīng)過RFID標簽附近時，讀寫器會激活標簽并讀取RFID標簽內(nèi)的ID信息，讀寫器內(nèi)集成了功率控制模塊，可實現(xiàn)功率的多級調(diào)節(jié)，即可讀取到不同距離內(nèi)的RFID標簽ID信息。首先，頭盔中的遠程數(shù)據(jù)通信模塊可通過移動通信運營商的3G網(wǎng)絡(luò)，將讀取的RFID標簽ID信息上傳到遠程指定服務(wù)器。其次，由于本系統(tǒng)采用的RFID讀寫器的天線采用雙極化天線設(shè)計，換言之，本系統(tǒng)的RFID讀寫器可以讀取兩個正交極化方向上的接收信號幅度信息 （簡稱正交極化幅度信息），因此，通信模塊可以將讀取到的正交極化幅度信息也上傳到遠程指定服務(wù)器。最后，RFID讀寫器中的方向傳感器模塊，可獲取消防員當(dāng)前的行進方向，通信模塊也需要將該角度值信息上傳到遠程指定服務(wù)器。

遠程服務(wù)器收到頭盔發(fā)送的RFID標簽ID信息、正交極化幅度信息和行進方向信息之后，通過執(zhí)行定位算法可獲取RFID讀寫器所在的室內(nèi)位置坐標（二維或三維），即可獲知佩戴該頭盔的消防員對應(yīng)的室內(nèi)位置坐標。由于本系統(tǒng)使用了線極化的RFID標簽天線，RFID閱讀器采用了可變功率和雙極化天線的設(shè)計，再加上可以實時獲取被定位目標的行進信息，與一般的僅基于信號強度的室內(nèi)定位系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)的定位精度更高，消防員的室內(nèi)定位精度可以精確到2~3 m。具體的定位算法實現(xiàn)，見1.2節(jié)。

建筑物外部的指揮員通過授權(quán)的移動手持終端，如平板電腦、智能手機、筆記本電腦等，請求讀取遠程服務(wù)器上的RFID閱讀器或者頭盔的位置信息，即可實時了解建筑內(nèi)部所有消防員的位置，并發(fā)出相應(yīng)指令，提高消防滅火和救援的效率，并保證消防員的人身安全。

圖1 基于無源射頻識別標簽的消防員室內(nèi)定位系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Illustration of passive RFID tag based fireman indoor positioning system

1.2 室內(nèi)定位原理與實現(xiàn)

如圖2所示，消防員頭盔中的RFID讀寫器主要包含基帶處理器、射頻及中頻電路、雙極化天線、功率控制模塊和方向傳感器模塊等。其中，基帶處理器負責(zé)將天線接收的信號進行解調(diào)，輸出ID信息。采用雙極化天線可接收RFID標簽在兩個正交極化方向上的信號，因此可在基帶處理電路部分獲得正交極化幅度信息。方向傳感器模塊由磁力計、陀螺儀等構(gòu)建而成，可計算得出消防員當(dāng)前的行進方向信息。在功率控制模塊的控制下，RFID讀寫器周期性的以設(shè)定的功率水平變化規(guī)律（例如，從最低功率逐級增加到最高功率后再返回最低功率，如此循環(huán)執(zhí)行下去），將讀取到的一個或多個RFID標簽ID信息及其正交極化幅度信息，連同消防員當(dāng)前行進方向信息一起，通過遠程數(shù)據(jù)通信模塊發(fā)送到遠程服務(wù)器。

圖2 射頻識別標簽讀寫器的組成示意圖Fig.2 Illustration of RFID reader

遠程服務(wù)器主要負責(zé)定位算法的實現(xiàn)，定位的基本原理是將接收到的RFID標簽正交極化幅度信息向量 （在不同功率水平下的特定ID所對應(yīng)的正交極化幅度信息），與預(yù)先存儲的RFID標簽正交極化幅度信息向量進行相關(guān)運算，選擇相關(guān)值最大者所對應(yīng)的位置坐標作為定位結(jié)果。

使用系統(tǒng)前需進行測量校準，一個測量校準的例子如圖3所示。在這個例子中，測量人員所在樓層的待測區(qū)域內(nèi)共有20個RFID標簽，RFID標簽共有4個安裝方向，安裝時盡可能使標簽的安裝方向隨機化。國標規(guī)定，900 MHz頻段的無源RFID標簽的讀寫器（天線+模塊）的最大輸出功率是30 dBm，實際使用中的經(jīng)驗結(jié)果是，標簽的最大讀取距離在10 m左右。

測量時，測量人員戴著具有RFID讀寫器的頭盔，對于每一個系統(tǒng)可測量的位置坐標（二維或三維），設(shè)測量人員的當(dāng)前行進方向為0°，記錄在使用不同功率時RFID讀寫器所能解調(diào)出的標簽ID信息（記作T），及其雙極化天線所接收到的正交極化幅度值的平方根（記作RSSI），未能讀取到的RFID標簽，RSSI值相應(yīng)的記作0。假定RFID讀寫器共有N個功率水平，從小到大依次為P1，P2，…，PN。例如，當(dāng)讀寫器使用最小功率P1時，能接收到4個RFID標簽的信息，則記錄如下的向量：

[（T11， 0， 0，）， … ， （T32， RSSI1， RSSI2）， （T33，RSSI1， RSSI2）， …， （T42， RSSI1， RSSI2）， （T43， RSSI1，RSSI2）， …， （T54， 0， 0）]

當(dāng)讀寫器使用最大功率PN時，能解調(diào)出全部20個標簽的信息，則記錄如下的向量：

[（T11， RSSI1， RSSI2）， （T12， RSSI1， RSSI2）， … ，（T53， RSSI1， RSSI2）， （T54， RSSI1， RSSI2）]

在每個功率水平設(shè)定下，記向量中所有RSSI1的平均值為R1，所有RSSI2的平均值為R2，對上述每個向量進行如下處理：

令 RSSI1’=RSSI1╞ R1，RSSI2’=RSSI2╞ R2。

最后，將上述每個向量中的RSSI1和RSSI2都替換成RSSI1’和RSSI2’，即得到了不同功率水平設(shè)定下的校準向量：

[（T11， RSSI1’， RSSI2’）， （T12， RSSI1’， RSSI2’）， …，（T53， RSSI1’， RSSI2’）， （T54， RSSI1’， RSSI2’）]

至此，測量校準工作完畢。

圖3 射頻識別標簽的安裝方向、讀寫器功率控制與行進方向示意圖Fig.3 Illustrations of RFID tag installation orientation， reader’s power control，and heading direction

在實際使用該系統(tǒng)時，設(shè)消防員當(dāng)前行進方向與測量人員行進方向的夾角為θ°（0≤θ≤90），在當(dāng)前功率水平設(shè)定下，對讀寫器所能讀取到的RFID標簽，把其所對應(yīng)的雙極化天線所接收到的正交極化幅度值的平方根，記作rssi1與rssi2，在定位運算前，需要進行如下預(yù)處理：

r1=rssi1*cosθ +rssi2*sinθ

r2=rssi1*sinθ +rssi2*cosθ

由此可以獲得在不同功率水平設(shè)定下的測量向量：

[（T11， r1， r2）， （T12， r1， r2）， … ， （T53， r1， r2），（T54， r1， r2）]

將測量向量與校準向量進行相關(guān)運算，相關(guān)值最大者所對應(yīng)的校準向量的位置坐標即作為定位結(jié)果。一般情況下，系統(tǒng)會優(yōu)先選擇功率較小設(shè)定下的定位結(jié)果，但當(dāng)較小功率下沒有讀取到RFID標簽時，則選擇較大功率設(shè)定下的定位結(jié)果。

2 結(jié) 論

本文提出了一種基于無源RFID標簽的消防員室內(nèi)定位系統(tǒng)，系統(tǒng)的主要特點是：使用無源RFID標簽并采用線極化天線，在消防員頭盔中安裝了一種可變功率的RFID讀寫器并使用雙極化天線，頭盔中還集成了方向傳感器模塊可以感知消防員的行進方向信息。本文提出的消防員室內(nèi)定位系統(tǒng)，部署和使用較為方便，且具有系統(tǒng)成本低、定位精度高和標簽可在建筑物內(nèi)長期部署等優(yōu)點。

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