以WiFi和ZigBee聯(lián)合定位的消防滅火救援系統(tǒng)

沈雪微+馮寧+張玲玲+王海成+毛文濤

摘 要：當(dāng)前消防滅火體系受限于通信方式、設(shè)備管理模式等技術(shù)方面，無法適應(yīng)日益復(fù)雜的火場救援需要。結(jié)合城市消防體系的發(fā)展需求，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入消防滅火現(xiàn)場救援中。采用了以Wi-Fi為主、ZigBee為輔的融合定位技術(shù)，提出基于物聯(lián)網(wǎng)傳感感知技術(shù)的高效現(xiàn)場救援系統(tǒng)方案。本系統(tǒng)方案劃分模塊對數(shù)據(jù)等信息加以分析處理，并用基于信號強(qiáng)度和三邊定位算法聯(lián)合實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)場所火災(zāi)預(yù)警和消防人員精確跟蹤定位，提高指揮中心決策的準(zhǔn)確性，保障消防人員安全。

關(guān)鍵詞：消防;Wi-Fi定位;ZigBee;信號強(qiáng)度;三邊定位

中圖分類號：TP391.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? 文章編號：2095-1302（2015）01-00-04

0 ?引 ?言

目前消防部門和產(chǎn)業(yè)界對滅火救援移動系統(tǒng)研究較少。由于部分火災(zāi)發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)、形勢具有不確定性的特點(diǎn)，現(xiàn)有各種網(wǎng)絡(luò)可能覆蓋不到事發(fā)區(qū)域，另外一些預(yù)先布置的監(jiān)控檢測系統(tǒng)可能受到破壞，導(dǎo)致事故現(xiàn)場無法提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和傳送，導(dǎo)致指揮員無法實(shí)時(shí)全方位的監(jiān)控，對事故決策造成影響。本文的目的在于提出一種融合現(xiàn)有Wi-Fi和ZigBee技術(shù)的室內(nèi)消防定位方案，迅速在事故點(diǎn)周邊搭建無線網(wǎng)絡(luò)，顯示所有救援人員的位置和狀態(tài)信息，為現(xiàn)場救援提供準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)。

1 ?移動滅火救援特點(diǎn)與分析

1.1 ?技術(shù)特點(diǎn)

據(jù)調(diào)查，在城市預(yù)防火災(zāi)方面主要采用的是在商場內(nèi)安裝火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)及其聯(lián)動消防裝置。然而在這種消防設(shè)備管理和監(jiān)督體系下，商場內(nèi)的消防設(shè)施得不到定期檢修，火災(zāi)警報(bào)系統(tǒng)故障頻發(fā)，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確對已發(fā)災(zāi)害進(jìn)行掌控與救援。再加之傳統(tǒng)救援模式下，消防員在復(fù)雜的火場環(huán)境中，發(fā)生危險(xiǎn)等不可預(yù)知狀況的幾率極高。因此掌控火場內(nèi)救援人員的準(zhǔn)確位置，指揮部如何實(shí)施合理救援問題，是此刻亟待解決的。

Wi-Fi技術(shù)是當(dāng)前生產(chǎn)和生活中廣泛采用的無線局域網(wǎng)技術(shù)，具有覆蓋面廣、組網(wǎng)靈活、傳輸速率高等優(yōu)點(diǎn)，Wi-Fi定位技術(shù)更是具有精度高、對網(wǎng)絡(luò)變動適應(yīng)性好的特點(diǎn)，因此在制定移動滅火救援方案時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮Wi-Fi作為基礎(chǔ)定位技術(shù)。鑒于Wi-Fi的抗干擾能力比較差，在實(shí)際生產(chǎn)生活中，獨(dú)立地使用Wi-Fi技術(shù)進(jìn)行室內(nèi)定位已不足以滿足人們對實(shí)時(shí)準(zhǔn)確定位的需求，特別是在處理移動滅火救援問題中。

在定位領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的就是ZigBee定位技術(shù)。ZigBee節(jié)點(diǎn)可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并有自組網(wǎng)功能。ZigBee節(jié)點(diǎn)具有能耗低、可靠性強(qiáng)、時(shí)延短、容量大等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)拓展性不強(qiáng)，只在特定范圍內(nèi)定位精度較高，另由于ZigBee傳輸速度較低，因此只能傳輸定位過程中的簡單信息。

因此若將ZigBee和Wi-Fi相結(jié)合，利用ZigBee進(jìn)行局部范圍的定位，利用Wi-Fi進(jìn)行較大范圍的定位，則可以彌補(bǔ)雙方的缺陷，提供較好的定位效果，能夠適應(yīng)火場變化復(fù)雜的環(huán)境。在移動滅火救援中，還需要采集和傳輸數(shù)據(jù)量較大的圖像、聲音等信息。與ZigBee技術(shù)的低數(shù)據(jù)速率的傳輸相比，Wi-Fi優(yōu)勢凸顯。因此，為了滿足移動滅火救援的具體需要，本文擬采用以Wi-Fi定位為主，ZigBee為輔的火場定位方案，該方案通過信息融合技術(shù)，將Wi-Fi和ZigBee技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)更加精確的實(shí)時(shí)定位;與此同時(shí)，該方案還可利用ZigBee技術(shù)組建無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測和報(bào)警人員活動情況，傳輸小數(shù)據(jù)量的監(jiān)測活動信息;利用Wi-Fi技術(shù)組建無線監(jiān)測局域網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測的情況采集相關(guān)的圖像或聲音信息，傳輸大數(shù)據(jù)量的監(jiān)測活動信息，同時(shí)提供好的系統(tǒng)擴(kuò)展性。

（1）準(zhǔn)確定位

通過接收終端信號，再根據(jù)Wi-Fi和ZigBee采集的數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)對救災(zāi)現(xiàn)場消防人員的精確定位。

（2）及時(shí)迅速

時(shí)間決定效率，利用該系統(tǒng)可高效迅速進(jìn)行人員調(diào)度及監(jiān)控指揮。

（3）現(xiàn)場指揮

消防監(jiān)控指揮中心獲取救援人員定位及現(xiàn)場環(huán)境狀況，實(shí)施精準(zhǔn)合理的現(xiàn)場指揮。

1.2 ?需求分析

本系統(tǒng)方案主要應(yīng)用在大型商場等人流量較大，火災(zāi)易發(fā)場所。根據(jù)對大型商場內(nèi)消防現(xiàn)狀的調(diào)查與分析，設(shè)計(jì)新系統(tǒng)時(shí)充分利用ZigBee和Wi-Fi的特點(diǎn)，以達(dá)到設(shè)計(jì)的最終目的，在設(shè)計(jì)中需要注意一下幾個(gè)問題：

（1）實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性

本系統(tǒng)屬于遠(yuǎn)程檢測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性是最基本的要求，只有裝置及時(shí)準(zhǔn)確反饋救援人員情況，指揮中心才能提供決策支持。

（2）可靠性、抗干擾性

系統(tǒng)中的ZigBee模塊與Wi-Fi模塊同時(shí)工作，具備較強(qiáng)抗干擾能力以適應(yīng)商場各種復(fù)雜環(huán)境，保證系統(tǒng)連續(xù)可靠運(yùn)行[1]。

（3）實(shí)用性

消防人員只需要通過標(biāo)簽的位置來確定自己的位置，簡單可行。

（4）可擴(kuò)展性

本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多種技術(shù)的融合，能夠?qū)⑵溥w移至其他場合，增強(qiáng)系統(tǒng)功能性。

1.3 ?系統(tǒng)功能

根據(jù)需求，本方案需要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）信息讀取功能

通過Wi-Fi節(jié)點(diǎn)傳遞信息，其中包括節(jié)點(diǎn)的ID號、RSSI值及其他一些基本信息。

（2）報(bào)警信息采集功能

由火警檢測傳感器，如煙霧傳感器、溫度傳感器等。當(dāng)設(shè)備檢測到有火警信號出現(xiàn)時(shí)，會及時(shí)發(fā)送至Wi-Fi接入點(diǎn)AP。

（3）信息融合功能

利用Wi-Fi和ZigBee節(jié)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)互補(bǔ)，通過將信息對比與數(shù)據(jù)庫，確定最佳定位方案。

（4）無線傳輸功能

將從每一處獲取的消防員位置信息和通過煙霧傳感器和溫度傳感器獲取的周圍環(huán)境信息通過無線傳輸，發(fā)送至Wi-Fi接入點(diǎn)AP。

（5）AP端信息采集[2]

由定位終端將接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行發(fā)送給AP，封裝后通過以太網(wǎng)發(fā)送至監(jiān)控中心的定位服務(wù)器。

（6）信息數(shù)據(jù)處理

該部分工作由管理系統(tǒng)自動完成，將獲取的數(shù)據(jù)信息處理并與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中的參考值進(jìn)行對比，反饋結(jié)果給指揮人員，其中包括各個(gè)救援人員攜帶的定位終端通過Wi-Fi和ZigBee采集到的數(shù)據(jù)信息。

2 ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)總共分為三個(gè)大的模塊，消防預(yù)警模塊、數(shù)據(jù)庫模塊和最佳定位模塊。這三個(gè)模塊主要實(shí)現(xiàn)兩大功能，即預(yù)警和跟蹤定位。每一個(gè)模塊都是根據(jù)方案的需求來劃分的，對于每一個(gè)模塊，都有該模塊多的性能指標(biāo)，又由不同的小模塊構(gòu)成。

2.1 ?消防預(yù)警模塊

該模塊主要將多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、主動空氣采樣、空氣顆粒識別和煙霧濃度鑒別和遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)相結(jié)合。監(jiān)測施救范圍內(nèi)的各種環(huán)境指數(shù)并發(fā)出警報(bào)信號。該消防預(yù)警模塊主要由信息采集、數(shù)據(jù)傳送和消防監(jiān)控三部分組成。作者對新鄉(xiāng)市某大型商場實(shí)際分布進(jìn)行了測繪，構(gòu)成各功能模塊。

消防監(jiān)控處于該模塊的最高層，由計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的系統(tǒng)軟件構(gòu)成（兼具GIS系統(tǒng)），對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)化為圖像信息，便于指揮人員分析，并作出合理預(yù)案。

數(shù)據(jù)傳輸主要由Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)和已有的以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)?；饒銮闆r復(fù)雜，有線網(wǎng)絡(luò)將不再可靠。由以Wi-Fi模塊為依托的數(shù)據(jù)采集模塊傳遞信息后，AP自組網(wǎng)傳遞至指揮中心，具有高速、及時(shí)、穩(wěn)定、有效的特點(diǎn)。

信息采集主要利用傳感器。主要包括煙霧傳感器、溫濕度傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鞯?。將帶有傳感器的?biāo)簽加載在救援人員移動終端上，一旦救援人員進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場，傳感器便開始采集數(shù)據(jù)，通過Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)等過程傳至控制中心。

2.2 ?數(shù)據(jù)庫的模塊

鑒于室外無線定位的特點(diǎn)，須提前對定位的地理環(huán)境進(jìn)行信號強(qiáng)度樣點(diǎn)采集，將采集的信號強(qiáng)度信息進(jìn)行處理建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫。之后的具體定位中，只要將信號強(qiáng)度信息傳輸?shù)椒?wù)器，比較標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中的參考值，并不斷調(diào)整，得到最佳值，方可精確定位。

要想進(jìn)行對室內(nèi)的精確定位，同樣需要對室內(nèi)進(jìn)行樣點(diǎn)采集，然后建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，在實(shí)時(shí)定位中作為參考進(jìn)行定位。本文提出以下建立數(shù)據(jù)庫的方案：

（1）Wi-Fi節(jié)點(diǎn)和ZigBee節(jié)點(diǎn)的設(shè)置

實(shí)現(xiàn)對大型商場的精確定位，關(guān)鍵在于Wi-Fi節(jié)點(diǎn)和ZigBee節(jié)點(diǎn)恰當(dāng)設(shè)置。要提前對該大型商場進(jìn)行勘測，根據(jù)室內(nèi)布局，對具體的物體放置進(jìn)行測量，結(jié)合Wi-Fi節(jié)點(diǎn)和ZigBee節(jié)點(diǎn)的物理特性，計(jì)算出Wi-Fi節(jié)點(diǎn)之間的距離以及ZigBee節(jié)點(diǎn)之間的距離，在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置節(jié)點(diǎn)。

（2）信號強(qiáng)度信息采集及處理

在正常情況下，提取商場內(nèi)任意一點(diǎn)，檢測一天內(nèi)不同時(shí)段的Wi-Fi信號強(qiáng)度和ZigBee信號強(qiáng)度，并建立特定時(shí)段的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫作為實(shí)時(shí)定位的參考值。

數(shù)據(jù)庫建立流程如圖1所示。

圖1 ?數(shù)據(jù)庫模塊流程圖

2.3 ?最佳定位模塊

該模塊將Wi-Fi和ZigBee定位技術(shù)相結(jié)合，利用ZigBee抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)來彌補(bǔ)Wi-Fi的不足。該模塊分為兩部分，一部分是后臺服務(wù)器，利于指揮部人員進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控，另一部分可以在終端上實(shí)現(xiàn)救援人員實(shí)時(shí)定位。

待定位區(qū)域內(nèi)有很多固定的參考標(biāo)簽，將此標(biāo)簽的位置信息通過定位服務(wù)器送入數(shù)據(jù)庫集中的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中，然后分別將Wi-Fi和ZigBee單獨(dú)工作時(shí)的定位信息經(jīng)由定位服務(wù)器送到數(shù)據(jù)庫集中的定位數(shù)據(jù)庫。

其中定位數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)每隔一段時(shí)間就會將參考標(biāo)簽的位置信息更新一次，相應(yīng)的分析處理部分就會對定位數(shù)據(jù)庫與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，以便能夠及時(shí)確定最優(yōu)的定位方式，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性。信息融合流程圖如圖2所示。

圖2 ?Wi-Fi和ZigBee信息融合圖

在消防實(shí)時(shí)定位時(shí)，通過Wi-Fi將消防員攜帶的定位終端采集的信息實(shí)時(shí)發(fā)送到服務(wù)器，利用最佳定位選擇方式對采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取消防人員所處的準(zhǔn)確位置，以實(shí)現(xiàn)指揮中心對消防人員的準(zhǔn)確指導(dǎo)。系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 ?系統(tǒng)示意圖

3 ?室內(nèi)定位算法

目前，無線定位技術(shù)發(fā)展的已經(jīng)比較成熟，但針對室內(nèi)定位部分有各種物體的阻礙，使得GPS[3]等定位技術(shù)無法實(shí)施。隨著技術(shù)的發(fā)展，室內(nèi)無線定位技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

基于ZigBee的無線定位技術(shù)縮小了定位的范圍，相對于GPS的定位的精確度已經(jīng)大大的提高。Wi-Fi是利用免費(fèi)的2.4 GHz頻段，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的高效傳輸，其傳輸距離可以達(dá)到100 m，具有很廣的覆蓋范圍。本文主要運(yùn)用到基于Wi-Fi和ZigBee結(jié)合的室內(nèi)定位技術(shù)。值得一提的是，定位技術(shù)固然重要，所應(yīng)用的定位算法亦直接影響精度。

常見的定位算法基本上可以分為兩大類，即與距離無關(guān)的算法，如質(zhì)心法，及基于測距技術(shù)的定位算法[4]：基于接收信號強(qiáng)度指示算法（RSSI）等。本文充分考慮大型商場的地理環(huán)境，擬提取出信號強(qiáng)度的算法和三邊定位算法精髓，加以融合后，結(jié)合定位終端的信號循環(huán)發(fā)射與接收技術(shù)，實(shí)現(xiàn)針對救援人員的精確跟蹤定位。

3.1 ?信號強(qiáng)度算法

經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)信號強(qiáng)度服從對數(shù)正態(tài)分布，通過信號在傳播過程中的衰減來估測節(jié)點(diǎn)之間的距離，實(shí)現(xiàn)精確定位。根據(jù)信道模型求解接收到待定位置的信號強(qiáng)度[5]：

式中：n為路徑損耗指數(shù)，與周圍的環(huán)境有關(guān);Xφ是標(biāo)準(zhǔn)差為φ的正態(tài)隨機(jī)變量;d0式參考距離，在室內(nèi)環(huán)境中通常取1 m;PL（d0）為參考位置的信號強(qiáng)度。

假設(shè)有n個(gè)AP，m個(gè)參考標(biāo)簽，則AP點(diǎn)接收到待定標(biāo)簽的強(qiáng)P=（AP1，AP2，AP3，…，APn，），采集到得第t個(gè)參考標(biāo)簽的強(qiáng)度矢量為St=（St1，St2，…，Stn，）和參考標(biāo)簽St之間的歐氏距離為：

然后通過比較不同E來尋找待定標(biāo)簽位置最近的參考標(biāo)簽，當(dāng)由k個(gè)臨近的參考標(biāo)簽來確定一個(gè)待測標(biāo)簽的時(shí)候，即可計(jì)算出待定標(biāo)簽坐標(biāo)是（x，y）：

其中的Wi和（xi，yi）分別是第x個(gè)臨近參考標(biāo)簽的權(quán)重因子和坐標(biāo)位置。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)：

得出，權(quán)重越大，E值越小。

3.2 ?三邊定位算法

三邊定位算法[6]：分別以已知位置的3個(gè)AP為圓心，以周圍待測標(biāo)簽到各參考標(biāo)簽的最近距離為半徑作圓，所得到的3個(gè)圓的交點(diǎn)為D。該算法的示意圖如圖4所示。

設(shè)位置節(jié)點(diǎn)D（x，y），已知A、B、C三點(diǎn)坐標(biāo)為（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3）。它們到D的距離分別是d1，d2，d3。則D的位置可以通過下列方程中的任意兩個(gè)求解。

（x-x1）2+（y-y1）2=d12

（x-x2）2+（y-y2）2=d22

（x-x3）2+（y-y3）2=d32

圖4 ?三邊定位算法示意圖

圖5 ?算法結(jié)合流程圖

本文在進(jìn)行定位的時(shí)候采用了將信號強(qiáng)度算法和三邊定位算法結(jié)合的方法，由于單獨(dú)利用基于信號強(qiáng)度的算法和基于三邊定位的算法不是很精確，會出現(xiàn)很大的誤差。因此本文在實(shí)現(xiàn)定位算法的時(shí)候先利用信號強(qiáng)度算法進(jìn)行計(jì)算，然后再利用三邊定位算法定位計(jì)算，這樣定位的精度會更高，流程如圖5所示。

4 ?結(jié) ?語

本文在現(xiàn)有消防預(yù)警和室內(nèi)實(shí)時(shí)定位不穩(wěn)定的背景下提出了以Wi-Fi定位為主，ZigBee為輔的移動滅火救援方案，利用Wi-Fi數(shù)據(jù)傳輸量大、覆蓋范圍廣的特性和ZigBee能夠工作于惡劣環(huán)境下的優(yōu)點(diǎn)，通過信息融合實(shí)現(xiàn)有效的實(shí)時(shí)定位為以后該領(lǐng)域的發(fā)展提供了參考。本文中所述方案在技術(shù)方面是可行的，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)容易、安置方便，且具有良好的推廣性，應(yīng)用領(lǐng)域廣。上述系統(tǒng)助于拓展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，也促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)在消防領(lǐng)域的具體推廣，獲得高效率、低成本的解決方案。

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