消防員定位系統(tǒng)中語音傳輸方法的研究

張智超， 白廣利

(1.黑龍江省自動化系統(tǒng)工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150090；2.黑龍江省科學(xué)院自動化研究所，黑龍江 哈爾濱 150090)

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消防員定位系統(tǒng)中語音傳輸方法的研究

張智超1， 白廣利2

(1.黑龍江省自動化系統(tǒng)工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150090；2.黑龍江省科學(xué)院自動化研究所，黑龍江 哈爾濱 150090)

消防員定位系統(tǒng)可精確確定建筑物內(nèi)人員的3D坐標(biāo)，構(gòu)建人員移動軌跡，實(shí)現(xiàn)實(shí)時可視化。消防員定位系統(tǒng)的語音傳輸可加強(qiáng)場外指揮人員與現(xiàn)場救援人員之間的聯(lián)系，提高滅火的效率，最大限度地保證救援人員的人身安全。

消防；定位系統(tǒng)；語音傳輸；研究

當(dāng)今城市大型公共場所及高層建筑的結(jié)構(gòu)和功能日趨復(fù)雜，再加上城市人口集中、建筑物密集，使得人員疏散困難，城市火災(zāi)救援工作更是變得異常艱難。在復(fù)雜的滅火救援環(huán)境中，即使是訓(xùn)練有素的消防員在執(zhí)行任務(wù)時也難免會出現(xiàn)傷亡事故，且傷亡比例呈逐年上升的趨勢。如何既能高質(zhì)量、高效率地完成好滅火救援任務(wù)，又能夠確保消防員自身的安全，實(shí)現(xiàn)消防員單兵及指揮系統(tǒng)的智能化極為重要。

目前消防員在滅火救援中主要是應(yīng)用消防呼救器來求救，呼救器只具有報警功能，且火災(zāi)環(huán)境對報警功能的實(shí)現(xiàn)也有影響，另外呼救器不能對傷員的位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，這也給救援工作帶來很大困難[1]。如果在復(fù)雜的火場環(huán)境中可以對執(zhí)行任務(wù)消防員的運(yùn)動軌跡進(jìn)行實(shí)時跟蹤定位和及時的語音(畫面)通訊，將有效地提高消防員火場中的人員分配及疏散效率，更好地保障消防員的人身安全。

1 幾種常用的語音傳輸技術(shù)簡介

1.1 無線局域網(wǎng)技術(shù)

無線局域網(wǎng)通訊是一種基于802.11協(xié)議的無線局域網(wǎng)技術(shù)，其是一種應(yīng)用廣泛的無線通訊技術(shù)，適用于高速數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，是無線通訊方式中傳輸速率較快的一種，通常用于視頻音頻的傳輸。

1.2 433 MHz無線頻段技術(shù)

433 MHz技術(shù)使用433 MHz無線頻段通訊，該頻段通訊的顯著優(yōu)勢是無線信號的穿透性強(qiáng)、傳播距離遠(yuǎn)、功耗低。不足之處是通信速率低，只有9 600 bps，只能用于通訊數(shù)據(jù)量較小的場合。在信號傳輸質(zhì)量方面，其通常采用數(shù)據(jù)透明傳輸協(xié)議，安全保密性差，很容易被攻擊破譯。433 MHz采用單頻點(diǎn)工作，不能有效遮擋產(chǎn)生的多徑效應(yīng)，頻道非常擁擠，環(huán)境干擾、對講機(jī)、車載通信設(shè)備、業(yè)余通信設(shè)備等大多集中在此頻段，系統(tǒng)不穩(wěn)定，可靠性低，但通過組網(wǎng)的方式可以解決上述問題。

1.3 ZigBee技術(shù)

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，ZigBee是一種短距離、低功耗、基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)建立的一種無線通信技術(shù)。其主要適用于家庭和樓宇控制、工業(yè)現(xiàn)場自動化控制、農(nóng)業(yè)信息收集與控制、公共場所信息檢測與控制、智能型標(biāo)簽等領(lǐng)域[2]。

1.4 UWB(超寬帶)技術(shù)

UWB(Ultra Wideband)是一種無載波通信(又稱超寬帶)技術(shù)，其利用窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，10米左右傳輸數(shù)率可達(dá)Mbit/s至Gbit/s。該技術(shù)具有速率高、抗干擾性能強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。UWB主要應(yīng)用在橋梁、建筑、醫(yī)療、安防等領(lǐng)域。

2 適用于消防定位領(lǐng)域的語音傳輸方式

2.1 無線局域網(wǎng)方式

在覆蓋范圍內(nèi)有多個AP(WirelessAccessPoint，無線訪問接入點(diǎn))時，無線局域網(wǎng)方式可實(shí)現(xiàn)定位，例如三角定位，定位精度可達(dá)3～5 m。如果我們已經(jīng)知道了AP的位置，就可以利用信號衰減模型估算出移動設(shè)備與各個AP的距離，然后以這個半徑畫圓，其交點(diǎn)就是該設(shè)備的位置。無線局域網(wǎng)方式技術(shù)在快速定位的應(yīng)用上表現(xiàn)出了很好的特性，如果只使用單向工作模式，即只能AP主動找設(shè)備，設(shè)備只上傳數(shù)據(jù)而不接收數(shù)據(jù)，那么設(shè)備的功耗將大大降低。

無線局域網(wǎng)方式在覆蓋范圍上，目前大功率的AP及基站，覆蓋范圍可達(dá)3～5 km，且不用太多的回程設(shè)備。在傳輸速率上，其速率可達(dá)54 Mbps，在信號質(zhì)量方面無線局域網(wǎng)通訊穿透力較強(qiáng)，但也容易受到其他信號的干擾，縮短AP與節(jié)點(diǎn)的距離便可以解決此問題。無線局域網(wǎng)通訊是一種可加密的通訊技術(shù)，而且它解決了高速移動時數(shù)據(jù)的糾錯、誤碼及認(rèn)證的問題。根據(jù)對語音構(gòu)成的分析，無線局域網(wǎng)方式傳輸音頻信號時有多種壓縮編碼算法，如 CELP、RELP、VSELP、MBE 等，這些壓縮編碼算法的壓縮率及語音質(zhì)量各有所長[3]。

在組網(wǎng)方面，無線局域網(wǎng)方式的復(fù)雜程度和費(fèi)用都較低，搭建網(wǎng)絡(luò)的基本配置是無線網(wǎng)卡和AP。無線局域網(wǎng)通訊組網(wǎng)如圖1所示。

圖1 無線局域網(wǎng)通訊組網(wǎng)

2.2 433 MHz無線頻段方式

在組網(wǎng)方面，433 MHz技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)規(guī)模大小不同的組網(wǎng)，組網(wǎng)后通訊距離更遠(yuǎn)，相互干擾降低，采用特殊的時隙接入機(jī)制可以降低傳輸過程中的噪聲和干擾。433MHz無線頻段技術(shù)組網(wǎng)如圖2所示。

圖2 433MHz無線頻段技術(shù)組網(wǎng)

2.3 ZigBee方式

ZigBee定位技術(shù)按照自己的通信標(biāo)準(zhǔn)利用傳感器以接力的方式進(jìn)行信息通信傳遞，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的定位。該技術(shù)具有抗干擾性能強(qiáng)、傳輸速率高、功耗低、成本低等特點(diǎn)。

ZigBee在語音傳輸中有以下優(yōu)點(diǎn)：① ZigBee節(jié)點(diǎn)間間歇通信，數(shù)據(jù)的收發(fā)完成后進(jìn)入休眠狀態(tài)，功耗極低；② ZigBee的協(xié)議簡單，設(shè)備廠商通常提供免費(fèi)的使用平臺，可降低開發(fā)成本。ZigBee語音傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)傳輸速率為250 kbps，經(jīng)過組網(wǎng)調(diào)節(jié)速率可達(dá)到1 Mbps[4]。

ZigBee技術(shù)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)包括星型網(wǎng)、樹狀網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)等幾種類型，主要設(shè)備包括協(xié)調(diào)器、中繼器、終端等設(shè)備，ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有的顯著優(yōu)勢是協(xié)議簡單。ZigBee技術(shù)組網(wǎng)如圖3所示。

圖3 ZigBee技術(shù)組網(wǎng)

2.4 UWB方式

UWB技術(shù)通過發(fā)送極窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，并采用TDOA(Time Difference of Arrival，到達(dá)時間差)算法測距定位來獲得消防員在救援現(xiàn)場的位置。由于測得的角度值誤差較大，還需要用卡爾曼濾波器對測得的角度值進(jìn)行濾波，以進(jìn)一步提高測量精度[5]。

UWB語音傳輸采用OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用技術(shù))方案，正交頻分復(fù)用調(diào)制可有效地解決干擾問題，在UWB-OFDM系統(tǒng)中，窄脈沖被子信道載波調(diào)制后變成傳輸信號，不同的子信道不互相干擾，頻譜使用范圍廣。

在組網(wǎng)方面，UWB方式硬件實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，UWB技術(shù)組網(wǎng)如圖4所示。

對比分析上述4種技術(shù)，它們均可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位，滿足定位需求，在語音傳輸速率方面，無線局域網(wǎng)技術(shù)、ZigBee技術(shù)、UWB技術(shù)傳輸速度快，均可以滿足語音傳輸需要；在抗干擾能力方面UWB雖優(yōu)于其他技術(shù)，但硬件實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜且組網(wǎng)較難；在傳輸距離上，無線局域網(wǎng)技術(shù)和ZigBee技術(shù)具有優(yōu)勢。綜合分析，無線局域網(wǎng)技術(shù)和ZigBee技術(shù)在消防定位領(lǐng)域的優(yōu)勢比較突出，各技術(shù)對比見表1。

圖4 UWB技術(shù)組網(wǎng)

表1 各技術(shù)對比

無線局域網(wǎng)技術(shù)433MHzZigBeeUWB速率54Mbps9600bps1Mbps500Mbps抗干擾能力中弱中強(qiáng)能否實(shí)現(xiàn)定位能能能能精度/m3～51～320 3組網(wǎng)難度易易易難功耗低低低低傳輸距離遠(yuǎn)近遠(yuǎn)近

3 結(jié)論

消防員定位系統(tǒng)的語音傳輸主要應(yīng)用在突發(fā)事件的室內(nèi)定位及指揮調(diào)度等方面。在滿足定位的基礎(chǔ)上，現(xiàn)場情況的及時反饋與溝通可為快速救援提供信息支持，提高救援的質(zhì)量和速度，確保消防救援人員的自身安全，提高消防員在火災(zāi)現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境中的作戰(zhàn)能力，減少人員傷亡。此外，相關(guān)技術(shù)也可在其它領(lǐng)域復(fù)制推廣，如“急救”“防汛”“防震”“反恐”“防災(zāi)”等，這些技術(shù)是推進(jìn)數(shù)字城市和智慧城市建設(shè)的重要技術(shù)手段，從室外空間走向室內(nèi)空間是今后位置服務(wù)的必然趨勢[6-10]。

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(責(zé)任編輯 張雅芳)

Research on Voice Transmission Methods in Firemen Positioning Systems

ZHANG Zhi-chao1， BAI Guang-li2

(1.Heilongjiang Automation System Engineering Co.，Ltd.，Harbin Heilongjiang 150090，China；2.The Institute of Automation Heilongjiang Academy of Sciences，Harbin Heilongjiang 150090，China)

A firemen positioning system can accurately determine the 3D coordinates of the people inside a building，construct moving trajectories of people and realize real-time visualization.The voice transmission of the firemen positioning system can strengthen the links between off-site commanding personnel and on-site rescue personnel，improve firefighting efficiency and guarantee the personal safety of rescue personnel to the maximum.

fire fighting；positioning system；voice transmission；research

?位是通過讀取標(biāo)簽信號中的RSSI(

Signal Strength Indication，接收信號強(qiáng)度指示)值，再計算信號強(qiáng)度，結(jié)合室內(nèi)環(huán)境測算出標(biāo)簽相應(yīng)的位置，從而確定室內(nèi)人員的位置。采用TOA(Time Of Arrival，到達(dá)時間)定位方案，測量終端向基站發(fā)射信號的時間以確定終端的位置，可將精度提高到1～3 m。

2017-06-14

“消防員定位系統(tǒng)”省對外合作項(xiàng)目

張智超(1989-)，男，助理工程師，學(xué)士，主要從事電氣自動控制方面的研究與實(shí)踐工作， E-mail：505800209@qq.com。

TN912

A

2095-2953(2017)08-0032-03

研究與設(shè)計