基于UWB技術(shù)的?；分腔巯拦芾硐到y(tǒng)

馮帥頎 崔啟煜 汪凡 常婕 張凌云

摘要：為了提高?；废拦芾淼乃?，創(chuàng)新管理方法，設(shè)計(jì)研究了一套基于UWB的?；分腔巯拦芾硐到y(tǒng)，其可實(shí)現(xiàn)對(duì)?；穫}(cāng)庫(kù)火災(zāi)中火源位置、易燃易爆品位置等位置信息的精確收集、分析與反饋和常態(tài)化火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。主要對(duì)該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。首先，結(jié)合江蘇鹽城響水“3·21”爆炸事故與天津?yàn)I海新區(qū)“8·12”爆炸事故，介紹了該系統(tǒng)的研究背景。接著，簡(jiǎn)要闡釋了UWB技術(shù)的定位原理，然后，從軟硬件兩個(gè)方面對(duì)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行詳細(xì)論證，最后，對(duì)設(shè)計(jì)出的demo系統(tǒng)進(jìn)行了初步測(cè)試并闡述了其對(duì)實(shí)際應(yīng)用的指導(dǎo)意義。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)危化品的實(shí)時(shí)監(jiān)控以及發(fā)生火災(zāi)后的輔助決策功能?；痉衔；分腔巯拦芾硐到y(tǒng)穩(wěn)定可靠、定位測(cè)量精度高等技術(shù)要求，對(duì)提高?；废拦芾硭骄哂兄匾饬x。

關(guān)鍵詞：智慧消防;UWB技術(shù);溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警;輔助決策

隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，社會(huì)的不斷進(jìn)步，危化品行業(yè)的安全生產(chǎn)問(wèn)題亟待得到有效的解決，江蘇鹽城響水“3·21”爆炸事故，起因是廠區(qū)人員未及時(shí)發(fā)現(xiàn)天嘉宜公司舊固廢庫(kù)內(nèi)長(zhǎng)期貯存的硝化廢料持續(xù)積熱升溫導(dǎo)致的自燃，從而由燃燒引發(fā)爆炸[1]。日趨復(fù)雜的化工火災(zāi)對(duì)消防救援隊(duì)伍提出了更高的要求，天津?yàn)I海新區(qū)“8·12”爆炸事故中二次爆炸的產(chǎn)生，是消防員在進(jìn)入火場(chǎng)時(shí)，由于不清楚?；返膬?chǔ)存位置，誤將水噴到電石上而導(dǎo)致的。數(shù)據(jù)表明，危險(xiǎn)化學(xué)品事故中，9%發(fā)生在倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程[2]。目前，我國(guó)對(duì)于危險(xiǎn)化學(xué)品倉(cāng)庫(kù)的消防安全管理水平依然落后，安全管理意識(shí)較差，隱患排查和事故預(yù)警技術(shù)遠(yuǎn)不能適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的要求。實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)化學(xué)品倉(cāng)庫(kù)消防安全管理的自動(dòng)化、信息化、智能化，是當(dāng)今“智慧消防”建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)。為了提高?；废拦芾淼乃?，創(chuàng)新管理方法，本文設(shè)計(jì)研究了一套基于UWB（超寬帶）的?；分腔巯拦芾硐到y(tǒng)并進(jìn)行了模擬測(cè)試，以期為危化品管理提供新的思路與辦法。

1? UWB（超寬帶）技術(shù)

UWB（超寬帶）技術(shù)是近年來(lái)新興的一種定位技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域現(xiàn)在使用的定位技術(shù)主要有衛(wèi)星定位技術(shù)、Wi-Fi定位技術(shù)、RFID定位技術(shù)、ZigBee定位技術(shù)，以上四種室內(nèi)定位技術(shù)，定位精度低，且容易受到干擾，定位穩(wěn)定性難以適應(yīng)室內(nèi)應(yīng)用的要求。

和其他無(wú)線定位技術(shù)相比，UWB（超寬帶）技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：數(shù)據(jù)傳輸速率極高，抗多徑效應(yīng)能力強(qiáng)，具有很強(qiáng)的穿透性，是室內(nèi)定位技術(shù)的佼佼者[3]。

UWB定位原理與GPS相似，其中：Anchor（基站）相當(dāng)于天上的衛(wèi)星，Tag（標(biāo)簽）相當(dāng)于用戶端的導(dǎo)航接收機(jī)，如手機(jī)。Anchor一般作為參考位置點(diǎn)安裝于固定參考點(diǎn);Tag一般作為待定位點(diǎn)，安裝于待定位載體上，如人員車輛、物資;網(wǎng)關(guān)基站除了有定位功能，還能監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)并向其他節(jié)點(diǎn)（Anchor、Tag）下發(fā)指令，一般通過(guò)以太網(wǎng)或wIH連接服務(wù)器或計(jì)算機(jī)等，UWB屬于電磁波，其在真空中的傳播速度與光速相同。通過(guò)測(cè)量Tag到Anchor的TOF（飛行時(shí)間），乘以光速后，Tag可以獲得Anchor的距離。通過(guò)到多個(gè)Anchor距離與參考Anchor的坐標(biāo)，可以列出多組球面方程，進(jìn)而由數(shù)學(xué)方法求解出標(biāo)簽的坐標(biāo)。

在獲得定位信息后，如果已知環(huán)境信息（如障礙物位置、可走的路徑），同時(shí)知道期望去的位置，則可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)導(dǎo)航功能?；赨WB無(wú)線通信技術(shù)，可將用戶數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線報(bào)文傳輸給其他節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的通信功能，也可進(jìn)一步擴(kuò)展為基于UWB傳輸?shù)腛TA（遠(yuǎn)程固件更新）功能。

2? 基于UWB（超寬帶）技術(shù)監(jiān)控定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)使用先進(jìn)的超窄脈沖精確測(cè)量飛行時(shí)間技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了底層的精確測(cè)距和計(jì)時(shí);結(jié)合位置解算法，實(shí)現(xiàn)了上層的精確定位[4]。整體上，定位系統(tǒng)由定位硬件層、網(wǎng)絡(luò)連接層、數(shù)據(jù)解算層和應(yīng)用層組成。定位硬件層是智慧消防系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位功能的主體部分，包括定位微基站和定位微標(biāo)簽;網(wǎng)絡(luò)連接層用于將定位微基站采集的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至阿里云云端;數(shù)據(jù)解算層通過(guò)由Go語(yǔ)言編寫的數(shù)據(jù)服務(wù)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽位置、溫度的計(jì)算并被顯示端調(diào)用進(jìn)行顯示[5];應(yīng)用層則是針對(duì)?；穫}(cāng)庫(kù)的需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)?；穬?chǔ)存狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控以及發(fā)生火災(zāi)后向消防救援人員及時(shí)提供火災(zāi)信息來(lái)輔助決策[6]。

2.2? 硬件設(shè)計(jì)

定位硬件主要由定位基站、定位標(biāo)簽、溫度傳感器等組成。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中所用的基站硬件集成板主要由中央處理模塊、信號(hào)通信模塊等組成。定位標(biāo)簽硬件集成板主要由中央處理模塊、信號(hào)通信模塊、溫度采集模塊組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中UWB無(wú)線通信模塊采用DecaWave公司的DWM1000超寬帶無(wú)線收發(fā)集成芯片[7]，該芯片是一種滿足IEEE802.15.4-2011標(biāo)準(zhǔn)完全集成UWB的低功耗單芯片CMOS無(wú)線電收發(fā)器。它支持110kbps、850kbps和6.8Mbps的數(shù)據(jù)速率，并且信號(hào)能傳輸百米以上，其高數(shù)據(jù)傳輸速率使其能夠保持播出時(shí)間短，從而節(jié)省電力并延長(zhǎng)電池壽命。此外，DWM1000支持定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，此功能可以保證所發(fā)送的數(shù)據(jù)幀包含該信號(hào)發(fā)送時(shí)間戳，從而一定程度上簡(jiǎn)化系統(tǒng)時(shí)序的設(shè)計(jì)。

基站與定位標(biāo)簽的處理器模塊MCU均采用以Cortex?-M4為內(nèi)核的nRF52832高性能微控制器，該處理器是一款功能強(qiáng)大、高度靈活的超低功耗多協(xié)議SoC，非常適合低功耗藍(lán)牙、ANT和2.4GHz超低功耗無(wú)線應(yīng)用。它和普通的單片機(jī)如51、STM32等最大的不同就是內(nèi)部集成了2.4GHz無(wú)線電收發(fā)器片內(nèi)外設(shè)，由于集成了2.4GHz無(wú)線電收發(fā)器，使它能夠支持相關(guān)的無(wú)線通信協(xié)議，比如低功耗藍(lán)牙、ANT等，其擁有外設(shè)豐富、超低功耗、超大內(nèi)存等優(yōu)點(diǎn)。

電源模塊采用TP4056芯片，其具有電池溫度檢測(cè)、欠壓閉鎖、自動(dòng)再充電和電壓轉(zhuǎn)換（3.7～5V）等功能[8]。該模塊將外接5V電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的3.3V電壓提供給主控模塊和通信模塊，并對(duì)電路進(jìn)行一定的電壓保護(hù)。

溫度傳感器采用業(yè)內(nèi)知名的瑞士Sensirion公司推出的新一代SHT30溫濕度傳感器芯片。得益于Sensirion的CMOSens?技術(shù)，高集成度電容式測(cè)濕元件和能隙式測(cè)溫元件，SHT30能夠提供極高的可靠性和出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，具有功耗低、反應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。傳感器內(nèi)部經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)、線性化與放大，能夠輸出與溫濕度呈線性關(guān)系的模擬電壓，無(wú)需額外的驅(qū)動(dòng)庫(kù)，使用簡(jiǎn)單方便，兼容常見的Arduino、micro：bit、ESP32等各類3.3V/5V主控系統(tǒng)，可以輕松實(shí)現(xiàn)城市環(huán)境監(jiān)控、智能樓宇、工業(yè)自動(dòng)化、智能家居等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景的溫濕度傳感。

2.3? 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

整個(gè)上位機(jī)軟件包含2部分：數(shù)據(jù)服務(wù)+前端顯示。數(shù)據(jù)服務(wù)，用于和阿里云物聯(lián)網(wǎng)通信，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，做業(yè)務(wù)邏輯解析和處理，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到Web顯示的作用，使用Go語(yǔ)言，程序直接打包成一個(gè)EXE文件，在Win系統(tǒng)下直接雙擊即可打開服務(wù)。Web顯示是在瀏覽器里面打開一個(gè)本地IP網(wǎng)址，Web會(huì)調(diào)用Go數(shù)據(jù)服務(wù)，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)在界面上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。本文上位機(jī)程序運(yùn)行環(huán)境為Win系統(tǒng)，采用Go語(yǔ)言編寫，具體流程如圖2所示。線程1為距離接收線程，該線程時(shí)刻接收基站發(fā)送的距離包，數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)以基站為中心，在進(jìn)行定位解算時(shí)以標(biāo)簽為中心，因此收到的數(shù)據(jù)包需要進(jìn)行分類。分類完的距離放入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)等待線程2提取，為了防止提取異常數(shù)據(jù)緩沖區(qū)需要通過(guò)一定的鎖控制。最后通過(guò)線程3寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)Web端需要顯示相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)，將自動(dòng)調(diào)用該程序，由該程序?qū)?shù)據(jù)庫(kù)的相關(guān)信息傳輸至顯示端。

3? 基于UWB（超寬帶）技術(shù)監(jiān)控定位系統(tǒng)應(yīng)用

3.1? 硬件布置

該系統(tǒng)以四個(gè)基站為一組，根據(jù)實(shí)際使用面積可多組基站擴(kuò)展布置，每組基站可覆蓋室內(nèi)面積不大于25m×25m。其中一個(gè)基站為網(wǎng)關(guān)基站，連接無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，連接PC。其余三個(gè)為普通定位基站，四個(gè)基站均需接通常備電源。

定位標(biāo)簽根據(jù)需要布置在目標(biāo)位置，接通電源即可開始工作。

3.2? 軟件運(yùn)行

確認(rèn)硬件正常工作后，我們將網(wǎng)關(guān)基站供電后通過(guò)網(wǎng)線連接PC，使用PC瀏覽器訪問(wèn)已設(shè)定的站點(diǎn)，即可看到圖3的配置界面。

然后，打開基站配置界面，將網(wǎng)關(guān)基站設(shè)置為主基站，其余3個(gè)基站設(shè)置為從基站，即可在該界面實(shí)時(shí)監(jiān)控倉(cāng)庫(kù)內(nèi)貯藏?；返奈恢眯畔⑴c監(jiān)控溫度信息。

該系統(tǒng)可根據(jù)倉(cāng)庫(kù)貯藏危化品的種類和對(duì)溫度敏感性的不同，設(shè)定不同種類?；肺ｋU(xiǎn)（報(bào)警臨界）溫度。當(dāng)標(biāo)簽內(nèi)置的溫度傳感器感知到溫度超過(guò)閾值后，便會(huì)觸發(fā)報(bào)警，并詳細(xì)顯示火災(zāi)信息與相應(yīng)處置方案，如圖4所示。

4? 結(jié)語(yǔ)

基于UWB（超寬帶）技術(shù)的抗干擾能力強(qiáng)、定位精度高、傳輸速度快和低耗電低功率的優(yōu)勢(shì)，本文在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)適用于危險(xiǎn)化學(xué)品倉(cāng)庫(kù)的消防安全管理系統(tǒng)，利用UWB定位模塊與?；肥鹿饰ｋU(xiǎn)因子傳感器，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)的感知、傳輸和智能分析功能，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)化學(xué)品倉(cāng)庫(kù)在事故發(fā)生前的定位預(yù)警、事故發(fā)生時(shí)的定位研判。

該系統(tǒng)可通過(guò)UWB（超寬帶）技術(shù)的精確室內(nèi)定位功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品儲(chǔ)存狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和智能識(shí)別，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全事故隱患?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)對(duì)著火點(diǎn)位置的準(zhǔn)確定位和燃燒物種類及處置方式的智能研判，使得消防救援人員能在救援裝備的使用和救援方案的制定上做到精準(zhǔn)施策，既保證了救援的迅速高效，也保護(hù)了消防救援人員的生命安全。測(cè)試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的火災(zāi)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集與傳輸、提供火場(chǎng)信息等功能，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期，經(jīng)過(guò)后續(xù)設(shè)計(jì)完善，有望能夠?yàn)闇缁鹁仍峁┤轿坏臄?shù)據(jù)支撐，從而有效提高滅火救援工作的效率，為消防救援隊(duì)伍“提質(zhì)強(qiáng)能”以及“全災(zāi)種、大應(yīng)急”建設(shè)貢獻(xiàn)力量。

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Intelligent fire management system

of hazardous chemicals based on UWB technology

Feng Shuaiqi1， Cui Qiyu2， Wang Fan1， Chang Jie3，Zhang Lingyun1

（1.Cadre Training Team， China Fire And Rescue College，Beijing? 102202;

2.Department of Criminal Science and Technology， Henan Police College，Henan? Zhengzhou 450046;3. Henan Water Resources Research Institute，Henan? Zhengzhou? 450008）

Abstract：In order to realize the accurate collection， analysis and feedback of the location information of fire source and inflammable and explosive products in the fire of hazardous chemical warehouse， as well as the normal fire risk early warning， a set of intelligent fire management system for hazardous chemical products based on UWB was designed and studied， and the hardware and software design of the system was studied.Firstly， the research background of the system is introduced in combination with the "3·21" explosion accident of Xiangshui in Yancheng， Jiangsu Province and the "8·12" explosion accident of Binhai New Area in Tianjin.Then， the positioning principle of UWB technology is briefly explained. Then， the design idea of the system is demonstrated in detail from both hardware and software aspects. Finally， the designed DEMO system is preliminarily tested.The test results show that the system can realize the real-time monitoring of hazardous chemicals and the auxiliary decision-making function after fire.It basically meets the technical requirements of the intelligent fire management system for hazardous chemicals， which is stable and reliable， with high precision of positioning and measurement.

Keywords：intelligent fire protection;UWB technology;temperature

monitoring and early warning;aid decision making