基于藍(lán)牙和UWB融合定位的建筑火災(zāi)精準(zhǔn)救援系統(tǒng)

黃剛　候樂樂　梅詩遠(yuǎn)　歐陽子櫻　牟霜

摘? 要：確定被困人員位置和保護(hù)救援人員安全是建筑火災(zāi)救援中的關(guān)鍵，但目前火災(zāi)內(nèi)部依然存在難探查、難搜尋等問題。文章基于藍(lán)牙和UWB融合定位及5G實(shí)時網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，在建筑物內(nèi)部使用藍(lán)牙Beacon進(jìn)行部署，并將被困人員的智能手機(jī)作為定位終端，利用藍(lán)牙和UWB融合定位技術(shù)測量時間差、信號到達(dá)角度等數(shù)據(jù)，采用AOA、AOD等算法進(jìn)行計算，實(shí)現(xiàn)了建筑火災(zāi)的精準(zhǔn)定位和救援。

關(guān)鍵詞：藍(lán)牙和UWB融合定位；火災(zāi)救援；AOA算法

中圖分類號：TN925；TP311.5? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）11-0093-04

Precise Rescue System for Building Fires Based on Bluetooth and UWB Fusion Positioning

HUANG Gang， HOU Lele， MEI Shiyuan， OUYANG Ziying， MU Shuang

（Chongqing Jiaotong University， Chongqing? 400074， China）

Abstract： Determining the location of trapped personnel and protecting the safety of rescue personnel is crucial in building fire rescue， but currently there are still problems such as difficult to detect and search inside the fire. This paper is based on Bluetooth and UWB fusion positioning and 5G real-time network transmission technology， Bluetooth Beacon is used for deployment in buildings， and the trapped person's smartphone is used as the positioning terminal. Bluetooth and UWB fusion positioning technology is used to measure time difference， signal arrival angle and other data. AOA， AOD and other algorithms are used for calculating to achieve accurate positioning and rescue of building fires.

Keywords： Bluetooth and UWB fusion positioning; fire rescue; AOA algorithm

0? 引? 言

與其他類型的火災(zāi)不同，建筑火災(zāi)[1]主要有以下四個特點(diǎn)：人員密度高、疏散通道相對狹窄、火勢蔓延迅速、火災(zāi)撲救困難。當(dāng)城市中高層建筑發(fā)生火災(zāi)時，由于樓層多達(dá)二三十層，利用樓梯下降至地面或者是其他空曠區(qū)域所需時間比較長；同時因為住宅樓中人口密集，其應(yīng)急疏散通道相對較小，再加上高層建筑基本上以電梯等豎向井道為主要通道，火災(zāi)發(fā)生后煙霧迅速蔓延。這樣會導(dǎo)致被困人員數(shù)量多，位置分布隨機(jī)性強(qiáng)，搜索難度大，黃金救援時間短等問題。

根據(jù)大型建筑發(fā)生火災(zāi)時救援行動的耗時情況，將建筑火災(zāi)中被困人員的搜救分為首次搜救和再次搜救。在首次搜救階段，因為此時火勢還沒有得到有效的控制仍在發(fā)展之中，建筑內(nèi)的危險程度還在進(jìn)一步加重，需要在6分鐘[2]甚至是更短的時間內(nèi)將被困人員救出。再次搜救是指搜救時火勢已發(fā)展到較為嚴(yán)重的程度，并且建筑內(nèi)被燒毀的物品具有一定的危險性，救援人員和被困人員面臨著十分嚴(yán)重的威脅。然而，在實(shí)際的救援主要是通過詢問火災(zāi)現(xiàn)場周邊知情者來獲知火場內(nèi)的信息，或者是等待被困者主動發(fā)出明顯的求救信號和呼救聲，進(jìn)而展開搜救行動。在現(xiàn)場周邊沒有知情者或者被困人員因煙霧、高溫或是在密閉空間中無法主動呼救的情況下，便大大增加了救援的風(fēng)險，也耽誤了最佳的救援時機(jī)。因此利用本系統(tǒng)提供的精準(zhǔn)定位功能，能夠在最短的時間內(nèi)精準(zhǔn)地鎖定被困人員位置，進(jìn)而迅速開展高效的救援行動，在6分鐘甚至更短的時間內(nèi)救出更多乃至所有的被困人員[3]。

1? 系統(tǒng)功能介紹

本系統(tǒng)主要包括UWB和藍(lán)牙兩種信號的融合定位網(wǎng)絡(luò)、5G傳輸網(wǎng)絡(luò)和微信小程序系統(tǒng)。藍(lán)牙和UWB融合定位技術(shù)兼具藍(lán)牙定位的低功耗、低成本特點(diǎn)和UWB定位的高精度特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了藍(lán)牙AOA定位與UWB定位的數(shù)據(jù)級融合，便于實(shí)現(xiàn)高精度、低延遲的定位監(jiān)測。將藍(lán)牙定位與UWB定位相融合可以更加精準(zhǔn)地獲取被困人員的位置數(shù)據(jù)，被困人員即可借助手機(jī)將自己的定位信息與求救信號通過5G網(wǎng)絡(luò)及時發(fā)送到云端數(shù)據(jù)中心，并自動發(fā)送至119救援指揮中心，救援指揮中心不僅可以獲得被困人員的被困位置，還可以通過建筑內(nèi)部署的5G微基站與救援人員進(jìn)行交互，救援人員通過救援平臺可以得知最近的救援路線，以便迅速展開針對性救援，縮短救援時間。

2? 系統(tǒng)整體設(shè)計及主要技術(shù)

2.1? 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，系統(tǒng)由兼容UWB[4，5]和藍(lán)牙兩種信號的定位網(wǎng)絡(luò)、5G傳輸網(wǎng)絡(luò)、云端后臺三個關(guān)鍵部分組成。被困人員的手機(jī)及救援人員的定位裝置和定位網(wǎng)絡(luò)交互完成定位。5G傳輸網(wǎng)絡(luò)將定位信息上傳到云端數(shù)據(jù)庫，云端與消防調(diào)度中心通過因特網(wǎng)完成數(shù)據(jù)通信?，F(xiàn)場救援人員可通過5G網(wǎng)絡(luò)連接云端查看被困人員的定位信息，還可以看到自己與被困人員之間的距離。

2.2? 技術(shù)支持

深入研究藍(lán)牙5.1協(xié)議[6]和UWB協(xié)議，掌握藍(lán)牙和UWB技術(shù)的工作原理及應(yīng)用技巧。在此基礎(chǔ)上通過AOA算法實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙定位和UWB定位技術(shù)相融合的精準(zhǔn)定位。搭建藍(lán)牙和UWB定位系統(tǒng)，完成藍(lán)牙定位、UWB定位以及藍(lán)牙與UWB融合定位的功能實(shí)現(xiàn)，提高系統(tǒng)定位精度。設(shè)計微信小程序的被困人員程序、救援人員程序和后臺信息管理系統(tǒng)。被困人員可通過該微信小程序?qū)崿F(xiàn)一鍵報警、附近人員查詢、自身定位三種功能，救援人員可使用被困人員查詢、自身位置信息查詢兩個功能。而在后臺信息管理系統(tǒng)中，系統(tǒng)細(xì)分為被困人員子系統(tǒng)和救援人員子系統(tǒng)兩個部分，分別提供被困人員定位信息顯示、救援人員個人基本信息及其定位信息顯示以及救援信息發(fā)送功能。將所設(shè)計的微信小程序與定位系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)報警功能和被困人員與救援人員的定位功能。通過利用5G實(shí)時網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，采用軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）架構(gòu)，保證大量被困人員的位置信息低時延傳輸。基于物聯(lián)網(wǎng)云端數(shù)據(jù)處理與管理的知識構(gòu)建云端數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對定位數(shù)據(jù)的有效管理，便于救援人員查看被困人員的定位信息。建立如圖2所示的系統(tǒng)，在整個系統(tǒng)設(shè)計搭建完畢后，不斷地進(jìn)行測試，采集信息，分析系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)，在測試中不斷地進(jìn)行改進(jìn)，完善優(yōu)化整個系統(tǒng)。

2.3? 系統(tǒng)運(yùn)行流程

如圖3所示，當(dāng)火場有人員被困時，打開手機(jī)藍(lán)牙，使用APP連接最近的藍(lán)牙錨點(diǎn)與UWB信標(biāo)接入定位網(wǎng)絡(luò)，通過手機(jī)APP一鍵發(fā)送求救信號。藍(lán)牙錨點(diǎn)與UWB同時接收手機(jī)發(fā)送的信號并進(jìn)行定位參數(shù)的測量，將得出的定位參數(shù)透傳給手機(jī)。

手機(jī)APP接收到定位參數(shù)后，通過內(nèi)嵌的AOA算法[7]計算出自身的準(zhǔn)確定位信息，然后通過移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將定位信息發(fā)送至云端數(shù)據(jù)中心。云端后臺向消防調(diào)度中心發(fā)送險情信號與被困人員定位信息，調(diào)度中心派遣的救援人員到達(dá)現(xiàn)場后可通過手持終端查看云端服務(wù)器中被困人員的定位信息。

2.4? 系統(tǒng)設(shè)計

2.4.1? 藍(lán)牙Beacon

藍(lán)牙Beacon即藍(lán)牙信標(biāo)，也可以說是藍(lán)牙基站，它是以BLE協(xié)議為基礎(chǔ)的一種廣播協(xié)議。相較于之前的藍(lán)牙版本，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟最新推出的5.1版本協(xié)議信息傳輸速率提高1倍，可達(dá)到2 Mbit/s，并且增加了尋向功能。原有藍(lán)牙定位方案是根據(jù)信標(biāo)相對于定位錨點(diǎn)的信號強(qiáng)度來估算出信標(biāo)距錨點(diǎn)間的距離，但卻無法獲取具體方位。

藍(lán)牙5.1基于多天線陣列通過計算信標(biāo)所發(fā)射信號到達(dá)接收點(diǎn)的相位差，利用AOA、AOD等算法推算出信標(biāo)相對于錨點(diǎn)的方位角，再結(jié)合之前的距離定位，即可定位信標(biāo)的準(zhǔn)確位置，且藍(lán)牙5.1可兼容低版本藍(lán)牙，目前市場上的智能手機(jī)所使用的藍(lán)牙均可作為定位設(shè)備。

本系統(tǒng)將藍(lán)牙5.1的尋向定位功能與智能手機(jī)相結(jié)合，在手機(jī)接收到定位參數(shù)后，根據(jù)AOA算法計算出自己的位置，并通過移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將定位信息發(fā)送到云端數(shù)據(jù)中心，救援人員即可在終端查看被困人員的具體位置，有針對性地開展救援工作。

2.4.2? 超寬帶定位（UWB）

UWB定位技術(shù)主要是通過無線定位算法判斷出目標(biāo)對象的具體位置，主要算法有AOA算法（接收到的角度信息）、TOA算法（接收到的信號時間差）、類似的TOF、TDOA算法等。UWB定位系統(tǒng)主要由發(fā)射機(jī)、信道、接收機(jī)組成，其中發(fā)射機(jī)主要用于信號的發(fā)射，以及接收接收機(jī)傳輸?shù)亩ㄎ粩?shù)據(jù)，信道是模擬傳播信息的路徑，而接收機(jī)負(fù)責(zé)接收信號的分析處理，包括判斷所接收信號的衰減程度、到達(dá)時間等，利用定位算法進(jìn)行分析即可，最終實(shí)現(xiàn)了對接收端的定位。

實(shí)際上，目前的技術(shù)特征主要是利用各種信息復(fù)用技術(shù)，多徑干擾、多普勒頻移、信道衰落、信號穿透都是定位技術(shù)中較為常見的問題。建筑內(nèi)部存在的各種器件導(dǎo)致信號之間相互干擾，并且建筑內(nèi)部的信號傳播路徑較為復(fù)雜，因此多徑干擾問題尤為突出。超寬帶定位本身發(fā)射信號脈沖的時間對其余信號來說相對較短，而且多徑分辨率較高，因此UWB信號抗干擾抗衰落的能力極低。

本系統(tǒng)將UWB定位作為藍(lán)牙定位固有缺陷的一個補(bǔ)充，UWB定位擁有極強(qiáng)的穿透性和極高的定位精度，能夠在藍(lán)牙被干擾、信號較弱的復(fù)雜場景下，以極高的精度定位被困人員的位置，并通過移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將定位信息發(fā)送到云端數(shù)據(jù)中心，幫助救援人員及時無干擾地獲取被困人員的位置信息，進(jìn)而快速地開展救援行動。

2.4.3? AOA定位技術(shù)

在工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（Industrial， Scientific and Medical， ISM）領(lǐng)域，藍(lán)牙信號的工作頻段是2.40 GHz到2.41 GHz，帶寬為2 MHz。藍(lán)牙分為三個廣播信道37、38、39。在藍(lán)牙5.x規(guī)范當(dāng)中，Bluetooth LE部分的擴(kuò)展廣播信道可以為0～39中的任意信道，也就是說藍(lán)牙信標(biāo)可以工作在任何藍(lán)牙頻道。

藍(lán)牙AOA室內(nèi)定位技術(shù)是一種兩基站定位方法，通過接收傳感器傳輸?shù)奈恢眯畔ⅲòǖ竭_(dá)時間、到達(dá)角度、到達(dá)位置），利用定位算法即可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。因為AOA是純方位定位算法，所以根據(jù)三角定理即可計算出節(jié)點(diǎn)位置。

AOA定位具體是通過計算目標(biāo)發(fā)射的信號到達(dá)AP（Access Point）的角度，推測出以基站為起點(diǎn)的射線斜率，射線必定經(jīng)過目標(biāo)點(diǎn)，由兩個或兩個以上的基站即可得到目標(biāo)點(diǎn)的位置。

無線信號在空中的傳播是連續(xù)的，RX接收機(jī)通常接受該頻段內(nèi)整個周期內(nèi)的無線信號，并通過信號的傳輸時間將信號解調(diào)，如果兩個接收機(jī)處于相同發(fā)送端相同半徑上，在某一時刻t，接收機(jī)接收到的相位差理應(yīng)為0，但如果接收機(jī)處于半徑不一致的位置，在某一時刻t，接收機(jī)的相位會產(chǎn)生一個差值，如圖4所示。

如圖5所示，在二維平面上，接收端AP裝有天線陣列，理論上兩根天線即可計算相位差，但加裝天線陣列可以提高計算精度消除誤差，天線陣列通過算法計算出發(fā)送信號到達(dá)接收天線的相位差，進(jìn)而計算出發(fā)射信號到達(dá)天線的角度，即可計算出定位點(diǎn)的二維平面位置信息，具體高度位置信息由錨節(jié)點(diǎn)的ID及位置坐標(biāo)確定，每個錨節(jié)點(diǎn)的ID表示其所在樓層與房間編號。

2.5? 系統(tǒng)部署

本系統(tǒng)主要應(yīng)用于覆蓋范圍大、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、人員流動大的建筑內(nèi)部[8]，如體育場館、中大型展館、居民樓、辦公樓等。根據(jù)實(shí)際建筑中住房的特點(diǎn)，將室內(nèi)地圖中心作為定位原點(diǎn)，之后確定橫縱軸，根據(jù)建圖信息安裝基站即可[9]?？茖W(xué)的部署融合UWB的藍(lán)牙Beacon，當(dāng)上述場所發(fā)生火災(zāi)時，本系統(tǒng)會將室內(nèi)所有被困人員（未被轉(zhuǎn)移到室外）的位置信息實(shí)時上傳到云端，救援人員可根據(jù)云端發(fā)回的信息快速精確地確定被困人員的具體位置，展開精準(zhǔn)救援，不必逐塊排查，從而縮短救援時間，大大降低救援風(fēng)險。

3? 實(shí)物測試

因為UWB模塊在以STM32F4芯片為處理芯片的基礎(chǔ)上，通過連接串口，將實(shí)驗程序燒錄到實(shí)驗板中，該程序?qū)崿F(xiàn)在以AOA算法為基礎(chǔ)的框架中，將各個模塊和對應(yīng)供電模塊連接，以信標(biāo)節(jié)點(diǎn)為移動點(diǎn)，不斷改變信標(biāo)的位置，觀察信標(biāo)所在模塊顯示屏幕的坐標(biāo)，如圖6所示。

以基站一為坐標(biāo)原點(diǎn)，基站一和基站二所在直線為x軸，基站二與基站三所在直線為y軸，建立二維坐標(biāo)，這個就是信標(biāo)在這個二維坐標(biāo)中的位置，與實(shí)際設(shè)計的位置信息只有略微誤差，定位效果較好。

4? 結(jié)? 論

該精準(zhǔn)救援系統(tǒng)可在火災(zāi)緊急情況下，有效減少被困人員搜索時間，實(shí)現(xiàn)快速營救，可大大降低被救人員和救援人員的傷亡。將藍(lán)牙定位和UWB定位技術(shù)相融合，可實(shí)現(xiàn)高精度、低功耗、低成本定位，火災(zāi)發(fā)生時可及時為救援人員提供被困人員的定位信息，是火災(zāi)救援的好幫手。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張宗強(qiáng).UWB定位技術(shù)在礦井下的應(yīng)用 [J].新型工業(yè)化，2021，11（2）：122-123.

[2] 蔣智明，劉晉軍，于炳辰，等.智能化背景下利用物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)的消防救援系統(tǒng)——以商羊系統(tǒng)為例 [J].今日消防，2021，6（1）：4-6.

[3] 于力.建筑火災(zāi)被困人員搜索策略研究 [J].武警學(xué)院學(xué)報，2020，36（12）：28-33.

[4] 黃葉超.基于藍(lán)牙技術(shù)的室內(nèi)定位算法研究 [D].西安：西安電子科技大學(xué)，2017.

[5] 劉啟智.基于5G超實(shí)時的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)探析 [J].信息通信，2020，208（4）：198-199.

[6] 劉國偉.高層建筑的火災(zāi)特點(diǎn)及消防設(shè)計和安全管理 [J].安全與健康，2009，295（7）：26-27.

[7] 李培剛.高層建筑安全疏散設(shè)計初探 [J].安全，2009，30（7）：15-17.

[8] 彭霞.高層建筑火災(zāi)的特點(diǎn)及預(yù)防措施 [J].科技風(fēng)，2011，166（4）：155.

[9] 楊明明，解江，楊志恒. 淺談現(xiàn)代社會高層建筑火災(zāi)特點(diǎn)及處置 [J].價值工程，2010，29（9）：163-164.

作者簡介：黃剛（2002.07—），男，漢族，重慶榮昌人，本科在讀，研究方向：通信工程。

收稿日期：2023-02-03

基金項目：重慶交通大學(xué)國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃資助項目（202210618018）