基于物聯(lián)網(wǎng)定位的消防救援系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馮寧　李世成　蔡?hào)|洋　何建樑　毛文濤

摘 要：隨著我國(guó)城市化與市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到城市消防規(guī)劃建設(shè)的必要性。為實(shí)現(xiàn)城市室內(nèi)火災(zāi)精確預(yù)警，并在滅火搶險(xiǎn)救援過(guò)程中對(duì)消防人員進(jìn)行實(shí)時(shí)精確定位，建立一種基于WiFi和ZigBee聯(lián)合定位的物聯(lián)網(wǎng)滅火救援系統(tǒng)，該系統(tǒng)集消防預(yù)警、火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)模擬、實(shí)時(shí)定位追蹤和智能調(diào)度為一體，為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在消防救援領(lǐng)域的具體推廣與實(shí)施提供借鑒，從而獲得高效率、低成本的解決方案。

關(guān)鍵詞：WiFi；ZigBee；實(shí)時(shí)定位；智能調(diào)度；物聯(lián)網(wǎng)；火災(zāi)預(yù)警

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）04-00-03

0 引 言

近幾年來(lái)，我國(guó)火災(zāi)現(xiàn)象日益嚴(yán)峻。特別是城市大型樓宇內(nèi)部，室內(nèi)消防由于人員密度大、空間封閉性高、誘因復(fù)雜等特點(diǎn)造成災(zāi)害損失大、傷亡人數(shù)高、救援難度大等問(wèn)題，滅火救援形勢(shì)因此變得更加嚴(yán)峻。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)目前已經(jīng)成為了國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)消防滅火領(lǐng)域的研究也日益增多。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于消防滅火救援現(xiàn)場(chǎng)指揮地研究，主要集中在引進(jìn)最新消防理論與技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有滅火救援體系、裝備的技術(shù)革新。一種新興的方式是采用基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將路由節(jié)點(diǎn)安放在建筑物內(nèi)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處。救援人員和設(shè)備均佩戴或安裝ZigBee模塊，通過(guò)ZigBee協(xié)議自組織成無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)通過(guò)采集到的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行定位[1-4] 。此外，也有研究[5-6]將GPRS、RFID等無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)引入到消防栓的管理和安檢領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)概述

從上述分析可以看出，目前消防滅火現(xiàn)場(chǎng)救援系統(tǒng)的研究，多集中在使用某一兩個(gè)技術(shù)解決單一問(wèn)題。針對(duì)消防復(fù)雜環(huán)境下的室內(nèi)定位，單一技術(shù)不僅缺乏系統(tǒng)的、相互支持的體系研究，也缺少將多種技術(shù)融為一體的平臺(tái)式研究。基于此，在前期研究的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)[7]及現(xiàn)有消防滅火現(xiàn)場(chǎng)救援體系的基礎(chǔ)上，引入多種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)聯(lián)合的救援系統(tǒng)。在救援人員實(shí)時(shí)定位、救援現(xiàn)場(chǎng)信息實(shí)時(shí)反饋、救援路徑智能調(diào)度三個(gè)方面展開(kāi)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。根據(jù)傳輸信息類(lèi)型的增多和無(wú)線(xiàn)通信需求的增大，以及WiFi無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的普及，同時(shí)也為了提出低成本、高效率的滅火現(xiàn)場(chǎng)救援解決方案，為實(shí)際消防應(yīng)用提供參考，系統(tǒng)將采用WiFi作為三方面應(yīng)用的基礎(chǔ)技術(shù)，研究?jī)?nèi)容具體包括：

（1）在救援過(guò)程中，確定消防人員的位置至關(guān)重要，針對(duì)滅火救援中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集困難與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送穩(wěn)定性差的問(wèn)題， 采用基于WiFi與ZigBee的聯(lián)合定位技術(shù)，以滿(mǎn)足救援系統(tǒng)的高精度、高可靠性和低成本的要求。

（2）對(duì)于火場(chǎng)環(huán)境的檢測(cè)，采取節(jié)點(diǎn)配置傳感器方式收集并發(fā)送信息。

（3）研究火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)救援的人員調(diào)度和智能路徑規(guī)劃算法，找到火災(zāi)救援及消防人員緊急逃生的最優(yōu)方案。

（4）傳感器及定位信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)匯總至服務(wù)器并在上位機(jī)處理，最終上傳至指揮中心和消防人員手持端形成火場(chǎng)虛擬環(huán)境。

2 技術(shù)分析

2.1 WiFi和ZigBee聯(lián)合定位技術(shù)

WiFi技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于采用經(jīng)驗(yàn)測(cè)試和信號(hào)傳播模型相結(jié)合的方式，易安裝、所需基站少、系統(tǒng)總精度高；缺點(diǎn)在于穩(wěn)定性差，能耗較高。ZigBee技術(shù)在小范圍的室內(nèi)定位技術(shù)中的優(yōu)勢(shì)是低功耗和低成本；劣勢(shì)是網(wǎng)絡(luò)拓展性不強(qiáng)，且由于ZigBee傳輸速度較低，因此只能在定位過(guò)程中傳輸簡(jiǎn)單信息。因此，本系統(tǒng)定位模塊采用WiFi和ZigBee聯(lián)合定位。

（1）WiFi網(wǎng)絡(luò)作為語(yǔ)音通信、視頻傳輸及人員定位的承載網(wǎng)絡(luò)，承擔(dān)主要的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。救援現(xiàn)場(chǎng)的救火人員佩戴一個(gè)綁定身份信息的AP終端，終端不斷掃描自身RSSI值，通過(guò)與已布設(shè)的WiFi 路由器進(jìn)行信息交互。接入WiFi網(wǎng)絡(luò)的AP節(jié)點(diǎn)接收檢測(cè)數(shù)據(jù)，AP節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)裝入特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)發(fā)送至消防監(jiān)控中心服務(wù)器。數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)后與提前采集的數(shù)據(jù)比對(duì)，利用指紋定位算法，得出WiFi定位區(qū)域內(nèi)部精確的地理位置信息。

（2）下層的ZigBee網(wǎng)絡(luò)利用自身成本低、能耗小的特點(diǎn)對(duì)檢測(cè)樓宇空間進(jìn)行密集布網(wǎng)，為采集模擬量和精確的人員定位提供承載網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的ZigBee節(jié)點(diǎn)與多種采集環(huán)境參數(shù)的傳感器相連，利用WiFi測(cè)定的位置信息和ZigBee靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的位置信息對(duì)消防人員進(jìn)行定位，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)完成消防人員和服務(wù)器之間位置信息的交互。

2.2 智能調(diào)度系統(tǒng)

智能調(diào)度系統(tǒng)能為消防人員提供最優(yōu)滅火救援和緊急撤離的智能路線(xiàn)，以保障人員安全。其次，在指揮中心的虛擬成像給指揮中心提供了可視化指揮，提高救援準(zhǔn)確率。

導(dǎo)航的第一步是要對(duì)消防員進(jìn)行定位。通過(guò)服務(wù)器，上位機(jī)接收到由消防員隨身攜帶的AP終端傳來(lái)的信息，建立消防人員位置坐標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行定位。

第二步是系統(tǒng)通過(guò)樓宇內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，及傳回的人員分布和定位數(shù)據(jù)，傳感器數(shù)據(jù)傳入指揮中心進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。由系統(tǒng)計(jì)算機(jī)計(jì)算出最優(yōu)的救援路線(xiàn)。

第三步是消防員根據(jù)系統(tǒng)提示向目的地行進(jìn)。在此行進(jìn)過(guò)程中，系統(tǒng)不斷重復(fù)“對(duì)消防員進(jìn)行定位，再根據(jù)具體情況不斷修正最優(yōu)路線(xiàn)”的過(guò)程。

子系統(tǒng)由三部分組成：用于消防員定位的定位子系統(tǒng)；用于計(jì)算最優(yōu)路徑的路徑子系統(tǒng)和給出消防員提示的消防員界面子系統(tǒng)。

（1）定位子系統(tǒng)：導(dǎo)航系統(tǒng)的定位子系統(tǒng)將采用基于WiFi和ZigBee協(xié)議的室內(nèi)雙重定位技術(shù)。 由ZigBee節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，通過(guò)WiFi進(jìn)行信息的交互。

（2）路徑子系統(tǒng)：智能導(dǎo)航系統(tǒng)的路徑子系統(tǒng)采用了智能路徑規(guī)劃中常用的算法，即算出所有節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑，并結(jié)合人員定位信息和傳感器數(shù)據(jù)在上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并計(jì)算出最優(yōu)的路線(xiàn)。

（3）界面子系統(tǒng)：將設(shè)計(jì)的最優(yōu)路線(xiàn)和定位，火情位置信息發(fā)送給消防員手持端，在電子地圖上呈現(xiàn)。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 總體流程

基于WiFi定位的物聯(lián)網(wǎng)滅火救援系統(tǒng)包括三部分：聯(lián)合定位模塊、傳感器模塊和智能調(diào)度模塊。

聯(lián)合定位模塊通過(guò)ZigBee節(jié)點(diǎn)和傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)WiFi無(wú)線(xiàn)通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)信息在傳感器、解調(diào)器和上位機(jī)之間的循環(huán)傳輸進(jìn)行定位。

傳感器模塊由ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)輔以溫度傳感器、煙霧傳感器構(gòu)成。該模塊起到了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)返回的作用。

智能調(diào)度模塊包括定位、路徑和界面三個(gè)子系統(tǒng)，分別具有定位救援人員、計(jì)算最優(yōu)路徑和進(jìn)行虛擬顯示的功能。

3.2 基于WiFi與ZigBee的聯(lián)合定位模塊

火災(zāi)搶險(xiǎn)救援現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜環(huán)境以及電磁干擾會(huì)對(duì)WiFi定位產(chǎn)生很大的影響。利用ZigBee的穩(wěn)定性、抗干擾性及WiFi覆蓋范圍廣、傳出速率高的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)彼此的互補(bǔ)，可達(dá)到精確定位。

3.2.1 WiFi節(jié)點(diǎn)和ZigBee節(jié)點(diǎn)的設(shè)置

以大型商場(chǎng)為例，對(duì)其進(jìn)行精確定位時(shí)，WiFi節(jié)點(diǎn)和ZigBee節(jié)點(diǎn)的合理設(shè)置是進(jìn)行室內(nèi)精確定位的關(guān)鍵。首先對(duì)該大型商場(chǎng)進(jìn)行勘測(cè)，根據(jù)商場(chǎng)的室內(nèi)布局采集必要數(shù)據(jù)，結(jié)合兩類(lèi)節(jié)點(diǎn)的物理特性，計(jì)算出WiFi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)奈恢貌贾脙深?lèi)節(jié)點(diǎn)。

3.2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)建立

提前繪制出商場(chǎng)的電子地圖并進(jìn)行坐標(biāo)劃分，對(duì)商場(chǎng)中對(duì)應(yīng)坐標(biāo)采集數(shù)據(jù)。在商場(chǎng)內(nèi)一定點(diǎn)處，對(duì)一天內(nèi)各種情況及各個(gè)時(shí)段的WiFi信號(hào)強(qiáng)度和ZigBee信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，建立WiFi和ZigBee標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，訓(xùn)練指紋以此作為實(shí)時(shí)定位的參考值。數(shù)據(jù)庫(kù)建立流程如圖2所示。

3.2.3 定位算法

該模塊WiFi定位利用RSSI定位算法。終端接到定位命令后，WiFi模塊不斷掃描周?chē)銻SSI值并將信號(hào)通過(guò)AP節(jié)點(diǎn)發(fā)送到服務(wù)器，數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中提前采集的RSSI值做比較，并以此判斷人員位置坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)消防人員的精確定位。考慮到信號(hào)傳播過(guò)程中由于外界因素引發(fā)的信號(hào)衰減和信號(hào)損耗，節(jié)點(diǎn)的信號(hào)衰減采用對(duì)數(shù)距離衰減模型的方式[7]：

ZigBee輔助定位則是通過(guò)其自組網(wǎng)狀態(tài)中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)掃描RSSI值，并與事先布置已知坐標(biāo)位置的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，得出消防人員相對(duì)于ZigBee靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確方位，進(jìn)而求得盲節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的位置。

3.2.4 定位信息傳輸

定位服務(wù)器主要由計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)軟件組成，接受由無(wú)線(xiàn)網(wǎng)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)信息并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。即將待定位區(qū)域內(nèi)固定的參考標(biāo)簽的位置信息通過(guò)定位服務(wù)器送入標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中，在數(shù)據(jù)庫(kù)中產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的位置坐標(biāo)，不斷對(duì)位置信息進(jìn)行迭代更新，將處理后的信息通過(guò)WiFi無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到消防指揮中心及客戶(hù)端。

信息傳輸流程如圖3所示。

在消防實(shí)時(shí)定位時(shí)，通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)將消防員攜帶的定位終端采集的位置信息實(shí)時(shí)發(fā)送到服務(wù)器，利用最佳定位模塊選擇的最佳定位方式對(duì)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以實(shí)時(shí)獲取消防人員所處的精確位置，實(shí)現(xiàn)指揮中心對(duì)消防人員的準(zhǔn)確指導(dǎo)。

3.3 傳感器模塊

該模塊主要用來(lái)監(jiān)測(cè)無(wú)線(xiàn)火災(zāi)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)各處溫度和煙霧濃度等環(huán)境特征，并將數(shù)據(jù)返回控制中心。

傳感器載體模塊選用ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)利用自身成本低、能耗小的特點(diǎn)，對(duì)待檢測(cè)樓宇空間進(jìn)行密集布網(wǎng)，ZigBee節(jié)點(diǎn)主要與溫濕傳感器、煙霧傳感器、可燃?xì)怏w傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鞯葌鞲衅鬟B接，每個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)均對(duì)各自連接到的傳感器收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和采集。當(dāng)探測(cè)得到的數(shù)據(jù)超過(guò)報(bào)警閾值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并將所檢測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)利用無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊通過(guò)接入的AP節(jié)點(diǎn)發(fā)送至服務(wù)器，服務(wù)器將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

我們對(duì)新鄉(xiāng)市某大型商場(chǎng)實(shí)際分布進(jìn)行了測(cè)繪，各功能模塊構(gòu)成如圖4所示。

3.4 智能調(diào)度模塊

在智能路線(xiàn)優(yōu)化問(wèn)題的求解中，粒子群優(yōu)化算法具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、所需設(shè)置的參數(shù)少、收斂速度快等優(yōu)點(diǎn)，在解決優(yōu)化問(wèn)題上表現(xiàn)出極大的潛力。因此，在人員調(diào)度和智能路徑的設(shè)計(jì)上，采用粒子群優(yōu)化算法，求得最優(yōu)方案[8]。

3.5 虛擬現(xiàn)實(shí)呈現(xiàn)模塊

該模塊主要包括服務(wù)器和客戶(hù)端。服務(wù)器負(fù)責(zé)管理建筑物室內(nèi)場(chǎng)景素材庫(kù)和火災(zāi)模擬數(shù)據(jù)，同時(shí)維護(hù)與客戶(hù)端的連接；客戶(hù)端即消防人員手持端，負(fù)責(zé)顯示消防人員定位信息及最優(yōu)路線(xiàn)，終端場(chǎng)景顯示與實(shí)時(shí)更新，包括滅火救援動(dòng)作的交互[9]。

（1）在服務(wù)器一端，首先建立存儲(chǔ)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的三維虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。火災(zāi)發(fā)生后，服務(wù)器接收到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)傳感器和人員定位的數(shù)據(jù)信息，將其轉(zhuǎn)化為具體數(shù)據(jù)并不斷更新火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)模擬數(shù)據(jù)。在消防人員需定制行為路線(xiàn)或指揮中心進(jìn)行人員調(diào)度時(shí)，智能調(diào)度模塊制定最優(yōu)路線(xiàn)返回給消防員。

（2）客戶(hù)端分為指揮中心客戶(hù)端和消防人員手持客戶(hù)端兩部分。指揮中心應(yīng)用程序顯示火災(zāi)模擬現(xiàn)場(chǎng)及消防員分布情況，為現(xiàn)場(chǎng)指揮和調(diào)度決策提供全局性信息，并為事后的任務(wù)分析提供素材。而手持客戶(hù)端為模擬現(xiàn)場(chǎng)的簡(jiǎn)易電子地圖，匯總主要包括傳感器數(shù)據(jù)及消防人員定位信息。消防員可在此客戶(hù)端進(jìn)行自我定位和路線(xiàn)制定，為安全、高效救援提供保障。

4 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)利用多種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)基于WiFi定位的物聯(lián)網(wǎng)滅火救援系統(tǒng)的制定。該方案的關(guān)鍵之處在于解決基于WiFi定位和ZigBee定位的物聯(lián)網(wǎng)雙重定位模式下的配合問(wèn)題和火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的人員調(diào)度及救援路線(xiàn)的設(shè)計(jì)權(quán)重問(wèn)題。本系統(tǒng)旨在針對(duì)消防滅火現(xiàn)場(chǎng)救援對(duì)通信效率的需求和特點(diǎn)，利用WiFi、ZigBee技術(shù)，從提高救援通信效果入手，在救援現(xiàn)場(chǎng)人員與設(shè)備定位、消防設(shè)備管理等方面進(jìn)行預(yù)研，提出并設(shè)計(jì)了針對(duì)性強(qiáng)的一體化智能系統(tǒng)。本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)大大提高了指揮決策的準(zhǔn)確性和消防工作效率，保障了救援中的人員安全。

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