基于物聯(lián)網(wǎng)定位的消防救援系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

馮寧　李世成　蔡東洋　何建樑　毛文濤

摘 要：隨著我國城市化與市場經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展，人們逐漸認識到城市消防規(guī)劃建設(shè)的必要性。為實現(xiàn)城市室內(nèi)火災(zāi)精確預警，并在滅火搶險救援過程中對消防人員進行實時精確定位，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)集消防預警、火災(zāi)現(xiàn)場模擬、實時定位追蹤和智能調(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；實時定位；智能調(diào)度；物聯(lián)網(wǎng)；火災(zāi)預警

中圖分類號：TP391.4 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）04-00-03

0 引 言

近幾年來，我國火災(zāi)現(xiàn)象日益嚴峻。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、誘因復雜等特點造成災(zāi)害損失大、傷亡人數(shù)高、救援難度大等問題，滅火救援形勢因此變得更加嚴峻。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)目前已經(jīng)成為了國內(nèi)外的研究熱點，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，國內(nèi)外關(guān)于消防滅火救援現(xiàn)場指揮地研究，主要集中在引進最新消防理論與技術(shù)，實現(xiàn)對現(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的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將路由節(jié)點安放在建筑物內(nèi)關(guān)鍵節(jié)點處。救援人員和設(shè)備均佩戴或安裝ZigBee模塊，通過ZigBee協(xié)議自組織成無線網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)通過采集到的信號強度進行定位[1-4] 。此外，也有研究[5-6]將GPRS、RFID等無線通信技術(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)場救援系統(tǒng)的研究，多集中在使用某一兩個技術(shù)解決單一問題。針對消防復雜環(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)融為一體的平臺式研究?；诖?，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)。在救援人員實時定位、救援現(xiàn)場信息實時反饋、救援路徑智能調(diào)度三個方面展開設(shè)計與實現(xiàn)。根據(jù)傳輸信息類型的增多和無線通信需求的增大，以及WiFi無線網(wǎng)絡(luò)的普及，同時也為了提出低成本、高效率的滅火現(xiàn)場救援解決方案，為實際消防應(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)，研究內(nèi)容具體包括：

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

（2）對于火場環(huán)境的檢測，采取節(jié)點配置傳感器方式收集并發(fā)送信息。

（3）研究火災(zāi)現(xiàn)場救援的人員調(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無線網(wǎng)絡(luò)匯總至服務(wù)器并在上位機處理，最終上傳至指揮中心和消防人員手持端形成火場虛擬環(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)勢在于采用經(jīng)驗測試和信號傳播模型相結(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)勢是低功耗和低成本；劣勢是網(wǎng)絡(luò)拓展性不強，且由于ZigBee傳輸速度較低，因此只能在定位過程中傳輸簡單信息。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)作為語音通信、視頻傳輸及人員定位的承載網(wǎng)絡(luò)，承擔主要的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。救援現(xiàn)場的救火人員佩戴一個綁定身份信息的AP終端，終端不斷掃描自身RSSI值，通過與已布設(shè)的WiFi 路由器進行信息交互。接入WiFi網(wǎng)絡(luò)的AP節(jié)點接收檢測數(shù)據(jù)，AP節(jié)點將數(shù)據(jù)裝入特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，并通過無線網(wǎng)發(fā)送至消防監(jiān)控中心服務(wù)器。數(shù)據(jù)傳至上位機后與提前采集的數(shù)據(jù)比對，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、能耗小的特點對檢測樓宇空間進行密集布網(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)點與多種采集環(huán)境參數(shù)的傳感器相連，利用WiFi測定的位置信息和ZigBee靜態(tài)節(jié)點的位置信息對消防人員進行定位，并通過無線網(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，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，提高救援準確率。

導航的第一步是要對消防員進行定位。通過服務(wù)器，上位機接收到由消防員隨身攜帶的AP終端傳來的信息，建立消防人員位置坐標，對其進行定位。

第二步是系統(tǒng)通過樓宇內(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)傳入指揮中心進行數(shù)據(jù)分析。由系統(tǒng)計算機計算出最優(yōu)的救援路線。

第三步是消防員根據(jù)系統(tǒng)提示向目的地行進。在此行進過程中，系統(tǒng)不斷重復“對消防員進行定位，再根據(jù)具體情況不斷修正最優(yōu)路線”的過程。

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)點采集數(shù)據(jù)，通過WiFi進行信息的交互。

（2）路徑子系統(tǒng)：智能導航系統(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)在上位機進行數(shù)據(jù)分析并計算出最優(yōu)的路線。

（3）界面子系統(tǒng)：將設(shè)計的最優(yōu)路線和定位，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ZigBee節(jié)點和傳感器網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)采集，通過WiFi無線通訊進行數(shù)據(jù)傳輸，通過信息在傳感器、解調(diào)器和上位機之間的循環(huán)傳輸進行定位。

傳感器模塊由ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)輔以溫度傳感器、煙霧傳感器構(gòu)成。該模塊起到了實時監(jiān)測及數(shù)據(jù)返回的作用。

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

3.2 基于WiFi與ZigBee的聯(lián)合定位模塊

火災(zāi)搶險救援現(xiàn)場的復雜環(huán)境以及電磁干擾會對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，實現(xiàn)彼此的互補，可達到精確定位。

3.2.1 WiFi節(jié)點和ZigBee節(jié)點的設(shè)置

以大型商場為例，對其進行精確定位時，WiFi節(jié)點和ZigBee節(jié)點的合理設(shè)置是進行室內(nèi)精確定位的關(guān)鍵。首先對該大型商場進行勘測，根據(jù)商場的室內(nèi)布局采集必要數(shù)據(jù)，結(jié)合兩類節(jié)點的物理特性，計算出WiFi節(jié)點之間的距離以及ZigBee節(jié)點之間的距離，在適當?shù)奈恢貌贾脙深惞?jié)點。

3.2.2 數(shù)據(jù)庫建立

提前繪制出商場的電子地圖并進行坐標劃分，對商場中對應(yīng)坐標采集數(shù)據(jù)。在商場內(nèi)一定點處，對一天內(nèi)各種情況及各個時段的WiFi信號強度和ZigBee信號強度進行檢測，建立WiFi和ZigBee標準數(shù)據(jù)庫，訓練指紋以此作為實時定位的參考值。數(shù)據(jù)庫建立流程如圖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模塊不斷掃描周圍其RSSI值并將信號通過AP節(jié)點發(fā)送到服務(wù)器，數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中提前采集的RSSI值做比較，并以此判斷人員位置坐標，實現(xiàn)對消防人員的精確定位?？紤]到信號傳播過程中由于外界因素引發(fā)的信號衰減和信號損耗，節(jié)點的信號衰減采用對數(shù)距離衰減模型的方式[7]：

ZigBee輔助定位則是通過其自組網(wǎng)狀態(tài)中移動節(jié)點掃描RSSI值，并與事先布置已知坐標位置的靜態(tài)節(jié)點進行對比計算，得出消防人員相對于ZigBee靜態(tài)節(jié)點的準確方位，進而求得盲節(jié)點坐標的位置。

3.2.4 定位信息傳輸

定位服務(wù)器主要由計算機和相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫軟件組成，接受由無線網(wǎng)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息并對數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理。即將待定位區(qū)域內(nèi)固定的參考標簽的位置信息通過定位服務(wù)器送入標準數(shù)據(jù)庫中，在數(shù)據(jù)庫中產(chǎn)生對應(yīng)的位置坐標，不斷對位置信息進行迭代更新，將處理后的信息通過WiFi無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到消防指揮中心及客戶端。

信息傳輸流程如圖3所示。

在消防實時定位時，通過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時發(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采集到的實時數(shù)據(jù)進行處理，以實時獲取消防人員所處的精確位置，實現(xiàn)指揮中心對消防人員的準確指導。

3.3 傳感器模塊

該模塊主要用來監(jiān)測無線火災(zāi)探測網(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無線網(wǎng)絡(luò)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)利用自身成本低、能耗小的特點，對待檢測樓宇空間進行密集布網(wǎng)，ZigBee節(jié)點主要與溫濕傳感器、煙霧傳感器、可燃氣體傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鞯葌鞲衅鬟B接，每個ZigBee節(jié)點均對各自連接到的傳感器收集到的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控和采集。當探測得到的數(shù)據(jù)超過報警閾值時，發(fā)出報警信號，并將所檢測的實時數(shù)據(jù)利用無線發(fā)送模塊通過接入的AP節(jié)點發(fā)送至服務(wù)器，服務(wù)器將接收到的數(shù)據(jù)進行存儲。

我們對新鄉(xiāng)市某大型商場實際分布進行了測繪，各功能模塊構(gòu)成如圖4所示。

3.4 智能調(diào)度模塊

在智能路線優(yōu)化問題的求解中，粒子群優(yōu)化算法具有設(shè)計簡單、所需設(shè)置的參數(shù)少、收斂速度快等優(yōu)點，在解決優(yōu)化問題上表現(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)實呈現(xiàn)模塊

該模塊主要包括服務(wù)器和客戶端。服務(wù)器負責管理建筑物室內(nèi)場景素材庫和火災(zāi)模擬數(shù)據(jù)，同時維護與客戶端的連接；客戶端即消防人員手持端，負責顯示消防人員定位信息及最優(yōu)路線，終端場景顯示與實時更新，包括滅火救援動作的交互[9]。

（1）在服務(wù)器一端，首先建立存儲火災(zāi)現(xiàn)場的三維虛擬現(xiàn)實場景。火災(zāi)發(fā)生后，服務(wù)器接收到無線網(wǎng)絡(luò)傳來的火災(zāi)現(xiàn)場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)場模擬數(shù)據(jù)。在消防人員需定制行為路線或指揮中心進行人員調(diào)度時，智能調(diào)度模塊制定最優(yōu)路線返回給消防員。

（2）客戶端分為指揮中心客戶端和消防人員手持客戶端兩部分。指揮中心應(yīng)用程序顯示火災(zāi)模擬現(xiàn)場及消防員分布情況，為現(xiàn)場指揮和調(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。而手持客戶端為模擬現(xiàn)場的簡易電子地圖，匯總主要包括傳感器數(shù)據(jù)及消防人員定位信息。消防員可在此客戶端進行自我定位和路線制定，為安全、高效救援提供保障。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)利用多種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)對基于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題和火災(zāi)現(xiàn)場的人員調(diào)度及救援路線的設(shè)計權(quán)重問題。本系統(tǒng)旨在針對消防滅火現(xiàn)場救援對通信效率的需求和特點，利用WiFi、ZigBee技術(shù)，從提高救援通信效果入手，在救援現(xiàn)場人員與設(shè)備定位、消防設(shè)備管理等方面進行預研，提出并設(shè)計了針對性強的一體化智能系統(tǒng)。本系統(tǒng)的實現(xiàn)大大提高了指揮決策的準確性和消防工作效率，保障了救援中的人員安全。

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