以WiFi和ZigBee聯合定位的消防滅火救援系統

沈雪微+馮寧+張玲玲+王海成+毛文濤

摘 要：當前消防滅火體系受限于通信方式、設備管理模式等技術方面，無法適應日益復雜的火場救援需要。結合城市消防體系的發展需求，將物聯網技術引入消防滅火現場救援中。采用了以Wi-Fi為主、ZigBee為輔的融合定位技術，提出基于物聯網傳感感知技術的高效現場救援系統方案。本系統方案劃分模塊對數據等信息加以分析處理，并用基于信號強度和三邊定位算法聯合實現重點場所火災預警和消防人員精確跟蹤定位，提高指揮中心決策的準確性，保障消防人員安全。

關鍵詞：消防;Wi-Fi定位;ZigBee;信號強度;三邊定位

中圖分類號：TP391.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? 文章編號：2095-1302（2015）01-00-04

0 ?引 ?言

目前消防部門和產業界對滅火救援移動系統研究較少。由于部分火災發生時間、地點、形勢具有不確定性的特點，現有各種網絡可能覆蓋不到事發區域，另外一些預先布置的監控檢測系統可能受到破壞，導致事故現場無法提供實時數據的采集和傳送，導致指揮員無法實時全方位的監控，對事故決策造成影響。本文的目的在于提出一種融合現有Wi-Fi和ZigBee技術的室內消防定位方案，迅速在事故點周邊搭建無線網絡，顯示所有救援人員的位置和狀態信息，為現場救援提供準確的參考數據。

1 ?移動滅火救援特點與分析

1.1 ?技術特點

據調查，在城市預防火災方面主要采用的是在商場內安裝火災自動報警系統及其聯動消防裝置。然而在這種消防設備管理和監督體系下，商場內的消防設施得不到定期檢修，火災警報系統故障頻發，導致無法準確對已發災害進行掌控與救援。再加之傳統救援模式下，消防員在復雜的火場環境中，發生危險等不可預知狀況的幾率極高。因此掌控火場內救援人員的準確位置，指揮部如何實施合理救援問題，是此刻亟待解決的。

Wi-Fi技術是當前生產和生活中廣泛采用的無線局域網技術，具有覆蓋面廣、組網靈活、傳輸速率高等優點，Wi-Fi定位技術更是具有精度高、對網絡變動適應性好的特點，因此在制定移動滅火救援方案時，應優先考慮Wi-Fi作為基礎定位技術。鑒于Wi-Fi的抗干擾能力比較差，在實際生產生活中，獨立地使用Wi-Fi技術進行室內定位已不足以滿足人們對實時準確定位的需求，特別是在處理移動滅火救援問題中。

在定位領域應用廣泛的就是ZigBee定位技術。ZigBee節點可進行數據采集并有自組網功能。ZigBee節點具有能耗低、可靠性強、時延短、容量大等優點。其缺點是網絡拓展性不強，只在特定范圍內定位精度較高，另由于ZigBee傳輸速度較低，因此只能傳輸定位過程中的簡單信息。

因此若將ZigBee和Wi-Fi相結合，利用ZigBee進行局部范圍的定位，利用Wi-Fi進行較大范圍的定位，則可以彌補雙方的缺陷，提供較好的定位效果，能夠適應火場變化復雜的環境。在移動滅火救援中，還需要采集和傳輸數據量較大的圖像、聲音等信息。與ZigBee技術的低數據速率的傳輸相比，Wi-Fi優勢凸顯。因此，為了滿足移動滅火救援的具體需要，本文擬采用以Wi-Fi定位為主，ZigBee為輔的火場定位方案，該方案通過信息融合技術，將Wi-Fi和ZigBee技術結合實現更加精確的實時定位;與此同時，該方案還可利用ZigBee技術組建無線傳感器監測網絡，監測和報警人員活動情況，傳輸小數據量的監測活動信息;利用Wi-Fi技術組建無線監測局域網絡，根據無線傳感器監測網絡監測的情況采集相關的圖像或聲音信息，傳輸大數據量的監測活動信息，同時提供好的系統擴展性。

（1）準確定位

通過接收終端信號，再根據Wi-Fi和ZigBee采集的數據信息實現對救災現場消防人員的精確定位。

（2）及時迅速

時間決定效率，利用該系統可高效迅速進行人員調度及監控指揮。

（3）現場指揮

消防監控指揮中心獲取救援人員定位及現場環境狀況，實施精準合理的現場指揮。

1.2 ?需求分析

本系統方案主要應用在大型商場等人流量較大，火災易發場所。根據對大型商場內消防現狀的調查與分析，設計新系統時充分利用ZigBee和Wi-Fi的特點，以達到設計的最終目的，在設計中需要注意一下幾個問題：

（1）實時性、準確性

本系統屬于遠程檢測系統，實時性和準確性是最基本的要求，只有裝置及時準確反饋救援人員情況，指揮中心才能提供決策支持。

（2）可靠性、抗干擾性

系統中的ZigBee模塊與Wi-Fi模塊同時工作，具備較強抗干擾能力以適應商場各種復雜環境，保證系統連續可靠運行[1]。

（3）實用性

消防人員只需要通過標簽的位置來確定自己的位置，簡單可行。

（4）可擴展性

本系統能夠實現多種技術的融合，能夠將其遷移至其他場合，增強系統功能性。

1.3 ?系統功能

根據需求，本方案需要實現以下功能：

（1）信息讀取功能

通過Wi-Fi節點傳遞信息，其中包括節點的ID號、RSSI值及其他一些基本信息。

（2）報警信息采集功能

由火警檢測傳感器，如煙霧傳感器、溫度傳感器等。當設備檢測到有火警信號出現時，會及時發送至Wi-Fi接入點AP。

（3）信息融合功能

利用Wi-Fi和ZigBee節點的優點，實現技術互補，通過將信息對比與數據庫，確定最佳定位方案。

（4）無線傳輸功能

將從每一處獲取的消防員位置信息和通過煙霧傳感器和溫度傳感器獲取的周圍環境信息通過無線傳輸，發送至Wi-Fi接入點AP。

（5）AP端信息采集[2]

由定位終端將接收到的數據信息進行發送給AP，封裝后通過以太網發送至監控中心的定位服務器。

（6）信息數據處理

該部分工作由管理系統自動完成，將獲取的數據信息處理并與標準數據庫中的參考值進行對比，反饋結果給指揮人員，其中包括各個救援人員攜帶的定位終端通過Wi-Fi和ZigBee采集到的數據信息。

2 ?系統設計方案

本系統總共分為三個大的模塊，消防預警模塊、數據庫模塊和最佳定位模塊。這三個模塊主要實現兩大功能，即預警和跟蹤定位。每一個模塊都是根據方案的需求來劃分的，對于每一個模塊，都有該模塊多的性能指標，又由不同的小模塊構成。

2.1 ?消防預警模塊

該模塊主要將多媒體技術、網絡技術、主動空氣采樣、空氣顆粒識別和煙霧濃度鑒別和遠程報警系統相結合。監測施救范圍內的各種環境指數并發出警報信號。該消防預警模塊主要由信息采集、數據傳送和消防監控三部分組成。作者對新鄉市某大型商場實際分布進行了測繪，構成各功能模塊。

消防監控處于該模塊的最高層，由計算機和相應的系統軟件構成（兼具GIS系統），對數據信息進行處理，轉化為圖像信息，便于指揮人員分析，并作出合理預案。

數據傳輸主要由Wi-Fi無線網絡和已有的以太網實現。火場情況復雜，有線網絡將不再可靠。由以Wi-Fi模塊為依托的數據采集模塊傳遞信息后，AP自組網傳遞至指揮中心，具有高速、及時、穩定、有效的特點。

信息采集主要利用傳感器。主要包括煙霧傳感器、溫濕度傳感器和火焰傳感器等。將帶有傳感器的標簽加載在救援人員移動終端上，一旦救援人員進入火災現場，傳感器便開始采集數據，通過Wi-Fi無線網絡等過程傳至控制中心。

2.2 ?數據庫的模塊

鑒于室外無線定位的特點，須提前對定位的地理環境進行信號強度樣點采集，將采集的信號強度信息進行處理建立標準數據庫。之后的具體定位中，只要將信號強度信息傳輸到服務器，比較標準數據庫中的參考值，并不斷調整，得到最佳值，方可精確定位。

要想進行對室內的精確定位，同樣需要對室內進行樣點采集，然后建立標準數據庫，在實時定位中作為參考進行定位。本文提出以下建立數據庫的方案：

（1）Wi-Fi節點和ZigBee節點的設置

實現對大型商場的精確定位，關鍵在于Wi-Fi節點和ZigBee節點恰當設置。要提前對該大型商場進行勘測，根據室內布局，對具體的物體放置進行測量，結合Wi-Fi節點和ZigBee節點的物理特性，計算出Wi-Fi節點之間的距離以及ZigBee節點之間的距離，在適當的位置設置節點。

（2）信號強度信息采集及處理

在正常情況下，提取商場內任意一點，檢測一天內不同時段的Wi-Fi信號強度和ZigBee信號強度，并建立特定時段的標準數據庫作為實時定位的參考值。

數據庫建立流程如圖1所示。

圖1 ?數據庫模塊流程圖

2.3 ?最佳定位模塊

該模塊將Wi-Fi和ZigBee定位技術相結合，利用ZigBee抗干擾性強的優點來彌補Wi-Fi的不足。該模塊分為兩部分，一部分是后臺服務器，利于指揮部人員進行現場監控，另一部分可以在終端上實現救援人員實時定位。

待定位區域內有很多固定的參考標簽，將此標簽的位置信息通過定位服務器送入數據庫集中的標準數據庫中，然后分別將Wi-Fi和ZigBee單獨工作時的定位信息經由定位服務器送到數據庫集中的定位數據庫。

其中定位數據庫中的數據每隔一段時間就會將參考標簽的位置信息更新一次，相應的分析處理部分就會對定位數據庫與標準數據庫中的數據進行分析對比，以便能夠及時確定最優的定位方式，增強系統的抗干擾性。信息融合流程圖如圖2所示。

圖2 ?Wi-Fi和ZigBee信息融合圖

在消防實時定位時，通過Wi-Fi將消防員攜帶的定位終端采集的信息實時發送到服務器，利用最佳定位選擇方式對采集到的實時數據進行處理，獲取消防人員所處的準確位置，以實現指揮中心對消防人員的準確指導。系統示意圖如圖3所示。

圖3 ?系統示意圖

3 ?室內定位算法

目前，無線定位技術發展的已經比較成熟，但針對室內定位部分有各種物體的阻礙，使得GPS[3]等定位技術無法實施。隨著技術的發展，室內無線定位技術應運而生。

基于ZigBee的無線定位技術縮小了定位的范圍，相對于GPS的定位的精確度已經大大的提高。Wi-Fi是利用免費的2.4 GHz頻段，實現對數據的高效傳輸，其傳輸距離可以達到100 m，具有很廣的覆蓋范圍。本文主要運用到基于Wi-Fi和ZigBee結合的室內定位技術。值得一提的是，定位技術固然重要，所應用的定位算法亦直接影響精度。

常見的定位算法基本上可以分為兩大類，即與距離無關的算法，如質心法，及基于測距技術的定位算法[4]：基于接收信號強度指示算法（RSSI）等。本文充分考慮大型商場的地理環境，擬提取出信號強度的算法和三邊定位算法精髓，加以融合后，結合定位終端的信號循環發射與接收技術，實現針對救援人員的精確跟蹤定位。

3.1 ?信號強度算法

經過大量的實驗研究，發現信號強度服從對數正態分布，通過信號在傳播過程中的衰減來估測節點之間的距離，實現精確定位。根據信道模型求解接收到待定位置的信號強度[5]：

式中：n為路徑損耗指數，與周圍的環境有關;Xφ是標準差為φ的正態隨機變量;d0式參考距離，在室內環境中通常取1 m;PL（d0）為參考位置的信號強度。

假設有n個AP，m個參考標簽，則AP點接收到待定標簽的強P=（AP1，AP2，AP3，…，APn，），采集到得第t個參考標簽的強度矢量為St=（St1，St2，…，Stn，）和參考標簽St之間的歐氏距離為：

然后通過比較不同E來尋找待定標簽位置最近的參考標簽，當由k個臨近的參考標簽來確定一個待測標簽的時候，即可計算出待定標簽坐標是（x，y）：

其中的Wi和（xi，yi）分別是第x個臨近參考標簽的權重因子和坐標位置。根據經驗：

得出，權重越大，E值越小。

3.2 ?三邊定位算法

三邊定位算法[6]：分別以已知位置的3個AP為圓心，以周圍待測標簽到各參考標簽的最近距離為半徑作圓，所得到的3個圓的交點為D。該算法的示意圖如圖4所示。

設位置節點D（x，y），已知A、B、C三點坐標為（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3）。它們到D的距離分別是d1，d2，d3。則D的位置可以通過下列方程中的任意兩個求解。

（x-x1）2+（y-y1）2=d12

（x-x2）2+（y-y2）2=d22

（x-x3）2+（y-y3）2=d32

圖4 ?三邊定位算法示意圖

圖5 ?算法結合流程圖

本文在進行定位的時候采用了將信號強度算法和三邊定位算法結合的方法，由于單獨利用基于信號強度的算法和基于三邊定位的算法不是很精確，會出現很大的誤差。因此本文在實現定位算法的時候先利用信號強度算法進行計算，然后再利用三邊定位算法定位計算，這樣定位的精度會更高，流程如圖5所示。

4 ?結 ?語

本文在現有消防預警和室內實時定位不穩定的背景下提出了以Wi-Fi定位為主，ZigBee為輔的移動滅火救援方案，利用Wi-Fi數據傳輸量大、覆蓋范圍廣的特性和ZigBee能夠工作于惡劣環境下的優點，通過信息融合實現有效的實時定位為以后該領域的發展提供了參考。本文中所述方案在技術方面是可行的，系統實現容易、安置方便，且具有良好的推廣性，應用領域廣。上述系統助于拓展物聯網技術的應用領域，也促進物聯網在消防領域的具體推廣，獲得高效率、低成本的解決方案。

參考文獻

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