基于UWB技術的?；分腔巯拦芾硐到y

馮帥頎 崔啟煜 汪凡 常婕 張凌云

摘要：為了提高?；废拦芾淼乃?，創新管理方法，設計研究了一套基于UWB的危化品智慧消防管理系統，其可實現對?；穫}庫火災中火源位置、易燃易爆品位置等位置信息的精確收集、分析與反饋和常態化火災風險預警。主要對該系統的軟硬件設計進行研究。首先，結合江蘇鹽城響水“3·21”爆炸事故與天津濱海新區“8·12”爆炸事故，介紹了該系統的研究背景。接著，簡要闡釋了UWB技術的定位原理，然后，從軟硬件兩個方面對該系統的設計思路進行詳細論證，最后，對設計出的demo系統進行了初步測試并闡述了其對實際應用的指導意義。測試結果表明，該系統可實現對?；返膶崟r監控以及發生火災后的輔助決策功能。基本符合?；分腔巯拦芾硐到y穩定可靠、定位測量精度高等技術要求，對提高?；废拦芾硭骄哂兄匾饬x。

關鍵詞：智慧消防;UWB技術;溫度監測預警;輔助決策

隨著市場經濟的飛速發展，社會的不斷進步，?；沸袠I的安全生產問題亟待得到有效的解決，江蘇鹽城響水“3·21”爆炸事故，起因是廠區人員未及時發現天嘉宜公司舊固廢庫內長期貯存的硝化廢料持續積熱升溫導致的自燃，從而由燃燒引發爆炸[1]。日趨復雜的化工火災對消防救援隊伍提出了更高的要求，天津濱海新區“8·12”爆炸事故中二次爆炸的產生，是消防員在進入火場時，由于不清楚?；返膬Υ嫖恢?，誤將水噴到電石上而導致的。數據表明，危險化學品事故中，9%發生在倉儲過程[2]。目前，我國對于危險化學品倉庫的消防安全管理水平依然落后，安全管理意識較差，隱患排查和事故預警技術遠不能適應社會發展的要求。實現危險化學品倉庫消防安全管理的自動化、信息化、智能化，是當今“智慧消防”建設中的重要環節。為了提高?；废拦芾淼乃?，創新管理方法，本文設計研究了一套基于UWB（超寬帶）的危化品智慧消防管理系統并進行了模擬測試，以期為?；饭芾硖峁┬碌乃悸放c辦法。

1? UWB（超寬帶）技術

UWB（超寬帶）技術是近年來新興的一種定位技術。物聯網領域現在使用的定位技術主要有衛星定位技術、Wi-Fi定位技術、RFID定位技術、ZigBee定位技術，以上四種室內定位技術，定位精度低，且容易受到干擾，定位穩定性難以適應室內應用的要求。

和其他無線定位技術相比，UWB（超寬帶）技術具有獨特的優勢：數據傳輸速率極高，抗多徑效應能力強，具有很強的穿透性，是室內定位技術的佼佼者[3]。

UWB定位原理與GPS相似，其中：Anchor（基站）相當于天上的衛星，Tag（標簽）相當于用戶端的導航接收機，如手機。Anchor一般作為參考位置點安裝于固定參考點;Tag一般作為待定位點，安裝于待定位載體上，如人員車輛、物資;網關基站除了有定位功能，還能監控系統的運行狀態并向其他節點（Anchor、Tag）下發指令，一般通過以太網或wIH連接服務器或計算機等，UWB屬于電磁波，其在真空中的傳播速度與光速相同。通過測量Tag到Anchor的TOF（飛行時間），乘以光速后，Tag可以獲得Anchor的距離。通過到多個Anchor距離與參考Anchor的坐標，可以列出多組球面方程，進而由數學方法求解出標簽的坐標。

在獲得定位信息后，如果已知環境信息（如障礙物位置、可走的路徑），同時知道期望去的位置，則可實現實時導航功能。基于UWB無線通信技術，可將用戶數據通過無線報文傳輸給其他節點，從而實現節點間的通信功能，也可進一步擴展為基于UWB傳輸的OTA（遠程固件更新）功能。

2? 基于UWB（超寬帶）技術監控定位系統設計

2.1? 系統總體架構

系統使用先進的超窄脈沖精確測量飛行時間技術，實現了底層的精確測距和計時;結合位置解算法，實現了上層的精確定位[4]。整體上，定位系統由定位硬件層、網絡連接層、數據解算層和應用層組成。定位硬件層是智慧消防系統實現定位功能的主體部分，包括定位微基站和定位微標簽;網絡連接層用于將定位微基站采集的數據通過無線網絡傳輸至阿里云云端;數據解算層通過由Go語言編寫的數據服務軟件來實現標簽位置、溫度的計算并被顯示端調用進行顯示[5];應用層則是針對?；穫}庫的需求，實現對?；穬Υ鏍顩r的實時監控以及發生火災后向消防救援人員及時提供火災信息來輔助決策[6]。

2.2? 硬件設計

定位硬件主要由定位基站、定位標簽、溫度傳感器等組成。本文設計的系統中所用的基站硬件集成板主要由中央處理模塊、信號通信模塊等組成。定位標簽硬件集成板主要由中央處理模塊、信號通信模塊、溫度采集模塊組成，總體結構如圖1所示。

其中UWB無線通信模塊采用DecaWave公司的DWM1000超寬帶無線收發集成芯片[7]，該芯片是一種滿足IEEE802.15.4-2011標準完全集成UWB的低功耗單芯片CMOS無線電收發器。它支持110kbps、850kbps和6.8Mbps的數據速率，并且信號能傳輸百米以上，其高數據傳輸速率使其能夠保持播出時間短，從而節省電力并延長電池壽命。此外，DWM1000支持定時發送數據幀，此功能可以保證所發送的數據幀包含該信號發送時間戳，從而一定程度上簡化系統時序的設計。

基站與定位標簽的處理器模塊MCU均采用以Cortex?-M4為內核的nRF52832高性能微控制器，該處理器是一款功能強大、高度靈活的超低功耗多協議SoC，非常適合低功耗藍牙、ANT和2.4GHz超低功耗無線應用。它和普通的單片機如51、STM32等最大的不同就是內部集成了2.4GHz無線電收發器片內外設，由于集成了2.4GHz無線電收發器，使它能夠支持相關的無線通信協議，比如低功耗藍牙、ANT等，其擁有外設豐富、超低功耗、超大內存等優點。

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

溫度傳感器采用業內知名的瑞士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，高集成度電容式測濕元件和能隙式測溫元件，SHT30能夠提供極高的可靠性和出色的長期穩定性，具有功耗低、反應快、抗干擾能力強等優點。傳感器內部經過校準、線性化與放大，能夠輸出與溫濕度呈線性關系的模擬電壓，無需額外的驅動庫，使用簡單方便，兼容常見的Arduino、micro：bit、ESP32等各類3.3V/5V主控系統，可以輕松實現城市環境監控、智能樓宇、工業自動化、智能家居等物聯網應用場景的溫濕度傳感。

2.3? 上位機程序設計

整個上位機軟件包含2部分：數據服務+前端顯示。數據服務，用于和阿里云物聯網通信，根據相關數據，做業務邏輯解析和處理，轉發數據到Web顯示的作用，使用Go語言，程序直接打包成一個EXE文件，在Win系統下直接雙擊即可打開服務。Web顯示是在瀏覽器里面打開一個本地IP網址，Web會調用Go數據服務，根據相關數據在界面上進行實時顯示。本文上位機程序運行環境為Win系統，采用Go語言編寫，具體流程如圖2所示。線程1為距離接收線程，該線程時刻接收基站發送的距離包，數據包中的數據以基站為中心，在進行定位解算時以標簽為中心，因此收到的數據包需要進行分類。分類完的距離放入數據緩沖區等待線程2提取，為了防止提取異常數據緩沖區需要通過一定的鎖控制。最后通過線程3寫入數據庫。當Web端需要顯示相關數據時，將自動調用該程序，由該程序將數據庫的相關信息傳輸至顯示端。

3? 基于UWB（超寬帶）技術監控定位系統應用

3.1? 硬件布置

該系統以四個基站為一組，根據實際使用面積可多組基站擴展布置，每組基站可覆蓋室內面積不大于25m×25m。其中一個基站為網關基站，連接無線網絡，連接PC。其余三個為普通定位基站，四個基站均需接通常備電源。

定位標簽根據需要布置在目標位置，接通電源即可開始工作。

3.2? 軟件運行

確認硬件正常工作后，我們將網關基站供電后通過網線連接PC，使用PC瀏覽器訪問已設定的站點，即可看到圖3的配置界面。

然后，打開基站配置界面，將網關基站設置為主基站，其余3個基站設置為從基站，即可在該界面實時監控倉庫內貯藏?；返奈恢眯畔⑴c監控溫度信息。

該系統可根據倉庫貯藏危化品的種類和對溫度敏感性的不同，設定不同種類?；肺ｋU（報警臨界）溫度。當標簽內置的溫度傳感器感知到溫度超過閾值后，便會觸發報警，并詳細顯示火災信息與相應處置方案，如圖4所示。

4? 結語

基于UWB（超寬帶）技術的抗干擾能力強、定位精度高、傳輸速度快和低耗電低功率的優勢，本文在物聯網技術構建的基礎上，研究開發適用于危險化學品倉庫的消防安全管理系統，利用UWB定位模塊與?；肥鹿饰ｋU因子傳感器，通過物聯網的感知、傳輸和智能分析功能，實現危險化學品倉庫在事故發生前的定位預警、事故發生時的定位研判。

該系統可通過UWB（超寬帶）技術的精確室內定位功能，實現對危險化學品儲存狀態的實時監控和智能識別，及時發現安全事故隱患?；馂陌l生時，系統對著火點位置的準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施策，既保證了救援的迅速高效，也保護了消防救援人員的生命安全。測試結果顯示，該系統可實現所設計的火災監控、數據采集與傳輸、提供火場信息等功能，達到了設計預期，經過后續設計完善，有望能夠為滅火救援提供全方位的數據支撐，從而有效提高滅火救援工作的效率，為消防救援隊伍“提質強能”以及“全災種、大應急”建設貢獻力量。

參考文獻：

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[6]武志凱，劉賓.UWB室內無線同步的定位基站系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2021，21（2）：24-27.

[7]曾彥鈞，李越，東文，等.基于NB-IoT和STM32的數據融合智慧消防系統設計[J].物聯網技術，2020，10（1）：77-82.

[8]張振國.窄帶物聯網在“智慧消防”模式構建中的應用研究[J].消防科學與技術，2020，39（12）：1739-1742.

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