以WiFi和ZigBee联合定位的消防灭火救援系统

沈雪微+冯宁+张玲玲+王海成+毛文涛

摘 要：当前消防灭火体系受限于通信方式、设备管理模式等技术方面，无法适应日益复杂的火场救援需要。结合城市消防体系的发展需求，将物联网技术引入消防灭火现场救援中。采用了以Wi-Fi为主、ZigBee为辅的融合定位技术，提出基于物联网传感感知技术的高效现场救援系统方案。本系统方案划分模块对数据等信息加以分析处理，并用基于信号强度和三边定位算法联合实现重点场所火灾预警和消防人员精确跟踪定位，提高指挥中心决策的准确性，保障消防人员安全。

关键词：消防;Wi-Fi定位;ZigBee;信号强度;三边定位

中图分类号：TP391.4                  文献标识码：A           文章编号：2095-1302（2015）01-00-04

0  引  言

目前消防部门和产业界对灭火救援移动系统研究较少。由于部分火灾发生时间、地点、形势具有不确定性的特点，现有各种网络可能覆盖不到事发区域，另外一些预先布置的监控检测系统可能受到破坏，导致事故现场无法提供实时数据的采集和传送，导致指挥员无法实时全方位的监控，对事故决策造成影响。本文的目的在于提出一种融合现有Wi-Fi和ZigBee技术的室内消防定位方案，迅速在事故点周边搭建无线网络，显示所有救援人员的位置和状态信息，为现场救援提供准确的参考数据。

1  移动灭火救援特点与分析

1.1  技术特点

据调查，在城市预防火灾方面主要采用的是在商场内安装火灾自动报警系统及其联动消防装置。然而在这种消防设备管理和监督体系下，商场内的消防设施得不到定期检修，火灾警报系统故障频发，导致无法准确对已发灾害进行掌控与救援。再加之传统救援模式下，消防员在复杂的火场环境中，发生危险等不可预知状况的几率极高。因此掌控火场内救援人员的准确位置，指挥部如何实施合理救援问题，是此刻亟待解决的。

Wi-Fi技术是当前生产和生活中广泛采用的无线局域网技术，具有覆盖面广、组网灵活、传输速率高等优点，Wi-Fi定位技术更是具有精度高、对网络变动适应性好的特点，因此在制定移动灭火救援方案时，应优先考虑Wi-Fi作为基础定位技术。鉴于Wi-Fi的抗干扰能力比较差，在实际生产生活中，独立地使用Wi-Fi技术进行室内定位已不足以满足人们对实时准确定位的需求，特别是在处理移动灭火救援问题中。

在定位领域应用广泛的就是ZigBee定位技术。ZigBee节点可进行数据采集并有自组网功能。ZigBee节点具有能耗低、可靠性强、时延短、容量大等优点。其缺点是网络拓展性不强，只在特定范围内定位精度较高，另由于ZigBee传输速度较低，因此只能传输定位过程中的简单信息。

因此若将ZigBee和Wi-Fi相结合，利用ZigBee进行局部范围的定位，利用Wi-Fi进行较大范围的定位，则可以弥补双方的缺陷，提供较好的定位效果，能够适应火场变化复杂的环境。在移动灭火救援中，还需要采集和传输数据量较大的图像、声音等信息。与ZigBee技术的低数据速率的传输相比，Wi-Fi优势凸显。因此，为了满足移动灭火救援的具体需要，本文拟采用以Wi-Fi定位为主，ZigBee为辅的火场定位方案，该方案通过信息融合技术，将Wi-Fi和ZigBee技术结合实现更加精确的实时定位;与此同时，该方案还可利用ZigBee技术组建无线传感器监测网络，监测和报警人员活动情况，传输小数据量的监测活动信息;利用Wi-Fi技术组建无线监测局域网络，根据无线传感器监测网络监测的情况采集相关的图像或声音信息，传输大数据量的监测活动信息，同时提供好的系统扩展性。

（1）准确定位

通过接收终端信号，再根据Wi-Fi和ZigBee采集的数据信息实现对救灾现场消防人员的精确定位。

（2）及时迅速

时间决定效率，利用该系统可高效迅速进行人员调度及监控指挥。

（3）现场指挥

消防监控指挥中心获取救援人员定位及现场环境状况，实施精准合理的现场指挥。

1.2  需求分析

本系统方案主要应用在大型商场等人流量较大，火灾易发场所。根据对大型商场内消防现状的调查与分析，设计新系统时充分利用ZigBee和Wi-Fi的特点，以达到设计的最终目的，在设计中需要注意一下几个问题：

（1）实时性、准确性

本系统属于远程检测系统，实时性和准确性是最基本的要求，只有装置及时准确反馈救援人员情况，指挥中心才能提供决策支持。

（2）可靠性、抗干扰性

系统中的ZigBee模块与Wi-Fi模块同时工作，具备较强抗干扰能力以适应商场各种复杂环境，保证系统连续可靠运行[1]。

（3）实用性

消防人员只需要通过标签的位置来确定自己的位置，简单可行。

（4）可扩展性

本系统能够实现多种技术的融合，能够将其迁移至其他场合，增强系统功能性。

1.3  系统功能

根据需求，本方案需要实现以下功能：

（1）信息读取功能

通过Wi-Fi节点传递信息，其中包括节点的ID号、RSSI值及其他一些基本信息。

（2）报警信息采集功能

由火警检测传感器，如烟雾传感器、温度传感器等。当设备检测到有火警信号出现时，会及时发送至Wi-Fi接入点AP。

（3）信息融合功能

利用Wi-Fi和ZigBee节点的优点，实现技术互补，通过将信息对比与数据库，确定最佳定位方案。

（4）无线传输功能

将从每一处获取的消防员位置信息和通过烟雾传感器和温度传感器获取的周围环境信息通过无线传输，发送至Wi-Fi接入点AP。

（5）AP端信息采集[2]

由定位终端将接收到的数据信息进行发送给AP，封装后通过以太网发送至监控中心的定位服务器。

（6）信息数据处理

该部分工作由管理系统自动完成，将获取的数据信息处理并与标准数据库中的参考值进行对比，反馈结果给指挥人员，其中包括各个救援人员携带的定位终端通过Wi-Fi和ZigBee采集到的数据信息。

2  系统设计方案

本系统总共分为三个大的模块，消防预警模块、数据库模块和最佳定位模块。这三个模块主要实现两大功能，即预警和跟踪定位。每一个模块都是根据方案的需求来划分的，对于每一个模块，都有该模块多的性能指标，又由不同的小模块构成。

2.1  消防预警模块

该模块主要将多媒体技术、网络技术、主动空气采样、空气颗粒识别和烟雾浓度鉴别和远程报警系统相结合。监测施救范围内的各种环境指数并发出警报信号。该消防预警模块主要由信息采集、数据传送和消防监控三部分组成。作者对新乡市某大型商场实际分布进行了测绘，构成各功能模块。

消防监控处于该模块的最高层，由计算机和相应的系统软件构成（兼具GIS系统），对数据信息进行处理，转化为图像信息，便于指挥人员分析，并作出合理预案。

数据传输主要由Wi-Fi无线网络和已有的以太网实现。火场情况复杂，有线网络将不再可靠。由以Wi-Fi模块为依托的数据采集模块传递信息后，AP自组网传递至指挥中心，具有高速、及时、稳定、有效的特点。

信息采集主要利用传感器。主要包括烟雾传感器、温湿度传感器和火焰传感器等。将带有传感器的标签加载在救援人员移动终端上，一旦救援人员进入火灾现场，传感器便开始采集数据，通过Wi-Fi无线网络等过程传至控制中心。

2.2  数据库的模块

鉴于室外无线定位的特点，须提前对定位的地理环境进行信号强度样点采集，将采集的信号强度信息进行处理建立标准数据库。之后的具体定位中，只要将信号强度信息传输到服务器，比较标准数据库中的参考值，并不断调整，得到最佳值，方可精确定位。

要想进行对室内的精确定位，同样需要对室内进行样点采集，然后建立标准数据库，在实时定位中作为参考进行定位。本文提出以下建立数据库的方案：

（1）Wi-Fi节点和ZigBee节点的设置

实现对大型商场的精确定位，关键在于Wi-Fi节点和ZigBee节点恰当设置。要提前对该大型商场进行勘测，根据室内布局，对具体的物体放置进行测量，结合Wi-Fi节点和ZigBee节点的物理特性，计算出Wi-Fi节点之间的距离以及ZigBee节点之间的距离，在适当的位置设置节点。

（2）信号强度信息采集及处理

在正常情况下，提取商场内任意一点，检测一天内不同时段的Wi-Fi信号强度和ZigBee信号强度，并建立特定时段的标准数据库作为实时定位的参考值。

数据库建立流程如图1所示。

图1  数据库模块流程图

2.3  最佳定位模块

该模块将Wi-Fi和ZigBee定位技术相结合，利用ZigBee抗干扰性强的优点来弥补Wi-Fi的不足。该模块分为两部分，一部分是后台服务器，利于指挥部人员进行现场监控，另一部分可以在终端上实现救援人员实时定位。

待定位区域内有很多固定的参考标签，将此标签的位置信息通过定位服务器送入数据库集中的标准数据库中，然后分别将Wi-Fi和ZigBee单独工作时的定位信息经由定位服务器送到数据库集中的定位数据库。

其中定位数据库中的数据每隔一段时间就会将参考标签的位置信息更新一次，相应的分析处理部分就会对定位数据库与标准数据库中的数据进行分析对比，以便能够及时确定最优的定位方式，增强系统的抗干扰性。信息融合流程图如图2所示。

图2  Wi-Fi和ZigBee信息融合图

在消防实时定位时，通过Wi-Fi将消防员携带的定位终端采集的信息实时发送到服务器，利用最佳定位选择方式对采集到的实时数据进行处理，获取消防人员所处的准确位置，以实现指挥中心对消防人员的准确指导。系统示意图如图3所示。

图3  系统示意图

3  室内定位算法

目前，无线定位技术发展的已经比较成熟，但针对室内定位部分有各种物体的阻碍，使得GPS[3]等定位技术无法实施。随着技术的发展，室内无线定位技术应运而生。

基于ZigBee的无线定位技术缩小了定位的范围，相对于GPS的定位的精确度已经大大的提高。Wi-Fi是利用免费的2.4 GHz频段，实现对数据的高效传输，其传输距离可以达到100 m，具有很广的覆盖范围。本文主要运用到基于Wi-Fi和ZigBee结合的室内定位技术。值得一提的是，定位技术固然重要，所应用的定位算法亦直接影响精度。

常见的定位算法基本上可以分为两大类，即与距离无关的算法，如质心法，及基于测距技术的定位算法[4]：基于接收信号强度指示算法（RSSI）等。本文充分考虑大型商场的地理环境，拟提取出信号强度的算法和三边定位算法精髓，加以融合后，结合定位终端的信号循环发射与接收技术，实现针对救援人员的精确跟踪定位。

3.1  信号强度算法

经过大量的实验研究，发现信号强度服从对数正态分布，通过信号在传播过程中的衰减来估测节点之间的距离，实现精确定位。根据信道模型求解接收到待定位置的信号强度[5]：

式中：n为路径损耗指数，与周围的环境有关;Xφ是标准差为φ的正态随机变量;d0式参考距离，在室内环境中通常取1 m;PL（d0）为参考位置的信号强度。

假设有n个AP，m个参考标签，则AP点接收到待定标签的强P=（AP1，AP2，AP3，…，APn，），采集到得第t个参考标签的强度矢量为St=（St1，St2，…，Stn，）和参考标签St之间的欧氏距离为：

然后通过比较不同E来寻找待定标签位置最近的参考标签，当由k个临近的参考标签来确定一个待测标签的时候，即可计算出待定标签坐标是（x，y）：

其中的Wi和（xi，yi）分别是第x个临近参考标签的权重因子和坐标位置。根据经验：

得出，权重越大，E值越小。

3.2  三边定位算法

三边定位算法[6]：分别以已知位置的3个AP为圆心，以周围待测标签到各参考标签的最近距离为半径作圆，所得到的3个圆的交点为D。该算法的示意图如图4所示。

设位置节点D（x，y），已知A、B、C三点坐标为（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3）。它们到D的距离分别是d1，d2，d3。则D的位置可以通过下列方程中的任意两个求解。

（x-x1）2+（y-y1）2=d12

（x-x2）2+（y-y2）2=d22

（x-x3）2+（y-y3）2=d32

图4  三边定位算法示意图

图5  算法结合流程图

本文在进行定位的时候采用了将信号强度算法和三边定位算法结合的方法，由于单独利用基于信号强度的算法和基于三边定位的算法不是很精确，会出现很大的误差。因此本文在实现定位算法的时候先利用信号强度算法进行计算，然后再利用三边定位算法定位计算，这样定位的精度会更高，流程如图5所示。

4  结  语

本文在现有消防预警和室内实时定位不稳定的背景下提出了以Wi-Fi定位为主，ZigBee为辅的移动灭火救援方案，利用Wi-Fi数据传输量大、覆盖范围广的特性和ZigBee能够工作于恶劣环境下的优点，通过信息融合实现有效的实时定位为以后该领域的发展提供了参考。本文中所述方案在技术方面是可行的，系统实现容易、安置方便，且具有良好的推广性，应用领域广。上述系统助于拓展物联网技术的应用领域，也促进物联网在消防领域的具体推广，获得高效率、低成本的解决方案。

参考文献

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[3]王视环.混合无线定位技术应用研究[J]. 信息化研究， 2010，36（3）：43-48.

[4] Fujimoto K， Nakagawa S， Tonoike M. Nonlinear explanation for boneconducted ultrasonic hearing hearing[J]. Hear Res， 2005， 204 （1-2）： 210-215.

[5]刘敏. 基于Wi-Fi的电子标签定位算法[D]. 上海：上海海事大学， 2012.

[6]孔庆茹，杨新宇，闫超，等.一种基于接收信号强度指示的改进型定位算法[J]. 西安交通大学学报， 2008（2）：147-151.

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[9]冷俐， 何宁. 灭火救援理论和技术装备发展的需求分析[J]. 灭火指挥与救援， 2007， 26（2）：198-201.