基于物联网定位的消防救援系统设计与实现

冯宁　李世成　蔡东洋　何建樑　毛文涛

摘 要：随着我国城市化与市场经济建设的快速发展，人们逐渐认识到城市消防规划建设的必要性。为实现城市室内火灾精确预警，并在灭火抢险救援过程中对消防人员进行实时精确定位，建立一种基于WiFi和ZigBee联合定位的物联网灭火救援系统，该系统集消防预警、火灾现场模拟、实时定位追踪和智能调度为一体，为物联网技术在消防救援领域的具体推广与实施提供借鉴，从而获得高效率、低成本的解决方案。

关键词：WiFi；ZigBee；实时定位；智能调度；物联网；火灾预警

中图分类号：TP391.4 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）04-00-03

0 引 言

近几年来，我国火灾现象日益严峻。特别是城市大型楼宇内部，室内消防由于人员密度大、空间封闭性高、诱因复杂等特点造成灾害损失大、伤亡人数高、救援难度大等问题，灭火救援形势因此变得更加严峻。物联网技术目前已经成为了国内外的研究热点，将物联网技术应用于室内消防灭火领域的研究也日益增多。

目前，国内外关于消防灭火救援现场指挥地研究，主要集中在引进最新消防理论与技术，实现对现有灭火救援体系、装备的技术革新。一种新兴的方式是采用基于ZigBee的无线传感网络技术，将路由节点安放在建筑物内关键节点处。救援人员和设备均佩戴或安装ZigBee模块，通过ZigBee协议自组织成无线网络，系统通过采集到的信号强度进行定位[1-4] 。此外，也有研究[5-6]将GPRS、RFID等无线通信技术引入到消防栓的管理和安检领域。

1 系统概述

从上述分析可以看出，目前消防灭火现场救援系统的研究，多集中在使用某一两个技术解决单一问题。针对消防复杂环境下的室内定位，单一技术不仅缺乏系统的、相互支持的体系研究，也缺少将多种技术融为一体的平台式研究。基于此，在前期研究的物联网相关技术[7]及现有消防灭火现场救援体系的基础上，引入多种物联网技术联合的救援系统。在救援人员实时定位、救援现场信息实时反馈、救援路径智能调度三个方面展开设计与实现。根据传输信息类型的增多和无线通信需求的增大，以及WiFi无线网络的普及，同时也为了提出低成本、高效率的灭火现场救援解决方案，为实际消防应用提供参考，系统将采用WiFi作为三方面应用的基础技术，研究内容具体包括：

（1）在救援过程中，确定消防人员的位置至关重要，针对灭火救援中实时数据采集困难与数据实时传送稳定性差的问题， 采用基于WiFi与ZigBee的联合定位技术，以满足救援系统的高精度、高可靠性和低成本的要求。

（2）对于火场环境的检测，采取节点配置传感器方式收集并发送信息。

（3）研究火灾现场救援的人员调度和智能路径规划算法，找到火灾救援及消防人员紧急逃生的最优方案。

（4）传感器及定位信息通过无线网络汇总至服务器并在上位机处理，最终上传至指挥中心和消防人员手持端形成火场虚拟环境。

2 技术分析

2.1 WiFi和ZigBee联合定位技术

WiFi技术的优势在于采用经验测试和信号传播模型相结合的方式，易安装、所需基站少、系统总精度高；缺点在于稳定性差，能耗较高。ZigBee技术在小范围的室内定位技术中的优势是低功耗和低成本；劣势是网络拓展性不强，且由于ZigBee传输速度较低，因此只能在定位过程中传输简单信息。因此，本系统定位模块采用WiFi和ZigBee联合定位。

（1）WiFi网络作为语音通信、视频传输及人员定位的承载网络，承担主要的数据传输任务。救援现场的救火人员佩戴一个绑定身份信息的AP终端，终端不断扫描自身RSSI值，通过与已布设的WiFi 路由器进行信息交互。接入WiFi网络的AP节点接收检测数据，AP节点将数据装入特定数据结构中，并通过无线网发送至消防监控中心服务器。数据传至上位机后与提前采集的数据比对，利用指纹定位算法，得出WiFi定位区域内部精确的地理位置信息。

（2）下层的ZigBee网络利用自身成本低、能耗小的特点对检测楼宇空间进行密集布网，为采集模拟量和精确的人员定位提供承载网络。网络中的ZigBee节点与多种采集环境参数的传感器相连，利用WiFi测定的位置信息和ZigBee静态节点的位置信息对消防人员进行定位，并通过无线网络完成消防人员和服务器之间位置信息的交互。

2.2 智能调度系统

智能调度系统能为消防人员提供最优灭火救援和紧急撤离的智能路线，以保障人员安全。其次，在指挥中心的虚拟成像给指挥中心提供了可视化指挥，提高救援准确率。

导航的第一步是要对消防员进行定位。通过服务器，上位机接收到由消防员随身携带的AP终端传来的信息，建立消防人员位置坐标，对其进行定位。

第二步是系统通过楼宇内部结构图，及传回的人员分布和定位数据，传感器数据传入指挥中心进行数据分析。由系统计算机计算出最优的救援路线。

第三步是消防员根据系统提示向目的地行进。在此行进过程中，系统不断重复“对消防员进行定位，再根据具体情况不断修正最优路线”的过程。

子系统由三部分组成：用于消防员定位的定位子系统；用于计算最优路径的路径子系统和给出消防员提示的消防员界面子系统。

（1）定位子系统：导航系统的定位子系统将采用基于WiFi和ZigBee协议的室内双重定位技术。 由ZigBee节点采集数据，通过WiFi进行信息的交互。

（2）路径子系统：智能导航系统的路径子系统采用了智能路径规划中常用的算法，即算出所有节点的最优路径，并结合人员定位信息和传感器数据在上位机进行数据分析并计算出最优的路线。

（3）界面子系统：将设计的最优路线和定位，火情位置信息发送给消防员手持端，在电子地图上呈现。

3 设计方案

3.1 总体流程

基于WiFi定位的物联网灭火救援系统包括三部分：联合定位模块、传感器模块和智能调度模块。

联合定位模块通过ZigBee节点和传感器网络进行数据采集，通过WiFi无线通讯进行数据传输，通过信息在传感器、解调器和上位机之间的循环传输进行定位。

传感器模块由ZigBee无线网络辅以温度传感器、烟雾传感器构成。该模块起到了实时监测及数据返回的作用。

智能调度模块包括定位、路径和界面三个子系统，分别具有定位救援人员、计算最优路径和进行虚拟显示的功能。

3.2 基于WiFi与ZigBee的联合定位模块

火灾抢险救援现场的复杂环境以及电磁干扰会对WiFi定位产生很大的影响。利用ZigBee的稳定性、抗干扰性及WiFi覆盖范围广、传出速率高的优点，实现彼此的互补，可达到精确定位。

3.2.1 WiFi节点和ZigBee节点的设置

以大型商场为例，对其进行精确定位时，WiFi节点和ZigBee节点的合理设置是进行室内精确定位的关键。首先对该大型商场进行勘测，根据商场的室内布局采集必要数据，结合两类节点的物理特性，计算出WiFi节点之间的距离以及ZigBee节点之间的距离，在适当的位置布置两类节点。

3.2.2 数据库建立

提前绘制出商场的电子地图并进行坐标划分，对商场中对应坐标采集数据。在商场内一定点处，对一天内各种情况及各个时段的WiFi信号强度和ZigBee信号强度进行检测，建立WiFi和ZigBee标准数据库，训练指纹以此作为实时定位的参考值。数据库建立流程如图2所示。

3.2.3 定位算法

该模块WiFi定位利用RSSI定位算法。终端接到定位命令后，WiFi模块不断扫描周围其RSSI值并将信号通过AP节点发送到服务器，数据与数据库中提前采集的RSSI值做比较，并以此判断人员位置坐标，实现对消防人员的精确定位。考虑到信号传播过程中由于外界因素引发的信号衰减和信号损耗，节点的信号衰减采用对数距离衰减模型的方式[7]：

ZigBee辅助定位则是通过其自组网状态中移动节点扫描RSSI值，并与事先布置已知坐标位置的静态节点进行对比计算，得出消防人员相对于ZigBee静态节点的准确方位，进而求得盲节点坐标的位置。

3.2.4 定位信息传输

定位服务器主要由计算机和相应的数据库软件组成，接受由无线网发送过来的数据信息并对数据进行相应的处理。即将待定位区域内固定的参考标签的位置信息通过定位服务器送入标准数据库中，在数据库中产生对应的位置坐标，不断对位置信息进行迭代更新，将处理后的信息通过WiFi无线网络发送到消防指挥中心及客户端。

信息传输流程如图3所示。

在消防实时定位时，通过WiFi网络和ZigBee网络将消防员携带的定位终端采集的位置信息实时发送到服务器，利用最佳定位模块选择的最佳定位方式对采集到的实时数据进行处理，以实时获取消防人员所处的精确位置，实现指挥中心对消防人员的准确指导。

3.3 传感器模块

该模块主要用来监测无线火灾探测网络范围内各处温度和烟雾浓度等环境特征，并将数据返回控制中心。

传感器载体模块选用ZigBee无线网络。ZigBee网络利用自身成本低、能耗小的特点，对待检测楼宇空间进行密集布网，ZigBee节点主要与温湿传感器、烟雾传感器、可燃气体传感器和火焰传感器等传感器连接，每个ZigBee节点均对各自连接到的传感器收集到的数据进行实时监控和采集。当探测得到的数据超过报警阈值时，发出报警信号，并将所检测的实时数据利用无线发送模块通过接入的AP节点发送至服务器，服务器将接收到的数据进行存储。

我们对新乡市某大型商场实际分布进行了测绘，各功能模块构成如图4所示。

3.4 智能调度模块

在智能路线优化问题的求解中，粒子群优化算法具有设计简单、所需设置的参数少、收敛速度快等优点，在解决优化问题上表现出极大的潜力。因此，在人员调度和智能路径的设计上，采用粒子群优化算法，求得最优方案[8]。

3.5 虚拟现实呈现模块

该模块主要包括服务器和客户端。服务器负责管理建筑物室内场景素材库和火灾模拟数据，同时维护与客户端的连接；客户端即消防人员手持端，负责显示消防人员定位信息及最优路线，终端场景显示与实时更新，包括灭火救援动作的交互[9]。

（1）在服务器一端，首先建立存储火灾现场的三维虚拟现实场景。火灾发生后，服务器接收到无线网络传来的火灾现场传感器和人员定位的数据信息，将其转化为具体数据并不断更新火灾现场模拟数据。在消防人员需定制行为路线或指挥中心进行人员调度时，智能调度模块制定最优路线返回给消防员。

（2）客户端分为指挥中心客户端和消防人员手持客户端两部分。指挥中心应用程序显示火灾模拟现场及消防员分布情况，为现场指挥和调度决策提供全局性信息，并为事后的任务分析提供素材。而手持客户端为模拟现场的简易电子地图，汇总主要包括传感器数据及消防人员定位信息。消防员可在此客户端进行自我定位和路线制定，为安全、高效救援提供保障。

4 结 语

本系统利用多种物联网技术，实现对基于WiFi定位的物联网灭火救援系统的制定。该方案的关键之处在于解决基于WiFi定位和ZigBee定位的物联网双重定位模式下的配合问题和火灾现场的人员调度及救援路线的设计权重问题。本系统旨在针对消防灭火现场救援对通信效率的需求和特点，利用WiFi、ZigBee技术，从提高救援通信效果入手，在救援现场人员与设备定位、消防设备管理等方面进行预研，提出并设计了针对性强的一体化智能系统。本系统的实现大大提高了指挥决策的准确性和消防工作效率，保障了救援中的人员安全。

参考文献

[1] 刘德志，王勇，王瑛.城市火灾报警控制的监控系统设计与实现[J]. 计算机应用与软件，2013，30（6）：284-287.

[2] 王珏. 基于ZigBee技术的消防报警及定位系统的研究[D].太原：太原理工大学， 2012.

[3]范传恒.基于ZigBee技术的室内定位系统研究[D]. 青岛：青岛大学， 2013.

[4] 何艳丽.无线传感器网络质心定位算法研究[J]. 计算机仿真，2011，28（5）：163-166.

[5] 梅武军. 基于物联网的城市智能消防栓监控系统设计[J]. 电子产品世界， 2012 （2）： 69-71.

[6] 施磊. 物联网技术在消火栓维护和管理上的应用[C]. 2011中国消防协会科学技术年会，2011：345-348.

[7]沈雪微，冯宁. 以WiFi和ZigBee联合定位的消防灭火救援系统[J].物联网技术，2015，5（1）：32-35.

[8]刘衍民.粒子群算法的研究及应用[D]. 济南：山东师范大学，2011 .

[9]隋虎林，范玉峰.消防物联网技术体系研究[J].消防科学与技术， 2012，31（11）：1182-1184.