基于WIFI定位的消防救援系统软件设计

黄秋霞

DOI：10.16644/j.cnki.cn33-1094/tp.2016.07.002

摘 要： 基于目前大型商场等人口密集区域都布有无线WIFI设备及智能手机普及的现状，设计了一款通过手机及WIFI定位的消防救援系统。该系统可实现系统管理、AP管理、用户MAC管理、消防救援人员设备信息管理、楼层地图管理、定位计算、短信通知等功能。

关键词： WIFI； 智能手机； 在线定位； 消防救援

中图分类号：TP391 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2016）07-05-03

Software design of fire rescue system based on WIFI positioning

Huang Qiuxia

（Zhejiang Provincial Testing Institute of Electronic information Products， Hangzhou， Zhejiang 310007， China）

Abstract： Because of large shopping malls and other densely populated areas are distributed wireless WIFI devices and Smartphone are popular at present， this paper designs a fire rescue system based on smart phone and wireless network. The system can realize the functions of system management， AP management， user MAC management， fireman's equipment information management， floor map management， position calculation， SMS notifications and so on.

Key words： WIFI； Smartphone； online positioning； fire rescue

0 引言

火灾是目前危害人类生命安全的重要灾害之一，每年由于火灾造成的伤亡人员不计其数，据公安部消防局统计，2015年，全国共接报火灾33.8万起，造成1742人死亡、1112人受伤，直接财产损失39.5亿元[1]。现如今社会发展迅速，人口密度不断提升，在高楼林立的城市里，一旦发生火灾，如没有及时有效的救援，后果不堪设想。随着审美等观念的日益变化，建筑物风格趋于多样化，其内部设计装修趋于复杂化等，给消防救援增加了难度，而化工材料的使用在火灾发生时造成的浓烟毒气也成为消防救援的一大难题。商场、办公楼、影院等是人口最为密集的区域，同时也是建筑结构较为复杂的区域，当火灾发生时，如何及时准确地找到救援对象是至关重要的。

无线WIFI技术、智能手机的发展使区域消防救援工作找到了更有效的途径。目前，大型商场、办公楼、影院等为方便顾客上网浏览，都设置了区域性无线网络，智能手机是人手必备的通讯设备，当顾客第一次进入该区域并有意愿连接无线AP时，服务器就会记录顾客的手机信息，并在下次进入该区域时自动连接网络，这项技术为室内定位提供了便利，也为火灾发生时消防定位救援提供了基础。

1 无线定位研究现状

无线定位系统可分为卫星定位系统、移动位置服务以及无线局域网定位系统三类[2]。卫星定位系统主要有美国的全球定位系统、俄罗斯的格洛纳斯系统、欧盟的伽利略定位系统和中国的北斗定位系统[3]。移动通信服务是指，移动通信网络通过特定的定位技术来获取手机用户的位置信息，在电子地图平台的支持下为用户提供相应服务的一种增值业务[4]，由Cell-ID、A-GPS、E-OTD组成[3]。无线局域网定位系统主要是基于ZigBee、WIFI、蓝牙、红外、UWB的定位。

目前的定位过程主要有先测距后计算和先训练后匹配两种方式。基于WIFI的室内定位技术主要利用AP的射频信号强度来进行定位的，分为基于传播模型的定位算法[5]和基于指纹匹配的定位算法[6]。基于传播模型的定位算法是利用终端在某一位置收集到的来自AP的RSSI值，通过某种传播模型计算出终端到AP之间的距离d，理论上计算公式可表示为：

⑴

由于实际环境复杂，无线信号会受遮挡物等环境因素影响而衰减，该模型计算出来的位置距离与实际距离有一定偏差，因此不适用与实际环境计算，目前使用较多的室内传播模型有线性距离损耗模型、对数距离损耗模型、衰减因子模型等。基于传播模型的定位算法主要有三边测量法、双曲线定位法和最小二乘法[7]。

基于指纹匹配的定位算法需预先在选定区域选取参考点采集射频信号进行训练，再构建信号强度与定位位置之间的映射关系，这是目前室内定位研究的重点。基于指纹匹配的定位算法需要进行指纹训练构建指纹库，在需定位的区域指定某些参考点，在参考点上通过采集来自各个AP的射频信号强度进行训练提取AP在各个参考点上的特征值，从而建立位置与射频强度的映射关系，由于AP的射频信号强度与距离不存在良好的对应关系，我们可采用在同一参考点上多次采集AP射频强度，采用求均值、高斯拟合等方法，计算AP在该位置的特征。定位是通过移动终端实时采集周围AP的射频信号强度向量，与建好的指纹库中的特征向量进行比较，寻找最接近的一组值，该组值对应的位置就为定位结果。基于指纹匹配的定位算法不需要将射频信号强度转换成不确定的距离值，因此定位精度优于传播模型算法。目前基于指纹匹配的定位算法主要有确定型和概率型两种[8]。

2 无线WIFI覆盖现状

在商场等人口密集区域覆盖WIFI不仅可以提高消费场所的服务形象，更可让商家等WIFI工程拥有者在WIFI客户端上赚取更多的附加价值，通过大数据分析了解客户的行为偏好，改进营销模式，从而提升市场竞争力。2014年浙江推出以“i-zhejiang”为SSID的无线免费上网标识，全省开放或新建10万个AP，实现用户一次注册认证、全省漫游。在杭州大厦、万达广场、浙江省人民医院等大型公共场所，区域性WIFI热点覆盖率几乎达到了100%，这为室内定位提供了有利的物理条件。

3 消防救援定位系统设计方案

在紧急事件发生时，大部分人会因为慌张而无法冷静思考，做出合理的判断，尤其是在发生火灾时。消防救援定位系统是为实现在人口密集区域发生火灾或紧急事件能快速、准确给被困人员提供相应救助而设计的，可以通过被困人员手机及时提供被困人员自我逃生方案，当被困人员出现昏迷等状况不能移动时，该系统可通过定位及时通知救援人员，同时可减少救援人员的盲目搜索，节约人力、物力成本。目前，智能终端定位主要是以智能终端WIFI模块主动搜索AP为主，在智能手机连接AP并注册认证后，该终端信息会被记录于后台数据库服务器中，当该终端再次进入相同热点区域后，后台系统会允许该终端使用WIFI而无需再次注册登录。

根据实际应用需求，消防救援定位系统可有以下几部分组成。

⑴ 系统管理模块：该模块主要由数据库备份与恢复、用户管理、角色管理、权限管理、个人信息管理组成，实现了不同用户权限管理和数据管理，保证了系统的安全。

⑵ AP管理模块：该部分主要实现大型商场的人员密集区域的AP管理，可对所管辖区域的AP进行新增、修改、删除、查询、位置信息设置操作，同时可查看AP在线情况以及某AP上用户连接情况，当某区域发生AP大面积故障时，会触发报警并以短信形式提醒管理员，当发生紧急事件时，可通过该模块查询事件发生地附近AP信息，通过提取附近AP所连接用户手机号信息，进行应急逃生策略短信的统一发送。

⑶ 用户MAC管理模块：当智能手机进入所辖热点区域后，通过智能手机发起用户注册认证，该模块可实现注册认证用户信息的管理，可查询、查看用户信息、在线情况以及用户行走轨迹，支持多用户轨迹显示。

⑷ 消防救援人员设备信息管理模块：消防人员在进入事故现场前可配备具有无限收发功能的定位装置，该模块可实现对装置信息的管理。

⑸ 楼层地图管理模块：在室内，要准确定位离不开楼层分布图，该模块可实现楼层地图的新增、编辑、删除、查询等操作，查询用户行走轨迹时，可在该图上标记出用户位置。

⑹ 定位计算模块：该模块是本系统的核心部分，通过智能手机反馈给AP的射频信号强度信息进行用户位置计算。

⑺ 短信通知模块：当发生紧急事件时，具有权限的系统使用者可根据紧急事件发生地附近AP提供的用户信息给事件现场用户发送提醒、逃生策略、应急策略等信息，实现远程指挥被困人员自救的功能。

如图1所示为消防救援系统拓扑图，每个AP中有事先设置好的位置信息，智能手机通过实施采集周围AP信号强度，定位服务器通过指纹匹配进行有效定位，智能手机的运动轨迹数据将存储于数据库服务器中。指纹库模型训练主要由AP过滤，楼层训练，分区训练，标记点指纹训练四部分组成，在线定位流程如图2所示。

基于WIFI定位的消防救援系统业务流程如图3所示。一般情况下，该系统通过定位算法计算出用户位置并将位置信息记录在数据库服务器中，当火灾发生时，通过匹配地图与位置信息可以迅速锁定火灾地点附近的用户信息，给消防部门提供明确的救援位置，同时可以通过系统短信模块发送逃生指南等帮助被困人员解决危机情况的参考信息。

4 总结和展望

消防救援定位系统是通过客户主动连接无线AP与被动接收短信信息相结合的思路设计的，在AP供电未完全瘫痪前可实现室内定位。在部分AP供电瘫痪时，系统可根据AP瘫痪位置定位火灾发生位置，并可及时给该部分AP断电前上网人员发送短信逃生指南等信息，该系统不仅针对被困于火灾现场的群众，同样也可用于保证消防员的安全，在消防员的战斗服上配上特定Mac地址无线收发器，当消防员进入火灾现场时，我们同样可以监控到消防员的行走轨迹，当消防员出现危险时，也能第一时间得到相应的救援。在现有的物理环境下，该系统具有较高的可行性。在未来的学习中，定位精度将成为提升该系统性能的主要方向。

参考文献（References）：

[1] http：//www.chinanews.com/gn/2016/01-18/7721126.

shtml

[2] 梁久祯.无线定位系统[M].电子工业出版社，2013.

[3] 李魏峰.基于RFID的室内定位技术研究[D].上海交通大学硕

士学位论文，2010.

[4] 聂明，李方方.基于爱立信MPS平台的移动定位开发[J].微计

算机信息，2009.25（6-3）：130-137

[5] N.K.Sharma. A Weighted Center of Mass Based

Trilateration Approach For Locating Wireless Devices in Indoor Environment[A]，In Proceedings of The 4th ACM Intrtnational Workshop on Mobility Management and Wireless Access，2006：112-115

[6] 李慧，罗海勇，徐俊俊.一种基于奇异值分解的射频指纹排序

定位算法[A].中国传感网络大会（CWSN），2012.

[7] 向波.基于WiFi的定位引擎软件的设计与实现[D].北京邮电

大学硕士学位论文，2014.

[8] Junjun Xu，Haiyong Luo，Fang Zhao，Rui Tao，Yiming Lin，

Hui Li. The WiMap： A Dynamic Indoor WLAN Localization System[A]. Volume 3， Issue 1， 2011 International Journal of Advanced Pervasive and Ubiquitous Computing（IJAPUC 2011）.