消防员定位系统中语音传输方法的研究

张智超， 白广利

(1.黑龙江省自动化系统工程有限公司，黑龙江 哈尔滨 150090；2.黑龙江省科学院自动化研究所，黑龙江 哈尔滨 150090)



消防员定位系统中语音传输方法的研究

张智超1， 白广利2

(1.黑龙江省自动化系统工程有限公司，黑龙江 哈尔滨 150090；2.黑龙江省科学院自动化研究所，黑龙江 哈尔滨 150090)

消防员定位系统可精确确定建筑物内人员的3D坐标，构建人员移动轨迹，实现实时可视化。消防员定位系统的语音传输可加强场外指挥人员与现场救援人员之间的联系，提高灭火的效率，最大限度地保证救援人员的人身安全。

消防；定位系统；语音传输；研究

当今城市大型公共场所及高层建筑的结构和功能日趋复杂，再加上城市人口集中、建筑物密集，使得人员疏散困难，城市火灾救援工作更是变得异常艰难。在复杂的灭火救援环境中，即使是训练有素的消防员在执行任务时也难免会出现伤亡事故，且伤亡比例呈逐年上升的趋势。如何既能高质量、高效率地完成好灭火救援任务，又能够确保消防员自身的安全，实现消防员单兵及指挥系统的智能化极为重要。

目前消防员在灭火救援中主要是应用消防呼救器来求救，呼救器只具有报警功能，且火灾环境对报警功能的实现也有影响，另外呼救器不能对伤员的位置进行准确定位，这也给救援工作带来很大困难[1]。如果在复杂的火场环境中可以对执行任务消防员的运动轨迹进行实时跟踪定位和及时的语音(画面)通讯，将有效地提高消防员火场中的人员分配及疏散效率，更好地保障消防员的人身安全。

1 几种常用的语音传输技术简介

1.1 无线局域网技术

无线局域网通讯是一种基于802.11协议的无线局域网技术，其是一种应用广泛的无线通讯技术，适用于高速数据传输业务，是无线通讯方式中传输速率较快的一种，通常用于视频音频的传输。

1.2 433 MHz无线频段技术

433 MHz技术使用433 MHz无线频段通讯，该频段通讯的显著优势是无线信号的穿透性强、传播距离远、功耗低。不足之处是通信速率低，只有9 600 bps，只能用于通讯数据量较小的场合。在信号传输质量方面，其通常采用数据透明传输协议，安全保密性差，很容易被攻击破译。433 MHz采用单频点工作，不能有效遮挡产生的多径效应，频道非常拥挤，环境干扰、对讲机、车载通信设备、业余通信设备等大多集中在此频段，系统不稳定，可靠性低，但通过组网的方式可以解决上述问题。

1.3 ZigBee技术

根据国际标准规定，ZigBee是一种短距离、低功耗、基于IEEE802.15.4标准建立的一种无线通信技术。其主要适用于家庭和楼宇控制、工业现场自动化控制、农业信息收集与控制、公共场所信息检测与控制、智能型标签等领域[2]。

1.4 UWB(超宽带)技术

UWB(Ultra Wideband)是一种无载波通信(又称超宽带)技术，其利用窄脉冲传输数据，10米左右传输数率可达Mbit/s至Gbit/s。该技术具有速率高、抗干扰性能强、功耗低等优点。UWB主要应用在桥梁、建筑、医疗、安防等领域。

2 适用于消防定位领域的语音传输方式

2.1 无线局域网方式

在覆盖范围内有多个AP(WirelessAccessPoint，无线访问接入点)时，无线局域网方式可实现定位，例如三角定位，定位精度可达3～5 m。如果我们已经知道了AP的位置，就可以利用信号衰减模型估算出移动设备与各个AP的距离，然后以这个半径画圆，其交点就是该设备的位置。无线局域网方式技术在快速定位的应用上表现出了很好的特性，如果只使用单向工作模式，即只能AP主动找设备，设备只上传数据而不接收数据，那么设备的功耗将大大降低。

无线局域网方式在覆盖范围上，目前大功率的AP及基站，覆盖范围可达3～5 km，且不用太多的回程设备。在传输速率上，其速率可达54 Mbps，在信号质量方面无线局域网通讯穿透力较强，但也容易受到其他信号的干扰，缩短AP与节点的距离便可以解决此问题。无线局域网通讯是一种可加密的通讯技术，而且它解决了高速移动时数据的纠错、误码及认证的问题。根据对语音构成的分析，无线局域网方式传输音频信号时有多种压缩编码算法，如 CELP、RELP、VSELP、MBE 等，这些压缩编码算法的压缩率及语音质量各有所长[3]。

在组网方面，无线局域网方式的复杂程度和费用都较低，搭建网络的基本配置是无线网卡和AP。无线局域网通讯组网如图1所示。

图1 无线局域网通讯组网

2.2 433 MHz无线频段方式

在组网方面，433 MHz技术与其他技术相结合，可实现规模大小不同的组网，组网后通讯距离更远，相互干扰降低，采用特殊的时隙接入机制可以降低传输过程中的噪声和干扰。433MHz无线频段技术组网如图2所示。

图2 433MHz无线频段技术组网

2.3 ZigBee方式

ZigBee定位技术按照自己的通信标准利用传感器以接力的方式进行信息通信传递，实现系统的定位。该技术具有抗干扰性能强、传输速率高、功耗低、成本低等特点。

ZigBee在语音传输中有以下优点：① ZigBee节点间间歇通信，数据的收发完成后进入休眠状态，功耗极低；② ZigBee的协议简单，设备厂商通常提供免费的使用平台，可降低开发成本。ZigBee语音传输的标准传输速率为250 kbps，经过组网调节速率可达到1 Mbps[4]。

ZigBee技术组网结构包括星型网、树状网、网状网等几种类型，主要设备包括协调器、中继器、终端等设备，ZigBee网络技术具有的显著优势是协议简单。ZigBee技术组网如图3所示。

图3 ZigBee技术组网

2.4 UWB方式

UWB技术通过发送极窄脉冲传输数据，并采用TDOA(Time Difference of Arrival，到达时间差)算法测距定位来获得消防员在救援现场的位置。由于测得的角度值误差较大，还需要用卡尔曼滤波器对测得的角度值进行滤波，以进一步提高测量精度[5]。

UWB语音传输采用OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用技术)方案，正交频分复用调制可有效地解决干扰问题，在UWB-OFDM系统中，窄脉冲被子信道载波调制后变成传输信号，不同的子信道不互相干扰，频谱使用范围广。

在组网方面，UWB方式硬件实现比较复杂，UWB技术组网如图4所示。

对比分析上述4种技术，它们均可实现室内定位，满足定位需求，在语音传输速率方面，无线局域网技术、ZigBee技术、UWB技术传输速度快，均可以满足语音传输需要；在抗干扰能力方面UWB虽优于其他技术，但硬件实现比较复杂且组网较难；在传输距离上，无线局域网技术和ZigBee技术具有优势。综合分析，无线局域网技术和ZigBee技术在消防定位领域的优势比较突出，各技术对比见表1。

图4 UWB技术组网

表1 各技术对比

无线局域网技术433MHzZigBeeUWB速率54Mbps9600bps1Mbps500Mbps抗干扰能力中弱中强能否实现定位能能能能精度/m3～51～320 3组网难度易易易难功耗低低低低传输距离远近远近

3 结论

消防员定位系统的语音传输主要应用在突发事件的室内定位及指挥调度等方面。在满足定位的基础上，现场情况的及时反馈与沟通可为快速救援提供信息支持，提高救援的质量和速度，确保消防救援人员的自身安全，提高消防员在火灾现场复杂环境中的作战能力，减少人员伤亡。此外，相关技术也可在其它领域复制推广，如“急救”“防汛”“防震”“反恐”“防灾”等，这些技术是推进数字城市和智慧城市建设的重要技术手段，从室外空间走向室内空间是今后位置服务的必然趋势[6-10]。

[1] 董林莲.基于ZigBee技术的消防员定位系统研究与实现[D].上海：东华大学硕士论文，2014.

[2] 陈高锋.常用无线通讯技术简介[J].电脑知识与技术，2012(2)：1062-1064.

[3] 石发强.基于WiFi技术的煤矿井下通讯系统的设计[J].矿业安全与环保，2013(4)：50-52.

[4] 蒋权利.基于ZigBee的语音传输技术研究实现[D].南京：南京邮电大学硕士论文，2015.

[5] 封士永.多点无线语音传输系统的设计与实现[D].苏州：苏州大学硕士论文，2013.

[6] 索永峰.刘天悦.池天河.等.基于室内GIS和定位技术的消防一体化指挥系统[J].中国安全生产科学技术，2014(12)：67-74.

[7] 马丽.建筑内火灾中人员定位技术的选择[J].消防科学与技术，2013(7)：763-765.

[8] 王守辉.曾枭林.郭建宏.等.一种新的消防员定位方法[J].中国科技信息，2012(10)：147-148.

[9] 巴兴强，姜博瀚，朱海涛，等.基于出租车运营GPS数据的城市公交线路优化方法研究[J].森林工程，2015，30(3)：124-127+154.

[10] 赵璠，舒立福，邓忠坚，等.林火扑救队伍跟踪及护林员巡护管理系统研究[J].林业机械与木工设备，2014，42(12)：22-26.

(责任编辑 张雅芳)

Research on Voice Transmission Methods in Firemen Positioning Systems

ZHANG Zhi-chao1， BAI Guang-li2

(1.Heilongjiang Automation System Engineering Co.，Ltd.，Harbin Heilongjiang 150090，China；2.The Institute of Automation Heilongjiang Academy of Sciences，Harbin Heilongjiang 150090，China)

A firemen positioning system can accurately determine the 3D coordinates of the people inside a building，construct moving trajectories of people and realize real-time visualization.The voice transmission of the firemen positioning system can strengthen the links between off-site commanding personnel and on-site rescue personnel，improve firefighting efficiency and guarantee the personal safety of rescue personnel to the maximum.

fire fighting；positioning system；voice transmission；research

�位是通过读取标签信号中的RSSI(

Signal Strength Indication，接收信号强度指示)值，再计算信号强度，结合室内环境测算出标签相应的位置，从而确定室内人员的位置。采用TOA(Time Of Arrival，到达时间)定位方案，测量终端向基站发射信号的时间以确定终端的位置，可将精度提高到1～3 m。

2017-06-14

“消防员定位系统”省对外合作项目

张智超(1989-)，男，助理工程师，学士，主要从事电气自动控制方面的研究与实践工作， E-mail：505800209@qq.com。

TN912

A

2095-2953(2017)08-0032-03

研究与设计