基于UWB技术的危化品智慧消防管理系统

冯帅颀 崔启煜 汪凡 常婕 张凌云

摘要：为了提高危化品消防管理的水平，创新管理方法，设计研究了一套基于UWB的危化品智慧消防管理系统，其可实现对危化品仓库火灾中火源位置、易燃易爆品位置等位置信息的精确收集、分析与反馈和常态化火灾风险预警。主要对该系统的软硬件设计进行研究。首先，结合江苏盐城响水“3·21”爆炸事故与天津滨海新区“8·12”爆炸事故，介绍了该系统的研究背景。接着，简要阐释了UWB技术的定位原理，然后，从软硬件两个方面对该系统的设计思路进行详细论证，最后，对设计出的demo系统进行了初步测试并阐述了其对实际应用的指导意义。测试结果表明，该系统可实现对危化品的实时监控以及发生火灾后的辅助决策功能。基本符合危化品智慧消防管理系统稳定可靠、定位测量精度高等技术要求，对提高危化品消防管理水平具有重要意义。

关键词：智慧消防;UWB技术;温度监测预警;辅助决策

随着市场经济的飞速发展，社会的不断进步，危化品行业的安全生产问题亟待得到有效的解决，江苏盐城响水“3·21”爆炸事故，起因是厂区人员未及时发现天嘉宜公司旧固废库内长期贮存的硝化废料持续积热升温导致的自燃，从而由燃烧引发爆炸[1]。日趋复杂的化工火灾对消防救援隊伍提出了更高的要求，天津滨海新区“8·12”爆炸事故中二次爆炸的产生，是消防员在进入火场时，由于不清楚危化品的储存位置，误将水喷到电石上而导致的。数据表明，危险化学品事故中，9%发生在仓储过程[2]。目前，我国对于危险化学品仓库的消防安全管理水平依然落后，安全管理意识较差，隐患排查和事故预警技术远不能适应社会发展的要求。实现危险化学品仓库消防安全管理的自动化、信息化、智能化，是当今“智慧消防”建设中的重要环节。为了提高危化品消防管理的水平，创新管理方法，本文设计研究了一套基于UWB（超宽带）的危化品智慧消防管理系统并进行了模拟测试，以期为危化品管理提供新的思路与办法。

1  UWB（超宽带）技术

UWB（超宽带）技术是近年来新兴的一种定位技术。物联网领域现在使用的定位技术主要有卫星定位技术、Wi-Fi定位技术、RFID定位技术、ZigBee定位技术，以上四种室内定位技术，定位精度低，且容易受到干扰，定位稳定性难以适应室内应用的要求。

和其他无线定位技术相比，UWB（超宽带）技术具有独特的优势：数据传输速率极高，抗多径效应能力强，具有很强的穿透性，是室内定位技术的佼佼者[3]。

UWB定位原理与GPS相似，其中：Anchor（基站）相当于天上的卫星，Tag（标签）相当于用户端的导航接收机，如手机。Anchor一般作为参考位置点安装于固定参考点;Tag一般作为待定位点，安装于待定位载体上，如人员车辆、物资;网关基站除了有定位功能，还能监控系统的运行状态并向其他节点（Anchor、Tag）下发指令，一般通过以太网或wIH连接服务器或计算机等，UWB属于电磁波，其在真空中的传播速度与光速相同。通过测量Tag到Anchor的TOF（飞行时间），乘以光速后，Tag可以获得Anchor的距离。通过到多个Anchor距离与参考Anchor的坐标，可以列出多组球面方程，进而由数学方法求解出标签的坐标。

在获得定位信息后，如果已知环境信息（如障碍物位置、可走的路径），同时知道期望去的位置，则可实现实时导航功能。基于UWB无线通信技术，可将用户数据通过无线报文传输给其他节点，从而实现节点间的通信功能，也可进一步扩展为基于UWB传输的OTA（远程固件更新）功能。

2  基于UWB（超宽带）技术监控定位系统设计

2.1  系统总体架构

系统使用先进的超窄脉冲精确测量飞行时间技术，实现了底层的精确测距和计时;结合位置解算法，实现了上层的精确定位[4]。整体上，定位系统由定位硬件层、网络连接层、数据解算层和应用层组成。定位硬件层是智慧消防系统实现定位功能的主体部分，包括定位微基站和定位微标签;网络连接层用于将定位微基站采集的数据通过无线网络传输至阿里云云端;数据解算层通过由Go语言编写的数据服务软件来实现标签位置、温度的计算并被显示端调用进行显示[5];应用层则是针对危化品仓库的需求，实现对危化品储存状况的实时监控以及发生火灾后向消防救援人员及时提供火灾信息来辅助决策[6]。

2.2  硬件设计

定位硬件主要由定位基站、定位标签、温度传感器等组成。本文设计的系统中所用的基站硬件集成板主要由中央处理模块、信号通信模块等组成。定位标签硬件集成板主要由中央处理模块、信号通信模块、温度采集模块组成，总体结构如图1所示。

其中UWB无线通信模块采用DecaWave公司的DWM1000超宽带无线收发集成芯片[7]，该芯片是一种满足IEEE802.15.4-2011标准完全集成UWB的低功耗单芯片CMOS无线电收发器。它支持110kbps、850kbps和6.8Mbps的数据速率，并且信号能传输百米以上，其高数据传输速率使其能够保持播出时间短，从而节省电力并延长电池寿命。此外，DWM1000支持定时发送数据帧，此功能可以保证所发送的数据帧包含该信号发送时间戳，从而一定程度上简化系统时序的设计。

基站与定位标签的处理器模块MCU均采用以Cortex?-M4为内核的nRF52832高性能微控制器，该处理器是一款功能强大、高度灵活的超低功耗多协议SoC，非常适合低功耗蓝牙、ANT和2.4GHz超低功耗无线应用。它和普通的单片机如51、STM32等最大的不同就是内部集成了2.4GHz无线电收发器片内外设，由于集成了2.4GHz无线电收发器，使它能够支持相关的无线通信协议，比如低功耗蓝牙、ANT等，其拥有外设丰富、超低功耗、超大内存等优点。

电源模块采用TP4056芯片，其具有电池温度检测、欠压闭锁、自动再充电和电压转换（3.7～5V）等功能[8]。该模块将外接5V电压转换成稳定的3.3V电压提供给主控模块和通信模块，并对电路进行一定的电压保护。

溫度传感器采用业内知名的瑞士Sensirion公司推出的新一代SHT30温湿度传感器芯片。得益于Sensirion的CMOSens?技术，高集成度电容式测湿元件和能隙式测温元件，SHT30能够提供极高的可靠性和出色的长期稳定性，具有功耗低、反应快、抗干扰能力强等优点。传感器内部经过校准、线性化与放大，能够输出与温湿度呈线性关系的模拟电压，无需额外的驱动库，使用简单方便，兼容常见的Arduino、micro：bit、ESP32等各类3.3V/5V主控系统，可以轻松实现城市环境监控、智能楼宇、工业自动化、智能家居等物联网应用场景的温湿度传感。

2.3  上位机程序设计

整个上位机软件包含2部分：数据服务+前端显示。数据服务，用于和阿里云物联网通信，根据相关数据，做业务逻辑解析和处理，转发数据到Web显示的作用，使用Go语言，程序直接打包成一个EXE文件，在Win系统下直接双击即可打开服务。Web显示是在浏览器里面打开一个本地IP网址，Web会调用Go数据服务，根据相关数据在界面上进行实时显示。本文上位机程序运行环境为Win系统，采用Go语言编写，具体流程如图2所示。线程1为距离接收线程，该线程时刻接收基站发送的距离包，数据包中的数据以基站为中心，在进行定位解算时以标签为中心，因此收到的数据包需要进行分类。分类完的距离放入数据缓冲区等待线程2提取，为了防止提取异常数据缓冲区需要通过一定的锁控制。最后通过线程3写入数据库。当Web端需要显示相关数据时，将自动调用该程序，由该程序将数据库的相关信息传输至显示端。

3  基于UWB（超宽带）技术监控定位系统应用

3.1  硬件布置

该系统以四个基站为一组，根据实际使用面积可多组基站扩展布置，每组基站可覆盖室内面积不大于25m×25m。其中一个基站为网关基站，连接无线网络，连接PC。其余三个为普通定位基站，四个基站均需接通常备电源。

定位标签根据需要布置在目标位置，接通电源即可开始工作。

3.2  软件运行

确认硬件正常工作后，我们将网关基站供电后通过网线连接PC，使用PC浏览器访问已设定的站点，即可看到图3的配置界面。

然后，打开基站配置界面，将网关基站设置为主基站，其余3个基站设置为从基站，即可在该界面实时监控仓库内贮藏危化品的位置信息与监控温度信息。

该系统可根据仓库贮藏危化品的种类和对温度敏感性的不同，设定不同种类危化品危险（报警临界）温度。当标签内置的温度传感器感知到温度超过阈值后，便会触发报警，并详细显示火灾信息与相应处置方案，如图4所示。

4  结语

基于UWB（超宽带）技术的抗干扰能力强、定位精度高、传输速度快和低耗电低功率的优势，本文在物联网技术构建的基础上，研究开发适用于危险化学品仓库的消防安全管理系统，利用UWB定位模块与危化品事故危险因子传感器，通过物联网的感知、传输和智能分析功能，实现危险化学品仓库在事故发生前的定位预警、事故发生时的定位研判。

该系统可通过UWB（超宽带）技术的精确室内定位功能，实现对危险化学品储存状态的实时监控和智能识别，及时发现安全事故隐患。火灾发生时，系统对着火点位置的准确定位和燃烧物种类及处置方式的智能研判，使得消防救援人员能在救援装备的使用和救援方案的制定上做到精准施策，既保证了救援的迅速高效，也保护了消防救援人员的生命安全。测试结果显示，该系统可实现所设计的火灾监控、数据采集与传输、提供火场信息等功能，达到了设计预期，经过后续设计完善，有望能够为灭火救援提供全方位的数据支撑，从而有效提高灭火救援工作的效率，为消防救援队伍“提质强能”以及“全灾种、大应急”建设贡献力量。

参考文献：

[1]侯启军.精细化工安全管理中存在的问题及对策[J].化工管理，2021（2）：121-122.

[2]李蛟龙.基于DW1000的UWB室内定位系统设计[J].自动化与仪器仪表，2020（12）：240-244.

[3]张春香.基于阿里云的智慧消防系统的开发与设计[J].电脑知识与技术，2020，16（36）：84-86.

[4]李进卫.危化物品仓储的消防安全管理探析[J].中国棉花加工，2018（5）：32-39.

[5]顾慧东.基于UWB的室内测距与定位系统[D].南京：南京邮电大学，2020.

[6]武志凯，刘宾.UWB室内无线同步的定位基站系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2021，21（2）：24-27.

[7]曾彦钧，李越，东文，等.基于NB-IoT和STM32的数据融合智慧消防系统设计[J].物联网技术，2020，10（1）：77-82.

[8]张振国.窄带物联网在“智慧消防”模式构建中的应用研究[J].消防科学与技术，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