CN103152409B - 基于物联网技术的高层建筑被困人员准确定位和疏导系统 - Google Patents

Abstract

基于物联网技术的高层建筑被困人员准确定位和疏导系统，属于公共安全设施领域。包括定位节点等，温度传感器与芯片信息双向传输连接，压电传感器通过信号调理电路、倍频电路与芯片连接，液晶显示器与芯片连接，且定位节点的通过无线传感网络与网关连接；温度传感器与芯片信息双向传输连接，离子感烟传感器与芯片连接并将信息传输给芯片，液晶显示器与芯片连接，且参考节点通过线传感网络与网关连接；输入键盘与芯片连接，液晶显示器与芯片连接，接口与芯片信息双向传输连接，且网关通过总线通信与控制中心服务器连接。实现高层建筑被困人员的准确定位、跟踪和疏导，最优逃生路径规划和搜救决策，实时显示人员所处的具体位置和动态信息。

Description

基于物联网技术的高层建筑被困人员准确定位和疏导系统

技术领域

本发明属于公共安全设施领域，特别是涉及到利用物联网的核心科技-ZigBee无线传感技术及CAN总线技术构建的整套公共安全设施，实现高层建筑被困人员的准确定位、跟踪和疏导。

背景技术

高层建筑具有人口相对集中、占地面积少等特点，很多房地产开发商和业主首选的方案之一。截止2009年，我国共有高层建筑近10万幢，其中100米以上的超高层建筑1154幢。未来三年，平均每五天就有一座摩天大楼在中国封顶。与此同时，我国还在规划超过300座摩天大楼，如果一切顺利，五年后我国的摩天大楼总数将超过800座，达到现今美国总数的4倍，将成为全球第一高楼国。就因为高层建筑人员高度密集、结构紧凑复杂等原因，当高层建筑遭遇突发事件发生（如：火灾、地震、恐怖事件）时，给被困人员的及时疏散和救援人员的搜救工作都带来了诸多困难，易造成群死群伤，会带来严重的经济损失和社会问题。因此，高层建筑被困人员准确定位和正确疏导是突发事件问题上首要考虑和解决的问题，也备受人们的关注。

目前，国内外在目标（车载、航空航天、导弹等）定位技术上普遍采用GPS卫星定位系统。此方法是利用定位目标接收空中至少三颗卫星发来的信号来确定跟踪目标的具体位置，而在高层建筑物内部因结构复杂、很难找到GPS卫星，不能用此方法进行楼内人员的定位。

高层建筑被困人员定位系统中普遍采用以下4种实时定位方式：第一种方式，就是利用超高层建筑中人人都要携带的“门卡”，通过预设的接收器来确定人员位置。但是采用这种方式，需要对高层建筑加装接收器，不仅增加投资，而且对既有建筑还存在改建的难度；第二种方式是使用手机定位。使用手机定位，其覆盖面很大、平面上较准确定位，但在高层建筑的垂直定位上还有困难，而且使用该方式还需要和运营商进行协调；第三种方式是利用地球磁场来进行人员定位。这种方式在非火灾情况下很好用，但是也需要人员携带“芯片”；第四种方式则是考虑利用RFID技术和火灾探测报警器结合来进行定位。但读卡方位和倾斜角度等原因，定位和跟踪精度并不高，且很多关键技术有待解决和完善。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：利用物联网科技的核心技术-ZigBee无线传感技术、CAN总线技术、消防广播系统和智能疏散指示系统等实现高层建筑被困人员的准确定位、跟踪和疏导，为救援人员第一时间内进行扑救提供有利条件。

基于物联网技术的高层建筑被困人员准确定位和疏导系统，其特征是：包括定位节点、参考节点、网关、控制中心服务器，

所述的定位节点包括DS18B20温度传感器、压电传感器、CC2431芯片、信号调理电路、倍频电路、液晶显示器，DS18B20温度传感器与CC2431芯片信息双向传输连接，压电传感器通过信号调理电路、倍频电路与CC2431芯片连接，液晶显示器与CC2431芯片连接，且定位节点通过ZigBee无线传感网络与网关连接；

所述的参考节点包括DS18B20温度传感器、离子感烟传感器、CC2430芯片、液晶显示器，DS18B20温度传感器与CC2430芯片信息双向传输连接，离子感烟传感器与CC2430芯片连接并将信息传输给CC2430芯片，液晶显示器与CC2430芯片连接，且参考节点通过ZigBee无线传感网络与网关连接；

所述的网关包括输入键盘、液晶显示器、CC2430芯片、RS-232接口，输入键盘与CC2430芯片连接，液晶显示器与CC2430芯片连接，RS-232接口与CC2431芯片信息双向传输连接，且网关通过CAN总线通信与控制中心服务器连接。

所述的定位节点接收距离本定位节点最近的参考节点发送的信息包，即距离本定位节点最近的参考节点的位置坐标和RSSI值的信息包，RSSI值为CC2430/CC2431芯片的信号强度，单位为dBm，CC2431芯片根据该信息包计算该定位节点的位置坐标传送至网关，CC2431芯片接收DS18B20温度传感器传输的定位节点被困人员的体温信息传送至网关，CC2431芯片接收压电传感器传输的定位节点被困人员的脉搏信息传送至网关。

所述的参考节点布置于每层的走廊内，或布置于每层的房间内，并将该参考节点位置坐标和RSSI值的信息包传输给定位节点，RSSI值为CC2430/CC2431芯片的信号强度，单位为dBm。

所述的网关布置于每层楼内，且每层楼内的网关具有固定的一个ID号，每个网关之间通过CAN总线通信传输信息。

本发明的有益效果

（1）各节点模块的功耗低。在正常工作模式下，ZigBee无线传感技术传输速率低，传输数据量小，因此信号的收/发时间很短。在非工作模式下，ZigBee所有节点（定位节点、参考节点、网关）均处于休眠模式。每个节点搜索时延一般为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。由于工作时间较短、收/发信息功耗较低、且采用了休眠模式，使得ZigBee节点非常省电。ZigBee节点的电池工作时间可以长达6个月到2年。

（2）高度扩充性。ZigBee无线传感网络支持的节点数多。一个ZigBee无线传感网络最多包括有255个ZigBee网络节点，其中一个主设备，其余则是从设备。如果通过NetworkCoordinator（网络协调器），则整体网络最多可达65000个网络节点，且每个网络节点支持多达31个传感器和受控设备。每个节点之间的距离可以从标准的75m扩展到几公里。

（3）可靠性高。ZigBee无线传感节点的媒体接入控制层采用talk-when-ready的碰撞避免机制。在这种完全确认的数据传输机制下，当有数据传送需求时，则立刻传送，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息，并进行确认信息回复；若没有得到确认信息的回复就表示发生了碰撞，将再传送一次。采用这种方法可以提高系统信息传输的可靠性。

（4）对被困人员的定位精度很高。系统在每层的人员定位（也称二维定位）采用参考节点和定位节点之间的信号强度衰减的平均值来计算。定位精度与参考节点数量有关，参考点数越多，定位精度为高。本系统采用一种三边测量定位算法，最高定位精度可提高到0.5m以内；定位区域误差小于3m；系统响应时间控制在40μS以内。

（5）跟踪速度快。对被困人员的定位固然很重要，而其后的跟踪也非常必要和重要。被困人员的跟踪采用自适应变率粒子滤波算法。该算法通过比较某时刻粒子值与测量值的关系自适应地调解采样周期，即当粒子值与测量值之间的统计分析值大于某阈值时，提高采样频率，否则降低采样频率。这种机制使系统根据实际轨迹的复杂度选择适当的采样周期，从而减少了计算量，降低了整个网络的能耗，提高了跟踪速度。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：

图1为本发明总体结构框图。

图2为本发明定位节点的结构框图。

图3为本发明参考节点的结构框图。

图4为本发明网关的结构框图。

图5为本发明定位引擎定位过程流程图。

图6为本发明移动目标定位三边测量法示意图。

具体实施方式

系统设计主要考虑被困人员的定位精度、跟踪速度、实时性和安全性等方面。设计方案主要包括定位节点（高层建筑所有人员需携带）、参考节点（布置在楼内的走廊和工作室等）、网关（每层设置一个或多个）、控制中心和各模块之间的通信网络（ZigBee通信网络和CAN总线通信网络）。系统的工作原理如下：

当发生突发事件时，定位节点根据参考节点提供的固定坐标值（其坐标值是已知的）和RSSI（即接收到的信号强度）平均值，计算出自身的具体位置，并将该坐标值和每个定位节点标志号及定位节点（即被困人员）的生理特征（主要为体温和脉搏）传送至各楼层的网关上。

网关接收各定位节点标志号和坐标及参考节点传过来的环境温度和烟浓度，并将这些数据和自身的ID号通过CAN总线传送至控制中心（设在一楼消防控制中心）的服务器上。

控制中心根据定位节点的坐标值、标志号及网关的ID号，就能准确定位被困人员所处的楼层和具体房间的位置，即实现三维定位。同时，结合消防广播、联动控制系统（防火卷帘门、消防泵、正压送风、排烟等）、智能疏散系统等，实现最优逃生路径规划和搜救决策，并实时显示被困人员所处的具体位置和动态信息。

(1)系统总体设计方案

系统由定位节点、参考节点、网关、控制中心和各节点之间的通信网络组成，总体结构框见图1。总体设计思路如下：

1）参考节点布置在每层的走廊或房间内，其设置的相对平面坐标值是已知的。参考节点布置得越多，定位精度越高。同时，该节点能够监测周围的环境温度和烟雾浓度，并将这些数据传送至网关上。

2）定位节点与就近的参考节点（其相对坐标已知）之间进行通信，并利用功率衰减法来得到两者之间的距离，最终用三边测量法来能准确确定自身所处位置的坐标值。定位节点（被困人员）随时将自己的方位和体温、脉搏特征，通过ZigBee无线传感网络传送至网关上。

3）一般每层设置一个网关，各楼层网关之间的通信采用CAN总线通信模式。其通信距离远、抗干扰能力强，且每个网关的地址可以利用软件编程来确定，保证每个网关具有固定的一个ID号。每层设置的网关将接收到的定位节点的信息和参考节点的信息，通过CAN总线通信发送至控制中心。

4）当发生突发事件时，通过控制中心能实时监视各楼层的消防安全状况（参考节点具有烟雾探测功能）和被困人员的具体位置及生理特征，并结合消防广播、联动控制系统、智能疏散系统等，为被困人员提供最佳的逃生路径。同时，为搜救人员在第一时间内进行搜救，提供重要的线索和各种决策。

(2)与定位相关的硬件电路设计

1)定位节点设计

定位节点能够与离自己最近的参考节点进行通信，收集这些参考节点的X、Y坐标和RSSI（为CC2430/CC2431芯片的信号强度，单位为dBm）值。该节点将这些信息和输入参数（A：为距离发射机1m远的RSSI绝对值；N：为距离发射机每增加1m衰减的RSSI绝对值）进行结合，计算自己的坐标位置信息。同时，定位节点（即被困人员携带的节点模块）的体温和脉搏等生理特征信息一并传送至网关。

图2中用DS18B20来检测待定位的被困人员的体温；用压电传感器来检测被困人员的脉搏；用液晶显示器来显示相关数据信息。

2)参考节点设计

图3所示的参考节点是一个静止的，其节点相对坐标值是已知的，本发明的参考节点采用CC2430芯片。参考节点必须正确地布置在定位区域中的相应位置。它的任务是提供一个包含自己位置X、Y坐标和RSSI值的信息包传递给定位节点。

3)网关设计

图4所示网关部分在整个系统设计中起着承上启下的作用，ZigBee无线传感芯片选择CC2430模块。网关在整个系统中有着至关重要的作用：首先它要接收由监控软件提供的各参考节点和定位节点的配置数据，并发送给相应的节点；其次，还要接收各节点反馈的有效数据并传输给监控软件。各网关之间的通信及网关和各参考节点的通信，均采用CAN总线通信方式。

(2)定位和跟踪算法设计

1)定位引擎定位过程

从图5中可以看出，定位节点首先读取所有参考节点的坐标（X,Y）值，然后再读取其他标准参数（A值，N值，RSSI值）。

定位节点的CC2431读取所有必要的参数后，就开始定位计算，然后确定定位节点的具体定位坐标值。与无线定位相关的CC2431芯片内部寄存器有：

LOCENG、REFCOORD、MEASPARM、LOCX、LOCY以及LOCMIN。

2)移动目标的定位采用三边测量法。具体方法如下：

如图6所示，当需定位的无线传感网络中有n（n≥3）个参考节点时，根据每个参考节点的坐标值和距未知节点（即定位节点）的距离，可建立下列方程：

${(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2=d_1^2$

${(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2=d_2^2$

${(x-x_n)}^2+{(y-y_n)}^2=d_n^2$

（1）

$A=\left[\begin{array}{c}2(x_1-x_n)2(y_1-y_n)\\ ...\\ 2(x_{n-1}-x_n)2(y_{n-1}-y_n)\end{array}\right]$

$B=\left[\begin{array}{c}{x_1}^2-{x_n}^2+{y_1}^2-{y_n}^2+{d_n}^2-{d_1}^2\\ ...\\ {x_{n-1}}^2-{x_n}^2+{y_{n-1}}^2-{y_n}^2+{d_n}^2-{d_{n-1}}^2\end{array}\right]$

$X=\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]$

（2）

整理成线性方程组AX=B形式。求解矩阵方程可以得到未知节点（即定位节点）的坐标值。

3)目标跟踪方法

定位目标的跟踪采用自适应变率粒子滤波算法。该算法通过比较某时刻粒子值与测量值的关系自适应地调节采样周期，即当粒子值与测量值之间的统计分析值大于某阈值时，提高采样频率，否则降低采样频率。这种机制可以根据实际轨迹的复杂度选择适当的采样周期，从而减少了计算量，降低了整个网络的能耗。

Claims (1)

1.基于物联网技术的高层建筑被困人员准确定位和疏导系统，其特征是：包括定位节点、参考节点、网关、控制中心服务器，

所述的定位节点包括DS18B20温度传感器、压电传感器、CC2431芯片、信号调理电路、倍频电路、液晶显示器，DS18B20温度传感器与CC2431芯片信息双向传输连接，压电传感器通过信号调理电路、倍频电路与CC2431芯片连接，液晶显示器与CC2431芯片连接，且定位节点通过ZigBee无线传感网络与网关连接；

所述的参考节点包括DS18B20温度传感器、离子感烟传感器、CC2430芯片、液晶显示器，DS18B20温度传感器与CC2430芯片信息双向传输连接，离子感烟传感器与CC2430芯片连接并将信息传输给CC2430芯片，液晶显示器与CC2430芯片连接，且参考节点通过ZigBee无线传感网络与网关连接；

所述的网关包括输入键盘、液晶显示器、CC2430芯片、RS-232接口，输入键盘与CC2430芯片连接，液晶显示器与CC2430芯片连接，RS-232接口与CC2431芯片信息双向传输连接，且网关通过CAN总线通信与控制中心服务器连接；

所述的定位节点接收距离本定位节点最近的参考节点发送的信息包，即距离本定位节点最近的参考节点的位置坐标和RSSI值的信息包，RSSI值为

CC2430/CC2431芯片的信号强度，单位为dBm，CC2431芯片根据该信息包计算该定位节点的位置坐标传送至网关，CC2431芯片接收DS18B20温度传感器传输的定位节点被困人员的体温信息传送至网关，CC2431芯片接收压电传感器传输的定位节点被困人员的脉搏信息传送至网关；

所述的参考节点布置于每层的走廊内，或布置于每层的房间内，并将该参考节点位置坐标和RSSI值的信息包传输给定位节点，RSSI值为CC2430/CC2431芯片的信号强度，单位为dBm；

所述的网关布置于每层楼内，且每层楼内的网关具有固定的一个ID号，每个网关之间通过CAN总线通信传输信息；

控制中心根据定位节点的坐标值、标志号及网关的ID号，就能准确定位被困人员所处的楼层和具体房间的位置，即实现三维定位。