CN103499808A

CN103499808A - 将射频识别标签技术应用到消防员室内定位中的方法

Info

Publication number: CN103499808A
Application number: CN201310384454.9A
Authority: CN
Inventors: 施连兴; 陈灿峰
Original assignee: Beijing Gold Olive Science And Technology Ltd Co
Current assignee: Beijing Gold Olive Science And Technology Ltd Co
Priority date: 2013-08-29
Filing date: 2013-08-29
Publication date: 2014-01-08

Abstract

本发明涉及一种将射频识别标签技术应用到消防员室内定位中的方法，通过一种将可变功率的射频识别标签读头，读取消防员所在位置附近的建筑物内部署的射频识别标签信息，并将标签信息通过3G网络转发到服务器，服务器将射频识别标签的信息进行解析处理，得到消防员的实时室内位置，建筑物外部的指挥员可根据消防员的实时室内位置，实现人员精准定位和指挥。根据该方法实现的系统部署和使用方便、系统价格低廉、便于操作和控制，可有效提升人员搜救和火情勘察的效率。

Description

将射频识别标签技术应用到消防员室内定位中的方法

技术领域

本发明涉及消防救援领域，具体涉及一种将射频识别标签技术应用到消防员室内定位中的方法。

背景技术

近年来伴随着大空间、超高层和综合性建筑物的增长，火灾所带来的损失和影响越来越大,大型建筑物内特别是人员密集型住宅楼、办公楼、厂房、商业中心等建筑物内，建筑物内一旦由于施工、用火、用电、燃气使用不当等意外情况发生火灾时，由于楼层多、通道分布复杂等原因，人员救援难度较大。当大型建筑物内发生火灾时，很难在建筑物外部将火灾扑灭，在很多情况下需要消防员进入建筑物内部才能完全控制火情并实施人员搜救工作。现阶段，当消防员进入建筑物内部后在能见度很差的环境中，依靠现有技术手段如视频监控系统等，建筑物外部的指挥员很难对建筑物内的消防员进行实时定位，缺乏有效的室内定位方式会影响人员搜救的效率，甚至消防员自身也不能准确判断自身的位置，这种情况下，对搜救工作带来很多的不便，对消防员的生命安全以及控制火情的效率都带来不好的影响。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种将射频识别标签技术应用到消防员室内定位中的方法，解决上述问题。进入建筑物内部的消防员，通过头盔上的一种可变功率的射频识别标签读头，读取消防员所在位置附近的建筑物内部署的射频识别标签信息，并将标签信息通过3G网络转发到服务器，服务器将射频识别标签的信息进行解析处理，得到消防员的实时室内位置，建筑物外部的指挥员可根据消防员的实时室内位置，实现人员精准定位和指挥。根据该方法实现的系统部署和使用方便、系统价格低廉、便于操作和控制，可有效提升人员搜救和火情勘察的效率。

本发明将射频识别标签技术应用到消防员室内定位中的方法，具体操作如下：

预先在地下建筑、无窗建筑、大型建筑物内人员有可能到达的区域内布置好无源RFID标签，并在建筑物二维楼层分布图或三维设计图纸中标定每个RFID标签的室内位置坐标(二维或三维)及其安装方向信息。安装RFID标签时，标签的方向可以按一定规律循环设定,如0-45-90-135-180度放置。

当消防员进入建筑内部时佩戴的智能头盔装有RFID阅读器(简称读头)，当消防员（可以是一名或者一组多名）经过RFID标签附近时，读头激活标签并读取RFID标签内的识别码信息后,智能头盔中的通信模块（通过公共通信运营商的3Ｇ或gprs网络）将读头读取的RFID标签识别码信息（简称ID信息）上传到指定服务器；如果是双极化天线的读头设计，还将包括两个正交极化方向上的接收信号幅度信息（简称正交极化幅度信息）上传到（指定）服务器。服务器收到RFID标签ID信息(以及正交极化幅度信息)之后进行查表解析,获取RFID标签对应的室内位置坐标(二维或三维)，即可获知读头对应的室内位置坐标，即佩戴该智能头盔的消防员的室内位置坐标。

建筑物外部的指挥员通过（授权的移动手持终端如平板电脑、智能手机、笔记本电脑等读取）服务器上的智能头盔位置信息，就可以实时了解建筑内部所有消防员的位置，发出适当指令，提高消防灭火和救援的效率。

优选地，通过设置定制的RFID标签、小型化一体化的RFID读头、特别设计的读头天线和特别设计的读头功率控制程序，消防员的室内定位精度可以精确到1-3米。

本发明的特点：射频识别标签技术较为成熟，成本较低,读头使用正交极化天线加上可变功率控制，配合基于相关运算定位算法程序，可以实现较高精度(1-3m)的室内定位；目前基于2.4GHz的Zigbee技术和WiFi技术等实现的定位算法，由于室内传播环境复杂，且需要有源RFID部署，均无法达到长期部署和定位需要，以及3m以下的定位精度。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明做进一步的说明

附图1是本发明的主要模块连接示意图；

附图2是本发明的射频标签读头结构示意图；

附图3是本发明的功率控制与标签安装方向示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明将射频识别标签技术应用到消防员室内定位中的方法作进一步的描述：

预先在大型建筑物内人员有可能到达的区域，如消防通道、主要出入口、楼梯电梯等位置，布置好无源RFID标签，标签内存储了该标签的全球唯一识别码信息（简称ID信息），并在建筑物的二维楼层分布图或三维设计图纸中标定每个RFID标签的室内位置坐标（二维或三维）及其安装方向信息。本系统所采用的RFID标签的天线要求是线极化的。安装RFID标签时，标签的方向可以按一定规律循环设定，如0-45-90-135度放置。这些RFID标签的安装位置信息与安装方向信息，均可存储于远程服务器。图1是基于射频识别标签的消防员室内定位系统组成示意图，

消防员进入建筑物内部时佩戴的头盔中安装有RFID读写器、远程数据通信模块和电源模块等，RFID读写器的组成示意图见图2。当消防员（可以是一名或者一组）经过RFID标签附近时，读写器会激活标签并读取RFID标签内的ID信息，读写器内集成了功率控制模块，可实现功率的多级调节，即可读取到不同距离内的RFID标签ID信息。首先，头盔中的远程数据通信模块可通过移动通信运营商的3G网络，将读取的RFID标签ID信息上传到远程指定服务器。其次，由于本系统采用的RFID读写器的天线采用双极化天线设计，换言之，本系统的RFID读写器可以读取两个正交极化方向上的接收信号幅度信息（简称正交极化幅度信息），因此，通信模块可以将读取到的正交极化幅度信息也上传到远程指定服务器。最后，RFID读写器中的方向传感器模块，可获取消防员当前的行进方向，通信模块也需要将该角度值信息上传到远程指定服务器。远程服务器收到头盔发送的RFID标签ID信息、正交极化幅度信息和行进方向信息之后，通过执行定位算法可获取RFID读写器所在的室内位置坐标(二维或三维)，即可获知佩戴该头盔的消防员对应的室内位置坐标。由于本系统使用了线极化的RFID标签天线，RFID阅读器采用了可变功率和双极化天线的设计，再加上可以实时获取被定位目标的行进信息，与一般的仅基于信号强度的室内定位系统相比，本系统的定位精度更高，消防员的室内定位精度可以精确到2-3米。具体的定位算法实现，见下文描述：

建筑物外部的指挥员通过授权的移动手持终端，如平板电脑、智能手机、笔记本电脑等，请求读取远程服务器上的RFID阅读器或者头盔的位置信息，即可实时了解建筑内部所有消防员的位置，并发出相应指令，提高消防灭火和救援的效率，并保证消防员的人身安全。

该室内定位系统的校准与测量方法的具体实现方式如下：

消防员头盔中的RFID读写器主要包含基带处理器、射频及中频电路、双极化天线、功率控制模块和方向传感器模块等，其中，基带处理器负责将天线接收的信号进行解调，输出ID信息。采用双极化天线可接收RFID标签在两个正交极化方向上的信号，因此可在基带处理电路部分获得正交极化幅度信息。方向传感器模块由磁力计、陀螺仪等构建而成，可计算得出消防员当前的行进方向信息。在功率控制模块的控制下，RFID读写器周期性的以设定的功率水平变化规律（例如，从最低功率逐级增加到最高功率后再返回最低功率，如此循环执行下去），将读取到的一个或多个RFID标签ID信息及其正交极化幅度信息，连同消防员当前行进方向信息一起，通过远程数据通信模块发送到远程服务器。

远程服务器主要负责定位算法的实现，定位的基本原理是将接收到的RFID标签正交极化幅度信息向量（在不同功率水平下的特定ID所对应的正交极化幅度信息），与预先存储的RFID标签正交极化幅度信息向量进行相关运算，选择相关值最大者所对应的位置坐标作为定位结果。

使用系统前需进行测量校准，一个测量校准的例子如图3所示。在这个例子中，测量人员所在楼层的待测区域内共有20个RFID标签，RFID标签共有4个安装方向，安装时尽可能使标签的安装方向随机化。国标规定，900MHz频段的无源RFID标签的读写器（天线+模块）的最大输出功率是30dBm，实际使用中的经验结果是，标签的最大读取距离在10m左右。

测量时，测量人员戴着具有RFID读写器的头盔，对于每一个系统可测量的位置坐标（二维或三维），设测量人员测量时的行进方向为0°，记录在使用不同功率时RFID读写器所能解调出的标签ID信息(记作T)，及其双极化天线所接收到的正交极化幅度值的平方根(记作RSSI)，未能读取到的RFID标签，RSSI值相应的记作0。假定RFID读写器共有N个功率水平，从小到大依次为P1，P2，…，PN。例如，当读写器使用最小功率P1时，能接收到4个RFID标签的信息，则记录如下的向量：

[(T11,0,0,),…,(T32,RSSI1,RSSI2),(T33,RSSI1,RSSI2),…,(T42,RSSI1,RSSI2),(T43,RSSI1,RSSI2),…,(T54,0,0)]

假定当读写器使用最大功率PN时，能解调出全部20个标签的信息，则记录如下的向量：

[(T11,RSSI1,RSSI2),(T12,RSSI1,RSSI2),…,(T53,RSSI1,RSSI2),(T54,RSSI1,RSSI2)]

在每个功率水平设定下，记向量中所有RSSI1的平均值为R1，所有RSSI2的平均值为R2，对上述每个向量进行如下处理：

令RSSI1’=RSSI1–R1,RSSI2’=RSSI2–R2。

最后，将上述每个向量中的RSSI1和RSSI2都替换成RSSI1’和RSSI2’，即得到了不同功率水平设定下的校准向量：

[(T11,RSSI1’,RSSI2’),(T12,RSSI1’,RSSI2’),…,(T53,RSSI1’,RSSI2’),(T54,RSSI1’,RSSI2’)]

至此，测量校准工作完毕。

在实际使用该系统时，设消防员当前行进方向与测量人员测量时的行进方向的夹角为θ°(0≤θ≤90)，在当前功率水平设定下，对读写器所能读取到的RFID标签，把其所对应的双极化天线所接收到的正交极化幅度值的平方根，记作rssi1与rssi2，在进行定位运算前，需要进行如下预处理：

r1=rssi1*cosθ+rssi2*sinθ

r2=rssi1*sinθ+rssi2*cosθ

由此可以获得在不同功率水平设定下的测量向量：

[(T11,r1,r2),(T12,r1,r2),…,(T53,r1,r2),(T54,r1,r2)]

将测量向量与校准向量进行相关运算，即：

最后，把相关值COR最大者所对应的校准向量的位置坐标作为定位结果。一般情况下，系统会优先选择读写器在较小功率设定下的定位结果，但当读写器使用较小功率情况下没有读取到RFID标签时，则选择较大功率水平设定下的定位结果。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.将射频识别标签技术应用到消防员室内定位中的方法，其特征在于：首先、预先在地下建筑、无窗建筑、大型建筑物内人员有可能到达的区域内布置好无源RFID标签，并在建筑物设计图纸中标定每个RFID标签的室内位置坐标及其安装方向信息；然后、当消防员进入建筑内部时佩戴的智能头盔装有RFID阅读器，当消防员经过RFID标签附近时，读头激活标签并读取RFID标签内的识别码信息后,智能头盔中的通信模块将读头读取的RFID标签识别码信息上传到指定服务器；当服务器收到RFID标签ID信息之后进行查表解析,获取RFID标签对应的室内位置坐标，即可获知读头对应的室内位置坐标，即佩戴该智能头盔的消防员的室内位置坐标；此时建筑物外部的指挥员通过授权的移动手持终端从服务器上获取智能头盔位置信息，就可以实时了解建筑内部所有消防员的位置，发出适当指令，提高消防灭火和救援的效率。

2.根据权利要求1所述的将射频识别标签技术应用到消防员室内定位中的方法，其特征在于：通过设置定制的RFID标签、小型化一体化的RFID读头、特别设计的读头天线和特别设计的读头功率控制程序，消防员的室内定位精度可以精确到1-3米。