CN105635954A - 基于toa测距的消防应急救援系统 - Google Patents

Abstract

一种基于TOA测距的消防应急救援系统，它包括搜救器、手持终端机和服务器，搜救器和手持终端机之间采用TOA测距方法进行精确定位，搜救器由MCU、LCD显示屏、近距离测距TOA模块、远距离无线通信模块、近距离测距定向天线、远距离定向天线、扬声器、蜂鸣器构成，手持终端机由MCU、近距离测距TOA模块、远距离无线通信模块、近距离测距全向天线、远距离无线通信全向天线构成，服务器由便携式计算机、远距离无线通信模块、远距离无线通信全向天线构成。本发明可以通过远距离无线通信模块获得RSSI信号强度用于确定手持终端机相对于搜救器的定位方向，再通过近距离测距TOA模块计算得到手持终端机与搜救器之间的相对距离，从而帮助救援人员准确定位被困消防员的具体位置。

Description

基于TOA测距的消防应急救援系统

技术领域

本发明涉及无线射频通信网络、应急救援领域，具体涉及基于无线射频网络的消防搜救系统。

背景技术

随着我国经济的飞速发展，各种高层建筑和大跨度厂房不断涌现，各种复杂的火灾和各种突发性事故也日益增多。消防部队面临的灭火救援形势日趋严峻，各类事故处置的难度和危险性越来越高。2013年以来全国发生的10起较大火灾中，就有20多名消防员牺牲在一线。面对建筑物坍塌、爆炸、轰燃、有毒气体等复杂局面，消防员救援时容易出现分不清方向，也很难感知自身所处位置的情况，同时，场外指挥人员无法摸清火场中人员的行踪状态，也无法做出有效的判断和指挥，因此，在灭火救援作业或训练中保护消防员自身安全成为亟待解决的问题。为了确保消防员能够有效地逃生，如何准确地确定被困消防员在火场中的位置成为当前研究重点。

发明内容

针对消防应急救援安全问题，本发明实施例的目的是提供一种基于无线传感器网络的消防应急救援系统，便于确定消防员在火场中的位置，保证对火场中遇险消防员的有效施救。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于无线通信网络的消防应急救援系统，其特征在于，包括：搜救器，手持终端机和服务器，搜救人员佩戴搜救器与服务器无线通信，消防人员携带手持终端机与服务器无线通信，指挥人员通过服务器与搜救器和手持终端机无线通信，搜救器由MCU、LCD显示屏、近距离测距TOA模块、远距离无线通信模块、近距离测距定向天线、远距离定向天线、扬声器、蜂鸣器和按键构成，手持终端机由MCU、近距离测距TOA模块、远距离无线通信模块、近距离测距定向天线、远距离无线通信定向天线和按键构成，服务器由便携式计算机、远距离无线通信模块、远距离无线通信全向天线构成，其中，搜救器的远距离无线通信模块、近距离测距TOA模块分别与远距离定向天线、近距离测距定向天线相连接，手持终端机的远距离无线通信模块、近距离测距TOA模块分别与远距离全向天线、近距离测距全向天线相连接。

作为上述技术方案的优选，所述远距离无线通信模块的频率是900Mhz或者433Mhz，具有通信距离远，信号不易被遮挡，穿透能力强，所述近距离测距TOA模块的频率是2.4~2.483Ghz，通信距离较近，容易受环境遮挡，穿透能力弱。

作为上述技术方案的优选，所述服务器具有用于存储搜救器和手持终端机位置信息的数据库。

作为上述技术方案的优选，所述服务器通过远距离无线通信模块与手持终端机进行远距离无线通信，用于接收佩戴着手持终端机的被困消防员发出的求救指令。

作为上述技术方案的优选，所述服务器通过远距离无线通信模块与搜救器进行远距离无线通信，用于操作服务器的指挥人员向搜救器发送搜救指令，救援人员携带搜救器进入火灾现场，通过与手持终端机的远距离无线通信模块进行定向通信，搜救器将从远距离无线通信模块和近距离测距TOA模块获得RSSI信号强度，用于确定被困消防人员的大致方向，在此基础上，通过与手持终端机的近距离测距模块进行测距通信，搜救器再从近距离测距模块获得与被困人员的测距值，用于确定与被困人员的距离，并显示到搜救器LCD显示屏，扬声器和蜂鸣器配合提醒和报警使用。搜救人员找到被困消防员后，通过搜救器远距离通信模块向服务器发送救援成功指令，服务器接收救援成功指令后解除该消防员的被困状态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例搜救器的结构示意图；

图2为本发明实施例手持终端机的结构示意图；

图3为本发明TOA测距的原理图；

图4为本发明搜救器和手持终端机测距的示意图。

具体实施方式

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

基于TOA测距的消防应急救援系统，消防人员携带手持终端进入火灾现场，出现紧急情况需要救援时，消防员通过手持终端机向服务器发出求救指令，服务器接收到求救指令之后，进而向佩戴有搜救器的救援人员发出救援指令，通知搜救人员进入火灾现场寻找被困消防员，搜救器和手持终端机通过从远距离无线通信模块和近距离测距TOA模块获得RSSI信号强度，以及通过近距离TOA测距模块发送、接收数据包之间的时间延迟实现测距过程，根据手持式终端相对于搜救器的大致方向和距离信息，准确地确定手持式终端相对于搜救器的位置信息；

图1展示搜救器的结构示意图，搜救器是由MCU、LCD显示屏、近距离测距TOA模块、远距离无线通信模块、近距离测距定向天线、远距离定向天线、扬声器、蜂鸣器和按键构成；

所述远距离无线通信模块与远距离定向天线连接，用于将控制数据通过定向天线发送出去，或者通过定向天线接收控制数据；

所述近距离测距TOA模块与近距离测距定向天线连接，用于将测距数据通过定向天线发送出去，或者通过定向天线接收测距数据；

所述搜救器和手持终端机的近距离测距TOA模块之间发送、接收测距数据，根据发送、接收数据之间的时间延迟，计算搜救器和手持终端机之间的距离；

所述搜救器和服务器的远距离无线通信模块之间发送、接收控制命令，用于服务器向搜救器发送搜救命令，搜救器将测距得到的位置数据返回给服务器，或者将救援成功指令发送给服务器；

MCU处理器与近距离测距TOA模块、远距离无线通信模块、扬声器、蜂鸣器和按键协调工作，在搜救器接收到服务器发出的救援指令之后，MCU根据搜救器和手持终端机之间发送、接收数据的时间延迟，计算确定救援人员与被困消防员之间的距离，并将相对位置信息显示在搜救器LCD显示屏，触发扬声器和蜂鸣器在收到救援命令时进行鸣叫，向救援人员进行提醒和报警。

为了方便使用，所述搜救器还可以设置有LED显示屏、电源模块和存储模块，LED显示屏用于显示测距数据信息；存储模块用于存储方向、距离等信息并上传给服务器。

找到被困消防员后，搜救人员按下按键，停止测距并通过远距离通信模块发送搜救成功指令到服务器。

图2展示手持终端机的结构示意图，手持终端机是由MCU处理器、近距离测距TOA模块、远距离无线通信模块、近距离测距全向天线、远距离全向天线和按键构成；

所述远距离无线通信模块与远距离全向天线连接，用于将控制命令通过定向天线发送出去，或者通过全向天线接收控制命令；

所述近距离测距TOA模块与近距离测距全向天线连接，用于将测距数据通过全向天线发送出去，或者通过全向天线接收测距数据；

所述手持终端机与搜救器之间通过近距离测距TOA模块发送、接收测距数据，根据发送、接收数据之间的时间延迟，计算手持终端机和搜救器之间的距离；

所述手持终端机和服务器的远距离无线通信模块之间发送、接收控制命令，用于向服务器发送求救命令，或者手持终端机接收搜救器发出的测距数据；

所述手持终端机的MCU处理器与近距离测距TOA模块、远距离无线通信模块协调工作，用于在手持终端机和搜救器之间发送、接收数据的时间延迟，计算确定救援人员与被困消防员之间的距离；

图3展示TOA测距的原理图，本发明的手持终端机和搜救器通过近距离测距TOA模块共同实现精确定位，同时也可以接收、发送RFID格式数据包，与RFID射频模块共同实现RFID定位，本发明可以兼容TOA测距与RFID定位。

基于TOA测距的人员精确定位方法，具体步骤如下：

1）手持终端机向搜救器发送握手信息，搜救器触发启动基于TOA精确定位过程；

2）搜救器向手持终端机发送第一次定位数据包的时间点，记为T1，手持终端机接收到第一次定位数据包的时间点，记为T2；

3）手持终端机向搜救器发出第一次应答消息的时间点为T3，搜救器接收到第一次应答消息的时间点，记为T4；

4）根据T1、T2、T3和T4时间信息，从发送第一次定位数据包到接收第一次定位数据包的时间段为T2-T1，从发送第一次应答消息到接收第一次应答消息的时间段为T4-T3，手持终端机与搜救器之间的距离d=((T2-T1)-(T4-T3))*C/2，其中，C为光速，计算得出手持终端机与搜救器之间的位置信息。

图4展示本发明搜救器和手持终端机测距的示意图，在手持终端机和搜救器之间的近距离测距TOA模块的通信频率是2.4Ghz，可以用来测得距离，但是通信距离较近，容易受环境遮挡，穿透能力强；在手持终端机和搜救器之间的远距离无线通信模块的通信频率是900Mhz或者433Mhz，具有通信距离远，信号不易被遮挡，穿透能力强。搜救人员首先通过远距离无线通信模块的RSSI信号强度，测量在搜救人员所处位置的各个方向RSSI信号强度数值，选择测得最大的RSSI信号强度作为搜救器搜寻被困人员的搜救方向，然后利用近距离测距TOA模块获得与被困人员间的距离，以搜救器所处当前位置为圆心，以接收到RSSI信号强度最大值的方向作为搜救方向，以测距为半径为搜救范围，逐步接近携带有手持终端机的被困消防员的目标位置。

具体地，手持终端机的远距离无线通信范围和近距离测距检测范围是在以手持终端机为圆心，以远距离无线射频模块的通信距离和近距离测距TOA射频模块的通信距离为半径的同心圆范围以内，同样地，搜救器的远距离无线通信范围和近距离测距检测范围是在以搜救器为圆心，以远距离无线射频模块的通信距离和近距离测距TOA射频模块的通信距离为半径的同心圆范围以内。

在手持终端机和搜救器逐渐由远及近的过程中，当手持终端机和搜救器都无法发送和接收到无线信号时，则表明手持终端机和搜救器处于远距离通信区域以外；当手持终端机和搜救器能够发送和接收无线信号时，则表明手持终端机和搜救器处于远距离通信区域以内，同时处于近距离测距检测区域以外，此时搜救人员通过900Mhz远距离通信模块的RSSI信号强度能获知被困人员大致方向，具体地，搜救人员检测所处位置的不同方向的RSSI信号强度值，选择RSSI信号强度最大值作为指引方向进行搜救遍历，如果测得RSSI信号强度值逐渐变小，说明搜救方向有误差，则需要重新回到前次检测RSSI信号强度的位置进行其他方向的搜救遍历；当手持终端机和搜救器能够相互传输TOA握手信息，则表明手持终端机和搜救器处于近距离测距检测区域，使用TOA测距方法根据时间延迟计算出手持终端机和搜救器之间的测距数据，并根据所述RSSI信号强度和测距数据确定方位信息，用于完成手持终端机和搜救器之间的相对方向和相对位置定位。进一步地，若有两台以上的搜救器与被困消防员的无线终端机执行测距过程，则分别以两台以上的搜救器为圆心，以各自搜救器测距得到的距离为半径的圆圈所形成的相交区域，可以定位出被困消防员的位置区域，完成精确定位过程。

Claims (8)

1.一种基于TOA测距的消防应急救援系统，其特征在于，该消防应急救援系统包括：搜救器、手持终端机和服务器，指挥人员通过服务器控制搜救人员佩戴的搜救器和消防人员携带的手持终端机之间测距定位，所述搜救器由MCU处理器、LCD显示屏、近距离测距TOA模块、远距离无线通信模块、近距离测距定向天线、远距离定向天线、扬声器、蜂鸣器和按键构成，手持终端机由MCU处理器、近距离测距TOA模块、远距离无线通信模块、近距离测距全向天线、远距离全向天线和按键构成，服务器由便携式计算机、远距离无线通信模块、远距离全向天线构成，其中，搜救器的远距离无线通信模块、近距离测距TOA模块分别与远距离定向天线、近距离测距定向天线相连接，手持终端机的远距离无线通信模块、近距离测距TOA模块分别与远距离全向天线、近距离测距全向天线相连接。

2.根据权利要求1所述的基于TOA测距的消防应急救援系统，其特征在于，所述远距离无线通信模块的通信频率是900Mhz或者433Mhz，具有通信距离远，信号不易被遮挡，穿透能力强。

3.根据权利要求1所述的基于TOA测距的消防应急救援系统，其特征在于，所述近距离测距TOA模块的通信频率是2.40~2.483Ghz，通信距离较近，容易受环境遮挡，穿透能力弱。

4.根据权利要求1所述的基于TOA测距的消防应急救援系统，其特征在于，所述服务器存储有搜救器和手持终端机的位置信息的数据库。

5.根据权利要求1所述的基于TOA测距的消防应急救援系统，其特征在于，所述服务器通过远距离无线通信模块与手持终端机进行远距离无线通信，用于接收佩戴手持终端机的被困消防员发出的求救指令，并将该消防员设置为被困状态。

6.根据权利要求1所述的基于TOA测距的消防应急救援系统，其特征在于，所述服务器通过远距离无线通信模块与搜救器进行远距离无线通信，指挥人员通过服务器向搜救器发出救援指令，用于命令携带搜救器的救援人员进入火灾现场，与被困消防员的手持终端机进行无线射频通信，搜救器从远距离无线通信模块和近距离测距TOA模块获得RSSI信号强度，用于确定被困消防人员的搜寻方向，然后通过近距离测距模块进行TOA测距，得到搜救器与手持终端机之间的距离信息，并显示在搜救器LCD显示屏，触发扬声器和蜂鸣器用于提醒和报警。

7.搜救人员找到被困消防员后，通过搜救器远距离通信模块向服务器发送救援成功指令，服务器接收救援成功指令后解除该消防员的被困状态。

8.一种根据权利要求1的基于TOA测距的消防应急救援系统的人员精确定位方法，具体步骤如下：

1）手持终端机向搜救器发送握手信息，搜救器触发启动基于TOA精确定位过程；

2）搜救器向手持终端机发送第一次定位数据包的时间点，记为T1，手持终端机接收到第一次定位数据包的时间点，记为T2；

3）手持终端机向搜救器发出第一次应答消息的时间点为T3，搜救器接收到第一次应答消息的时间点，记为T4；

4）根据T1、T2、T3和T4时间信息，从发送第一次定位数据包到接收第一次定位数据包的时间段为T2-T1，从发送第一次应答消息到接收第一次应答消息的时间段为T4-T3，手持终端机与搜救器之间的距离d=((T2-T1)-(T4-T3))*C/2，其中，C为光速，计算得出手持终端机与搜救器之间的位置信息。