CN107339985A - 一种室内自主定位及状态监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种消防员室内自主定位及状态监测系统，包括人员体征感知装置、人员携带装置、中继装置和指挥装置。本发明采用多传感器相结合的方式实现室内外全方位的集群定位指挥，在有卫星的状态下和在没有卫星的状态下实现地图匹配定位。可通过调用已有楼宇的三维模型或建立建议楼宇三位模型的方式开展人员定位。指挥装置通过人员的相对位置、人员运行的路径等参考信息指挥人员达到目标或进行救助。指挥装置可远程控制人员携带装置的摄像头，详细观察人员携带装置周围的环境，以供指挥人员决策。本发明有效解决了人员集体行动时人员定位、状态监测和指挥的问题。

Description

一种室内自主定位及状态监测系统及方法

技术领域

本发明涉及定位技术领域，尤其涉及一种室内自主定位及状态监测系统及方法。

背景技术

随着信息技术和人员本身安全的需要，人们对自身的定位及安全需求越来越强烈，伴随着经济建设高速发展，突发灾害事故等发生几率逐年增高，事故发生后对人员定位和状态信息获取都是新的巨大的考验。特别是在灾难救援活动中，冲锋在第一线的消防员经常处于危险境地，消防员的定位和状态监测需求就显得更加迫切。

目前在实际的救援过程中指挥员通过通话确定消防员的方位和状态，但是由于救援现场环境复杂，而且相对陌生，通过语音的方式很难将人员准确位置和状态信息清晰的表达出来，有时甚至会发生语音中段或人员发生危险。救援过程中救援人员无法了解自己和队员的位置等信息，在出现危急情况的时候不能及时有效地相互支援，很容易导致失联。同时，指挥员和现场人员不能掌握救援人员的实时位置及状况，无法立即对救援人员面对的情况做出正确判断和合理的指挥，严重影响了指挥效率。

目前的室内定位技术中北京科技大学正在开发的基于2.4G的伪基站定位系统，存在2.4G信号的绕射性能较差，在墙壁遮挡比较严重的室内中部位置，信号难以覆盖，需要在室内布置增强基站，提高信号覆盖能力；红外线室内定位技术有一定的室内定位精度，但是由于光线不能穿过障碍物，红外线仅能视距传播，当室内布局较复杂时，移动设备若刚好到达非视距的角落，就不能有效定位，而且红外线传输距离较短，容易被灯光干扰，在精确定位上存在局限性；国防科技大学研制的“基于微惯导的人员自主定位系统”需将足部传感器绑在鞋子上，处理节点捆在手臂上，这种方案在实际使用过程中需要会带来很多不方便，例如通信问题或连线问题。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种室内自主定位及状态监测系统，解决室内人员自主定位和状态监测问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种消防员室内自主定位及状态监测系统，包括：人员体征感知装置1、人员携带装置2、中继装置3和指挥装置4；

所述人员体征感知装置1随消防员携带且编码唯一，采集消防员的心率和血氧含量信息；

所述人员携带装置2通过携带装置采集消防员的状态数据；

所述指挥装置4对接收到的所述人员携带装置2传送的数据进行数据处理，以对消防人员进行室内定位及状态监测；

所述中继装置3在所述人员携带装置2无法与所述指挥装置4建立通讯时，提供中继通讯；

所述人员体征感知装置1与所述人员携带装置2通过蓝牙系统建立双向连接；

所述人员携带装置2与所述指挥装置4通过4G或无线数传通讯进行双向连接建立通讯链路，所述指挥装置4接收所述人员携带装置2传输的数据；

所述中继装置3可与所述人员携带装置2和所述指挥装置4两两双向连接建立通讯链路，通过中继的方式使所述人员携带装置2和指挥装置4建立通讯联系；

进一步地，所述人员体征感知装置1包括：心率传感器11、血氧含量传感器12、体征感知端蓝牙电路13和体征感知端电源14；

所述心率传感器11采集携带所述人员体征感知装置1的消防员的心率信息；

所述血氧含量传感器12采集所述消防员的血氧含量信息；

所述心率传感器11和所述血氧含量传感器12的输出端分别与所述体征感知端蓝牙电路13的输入端通过导线连接；

所述体征感知端蓝牙电路13通过蓝牙信号与所述人员携带装置2通讯，传送采集到的所述消防员的心率和血氧含量信息；

所述体征感知端电源14与所述体征感知端蓝牙电路13的供电接口通过导线连接，为所述人员体征感知装置1供电。

进一步地，所述人员携带装置2包括：三轴陀螺201、三轴加速度传感器202、气压传感器203、卫星电路204、人员携带端蓝牙电路205、ZigBee无线传感器206、人员携带端4G电路207、声光报警器208、温湿度传感器209、摄像头210、语音通讯电路211、无线数传通讯电路212、防护投影眼镜213、气体传感器214、核心处理电路215和人员携带端电源216；

所述核心处理电路215与所述三轴陀螺201、三轴加速度传感器202、气压传感器203、卫星电路204、人员携带端蓝牙电路205、ZigBee无线传感器206、人员携带端4G电路207、声光报警器208、温湿度传感器209、摄像头210、语音通讯电路211、无线数传通讯电路212、防护投影眼镜213、气体传感器214分别双向连接，处理相关采集数据；

所述人员携带端电源216的对外供电接口与所述核心处理电路215的供电输入端接口连接，为所述人员携带装置2提供电源。

进一步地，所述中继装置3包括：中继端4G电路31、中继端无线数传通讯电路32、通讯转换电路33和中继电源34；所述中继端4G电路31、中继端无线数传通讯电路32和所述通讯转换电路33双向连接；

所述中继端4G电路31为所述人员携带装置2和所述指挥装置4的4G通讯提供中继信号；

所述中继端无线数传通讯电路32为所述人员携带装置2和所述指挥装置4的无线数传通讯提供中继信号；

所述通讯转换电路33控制所述中继装置3在4G和无线数传两种通讯模式下切换；

所述中继电源34对外供电接口与所述通讯转换电路33的供电输入端接口连接，为所述中继装置3提供电源。

进一步地，所述指挥装置4包括：指挥端蓝牙电路41、指挥端无线数传通讯电路42、指挥端4G电路43和指挥平台44；所述指挥端蓝牙电路41、所述指挥端无线数传通讯电路42和所述指挥端4G电路43分别与所述指挥平台44双向连接。

所述指挥端无线数传通讯电路42可与所述人员携带装置2的无线数传通讯电路212建立无线数传通讯链路，也可与所述所述中继装置3的中继端无线数传通讯电路32建立无线数传中继通讯链路；

所述指挥端4G电路43可与所述人员携带装置2的人员携带端4G电路207建立4G通讯链路，也可与所述所述中继装置3的中继端4G电路31建立4G中继通讯链路；

所述指挥平台44根据所述人员携带装置2传输来的数据信息，对消防员进行室内自主定位，并对消防员的状态进行监测；

所述指挥端蓝牙电路41可与具有蓝牙系统的显示设备进行连接，将所述系统监测到的消防员位置信息和状态信息进行显示。

进一步地，当所述人员携带端4G电路207和无线数传通讯电路212通讯状态均为异常时，所述人员携带装置4会通过声光报警的方式提醒消防员在现场安放所述中继装置3；所述中继装置3安装后，所述人员携带装置2的核心处理电路215检测所述人员携带端4G电路207和无线数传通讯电路212的状态，当所述人员携带端4G电路207通讯状态正常时，所述核心处理电路215通过所述人员携带端4G电路215将处理后数据及人员携带装置编号一并传送给所述中继端4G电路31，并自动判断通讯状态是否正常；当人员携带端4G电路207通讯状态异常时，所述无线数传通讯电路212将处理后的数据及人员携带装置编号一并传送给所述中继端无线数传通讯电路32；

所述中继装置3接收到数据后，会通过所述中继端4G电路31、所述中继端无线数传通讯电路32与所述指挥装置4建立通讯联系，同时，所述中继装置3会不断检测所述中继端4G电路31、所述中继端无线数传通讯电路32状态，在某一链路不通的状态下，通过通讯转换电路进行通道切换，切换到另一通讯链路发送。

进一步地，当所述人员携带装置2无法直接或通过中继与所述指挥装置4建立了通讯链路时，所述人员携带装置2会采用互为中继模式，无法通讯的人员携带装置2会将信息转发给周围的所述人员携带装置2，由其它所述人员携带装置2将该人员携带装置的信息发送给所述指挥装置4。一旦所述人员携带装置2通过周围某一所述人员携带装置2建立与所述指挥装置4的通讯联系后，该所述人员携带装置2就固定与某一人员携带装置通讯，而不在将信息发送给其它人员携带装置，直至所述人员携带装置2通过中继或直接与所述指挥装置4建立了通讯链路或某一人员携带装置也无法与指挥装置通讯。

进一步地，当所述人员携带装置2的卫星电路204无法定位，则由所述ZigBee无线传感器206向外发送信标信号与周围人员携带的ZigBee无线传感器进行通讯，所述人员携带装置2接收到外部发送来的功率值和编号后，所述核心处理电路215分别采集外部发送来的功率值和编号，以及三轴陀螺201、三轴加速度传感器202、气压传感器203、人员携带端蓝牙电路205、声光报警器208、温湿度传感器209、气体传感器214、摄像头210的数据，并进行编码处理；编码处理完成后，将处理后的数据及人员携带装置编号一并传送给所述指挥装置4；所述指挥装置4依据之前使用的地图数据库信息和上一时刻人员位置，结合所述三轴陀螺201、三轴加速度传感器202信息和气压传感器203的高度信息进行航位推算及RSSI场强定位方法对所述人员携带装置2进行地图匹配定位，将人员携带装置的位置标识在地图上。

进一步地，当消防员面对难以解决的状况时，消防员可通过所述人员携带装置2手动发出报警信息。当消防员出现意外跌倒或长期站立情况时，所述人员携带装置2会感知消防员的状态变化而自动发出报警信息，同时所述人员携带装置2启动所述声光报警器208，声音和闪光会持续进行，直至人员主动关闭所述声光报警器208。所述指挥装置4通过人员编码确定具体的报警消防员及位置，并通过所述语音通讯电路211和报警消防员进行确认。所述指挥装置4通过语音引导指挥地图上与报警人员较为接近的其他人员靠近报警人员，报警人员自动感应周围搜救人员的位置信息，当报警人员的所述人员携带装置2感受到其它人员携带装置靠近时，人员携带装置触发所述声光报警器208自动发出最大声响和最大光亮，直至进行有效救助。所述指挥装置4能够选择性的呈现报警人员的运动轨迹，在消防员救助过程中，所述指挥装置1会根据消防员发生危险的具体位置、楼宇三维模型、危险区域及逃生通道信息，自动规划出一条安全、快速的救助返回路线，并通过语音的方式告知救援的人员，引导救援人员返回，以利于紧急情况发生后的快速救助。

进一步地，在指挥人员需要获取所述人员携带装置2周围的实际环境时，所述指挥装置4向所述人员携带装置2发送环境获取命令，所述人员携带装置2启动所述摄像头210工作，并通过语音通讯的方式使所述人员携带装置2将所述摄像头210对准特定位置，图像通过所述人员携带端4G电路207或所述无线数传通讯电路212传送给所述指挥装置4。

进一步地，本发明的一种消防员室内自主定位及状态监测方法，包括以下步骤：

S1、在提前准备阶段，将所述人员体征感知装置(1)分发给每位消防员，所述人员体征感知装置(1)根据所对应的消防员进行人员编码区分；

S2、在消防救援之前的准备阶段，所述人员体征感知装置(1)和所述人员携带装置(2)进行匹配，匹配完成后，所述人员携带装置(2)向所述指挥装置(4)传输进入救援现场的消防员的相关信息；所述指挥装置(4)根据所了解的救援位置和楼宇内部构造计算出一条最佳路径；

S3、在火灾发生现场救灾阶段，所述指挥装置(4)将所述人员携带装置(2)的位置标识在地图上；定时接收所述人员携带装置2传输的数据，推算和修正人员的运动状态；

在消防员面对难以解决的状况时，消防员通过所述人员携带装置(2)手动发出报警信息给所述指挥装置(4)，所述指挥装置(4)协助指挥员快速组织救援，以利于紧急情况发生后的快速救助；

当指挥人员需要获取所述人员携带装置(2)周围的实际环境时，指挥人员通过所述指挥装置(4)获取所述人员携带装置(2)周围的实际环境信息。

本发明有益效果如下：

本发明采用多传感器相结合的方式实现室内外全方位的集群定位指挥，在有卫星的状态下以卫星结合地图匹配的方式进行定位，采用三轴陀螺和三轴加速度传感器感知运动状态信息，同时卫星的信息可用于辅助修正三轴陀螺及三轴加速度传感器的误差。在没有卫星的状态下以三轴陀螺、三轴加速度传感器信息和气压传感器的高度信息进行航位推算及RSSI场强定位方法的方式进行地图匹配定位。在人员进入室内时，可通过调用已有楼宇的三维模型或建立建议楼宇三位模型的方式开展定位。当需要到达某一具体目标时或人员遇到困难时，指挥装置通过人员的相对位置、人员运行的路径等参考信息指挥人员达到目标或进行救助。同时，指挥装置可远程控制人员携带装置的摄像头，详细观察人员携带装置周围的环境，以供指挥人员决策。本发明有效解决了人员集体行动时人员定位、状态监测和指挥的问题。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为消防员室内自主定位及状态监测系统结构示意图

图2为人员体征感知装置组成示意图

图3为人员携带装置组成示意图

图4为中继装置组成示意图

图5为指挥装置组成示意图

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

一种消防员室内自主定位及状态监测系统，如图1所示，包括：人员体征感知装置1、人员携带装置2、中继装置3和指挥装置4。

所述人员体征感知装置1与所述人员携带装置2通过蓝牙系统建立双向连接；所述人员携带装置2与所述指挥装置4通过4G或无线数传通讯进行双向连接建立通讯链路，所述指挥装置4接收到所述人员携带装置2传输的数据后，进行数据处理；在4G或无线数传通讯异常时，所述中继装置3与所述人员携带装置2和所述指挥装置4两两双向连接建立通讯链路，通过中继的方式使所述人员携带装置2和指挥装置4建立正常的通讯联系；当所述人员携带装置2在无法直接或通过所述中继装置3与所述指挥装置4建立通讯链路时，所述人员携带装置2可采用互为中继模式，将信息转发给周围的人员携带装置2，由所述周围的人员携带装置2直接或通过所述中继装置3将所述人员携带装置2的信息发送给所述指挥装置4。

如图2所示，所述人员体征感知装置1包括：心率传感器11、血氧含量传感器12、体征感知端蓝牙电路13和体征感知端电源14。所述心率传感器11采集携带所述人员体征感知装置1的消防员的心率信息，所述血氧含量传感器12采集所述消防员的血氧含量信息。所述心率传感器11和所述血氧含量传感器12的输出端分别与所述体征感知端蓝牙电路13的输入端通过导线连接；所述体征感知端电源14与所述体征感知端蓝牙电路13的供电接口通过导线连接；所述体征感知端蓝牙电路13通过蓝牙信号与所述人员携带装置2通讯。

如图3所示，所述人员携带装置2包括：三轴陀螺201、三轴加速度传感器202、气压传感器203、卫星电路204、人员携带端蓝牙电路205、ZigBee无线传感器206、人员携带端4G电路207、声光报警器208、温湿度传感器209、摄像头210、语音通讯电路211、无线数传通讯电路212、防护投影眼镜213、气体传感器214、核心处理电路215和人员携带端电源216；

人员携带装置中，三轴陀螺201、三轴加速度传感器202、气压传感器203、卫星电路204、人员携带端蓝牙电路205、ZigBee无线传感器206、人员携带端4G电路207、声光报警器208、温湿度传感器209、摄像头210、语音通讯电路211、无线数传通讯电路212、防护投影眼镜213、气体传感器214分别与核心处理电路215双向连接，人员携带端电源216的对外供电接口与所述核心处理电路215的供电输入端接口连接。

如图4所示，所述中继装置3包括：中继端4G电路31、中继端无线数传通讯电路32、通讯转换电路33和中继电源34；所述中继端4G电路31、中继端无线数传通讯电路32和所述通讯转换电路33双向连接，所述中继电源34对外供电接口与所述通讯转换电路33的供电输入端接口连接。

如图5所示，所述指挥装置4包括：指挥端蓝牙电路41、指挥端无线数传通讯电路42、指挥端4G电路43和指挥平台44，所述指挥端蓝牙电路41、所述指挥端无线数传通讯电路42和所述指挥端4G电路43分别与所述指挥平台44双向连接。

所述消防员室内自主定位及状态监测系统的工作过程包括提前准备工作，在消防救援之前的准备工作，和火灾现场监测几个阶段。

提前准备阶段。在该阶段，将所述人员体征感知装置1分发给每位消防员，所述人员体征感知装置1根据所对应的消防员进行人员编码区分，所述人员编码包括消防员的个人信息包括姓名、性别、年龄、身高、血压以及单位信息包括总队、支队、中队，每个所述人员体征感知装置1随消防员携带且人员编码唯一。

在消防救援之前的准备阶段。所述指挥装置4通过调用救援现场楼宇信息，及时了解楼宇具体位置、楼宇内部简单构造、救援具体位置和大概的救援对象信息，对救援目标产生直观了解。同时，指挥员根据现场环境进行救援部署，所述指挥装置4会根据救援的位置和楼宇内部简单构造计算出一条最佳路径，帮助消防员提升救援效率和保障安全。

所述人员体征感知装置1和所述人员携带装置2通过所述体征感知端蓝牙电路13与所述人员携带端蓝牙电路205进行自动匹配将进入救援现场的消防员信息传输到所述指挥装置4完成指挥员对消防员信息的了解。

匹配完成后，所述人员体征感知装置1的体征感知端蓝牙电路13首先将人员编码发送给对应的人员携带装置205。所述人员携带端蓝牙电路205接收到人员编码后，将信息发送给所述核心处理电路215。所述核心处理电路215通过所述人员携带端4G电路207与所述指挥端4G电路43，将人员编号传送给所述指挥装置4，并自动判断通讯状态是否正常；当人员携带端4G电路通讯状态异常时，所述无线数传通讯电路212与指挥端无线数传通讯电路42建立通信，将人员编码传送给所述指挥装置4。所述指挥装置4接收到人员编码后，与指挥装置数据库中的人员信息进行匹配，进行显示；指挥员了解进入救援现场的消防员信息，包括该消防员参加救援的次数、每次救援的综合表现和身体数据，同时判断这些消防员是否适合本次救援。

所述消防员室内自主定位及状态监测系统工作时，所述人员体征感知装置1的心率传感器11和血氧含量传感器12将感知到的人体心率和血氧含量发送给所述体征感知端蓝牙电路13，所述体征感知端蓝牙电路13将心率和血氧含量信息编码后发送给对应的人员携带装置2。所述人员携带端蓝牙电路205接收到心率和血氧含量信息及外部空呼系统传来的空呼的使用时间、空呼氧气量，并将信息发送给所述核心处理电路215。同时，所述核心处理电路215分别采集所述三轴陀螺201、三轴加速度传感器202、气压传感器203、卫星电路204、人员携带端蓝牙电路205、声光报警器208、温湿度传感器209、气体传感器214、摄像头210的数据，并进行编码处理。编码处理完成后，所述核心处理电路215检测人员携带端4G电路206和无线数传通讯电路212的状态，当人员携带端4G电路206通讯状态正常时，所述核心处理电路215通过人员携带端4G电路206将处理后数据及人员携带装置编号一并传送给所述指挥装置4，并自动判断通讯状态是否正常；当人员携带端4G电路206通讯状态异常时，所述无线数传通讯电路212将处理后的数据及人员携带装置编号一并传送给所述指挥装置4。

在火灾发生现场救援阶段。所述指挥装置4可以将所述人员携带装置2的位置标识在地图上；定时接收到所述人员携带装置2传输的数据，推算和修正人员的运动状态。

在地图上标记人员位置。所述指挥装置4接收到人员携带装置2传输的数据后，进行数据处理。在所述卫星电路204和卫星定位电路状态正常的情况下，所述指挥装置4调用自身地图数据库信息，结合所述卫星电路204的位置信息和所述气压传感器203的高度信息进行地图匹配，将所述人员携带装置2的位置标识在地图上。同时，所述指挥装置4实时利用卫星电路和卫星定位电路进行差分定位，不断修正人员携带装置和指挥装置在地图上的位置。

推算和修正人员的运动状态信息。所述指挥装置4通过解算三轴陀螺201和三轴加速度传感器202的数据并结合人体运动模态分析，推算出人员的运动状态信息，包括：行走、上楼、下楼、卧倒、停止。同时，指挥装置将人员编码、温湿度传感器信息、心率和血氧含量信息、运动状态信息作为人员的状态信息进行显示。在进行数据及状态显示的同时，指挥装置依据卫星电路数据结合三轴陀螺和三轴加速度传感器误差模型，对所述三轴陀螺201和所述三轴加速度传感器202的误差进行估计，进而修正所述三轴陀螺201和所述三轴加速度传感器202的误差。人员在行进中，所述指挥装置4定时接收到人员携带装置传输的数据，并不断更新人员的位置和状态信息，同时修正所述三轴陀螺201和三轴加速度传感器202的误差。

将所述位置标识在具体的楼层地图上。消防员进入楼宇时，所述指挥装置4根据所述人员携带装置2的位置在自身地图数据库中自动调用所在位置楼宇的已有三维模型，在所述指挥装置4的界面上呈现楼宇的楼宇的已有三维模型，三维模型包括楼宇结构、安全通道、行走通道、逃生通道、功能区域、标记消防设备以及危险区域，然后所述指挥装置4结合所述人员携带装置2的三轴陀螺201、三轴加速度传感器信息202和气压传感器203的高度信息进行航位推算及RSSI场强定位方法开展楼宇地图匹配，将所述人员携带装置2的位置标识在具体的楼层地图上。当所述指挥装置4在自身地图数据库中没有所要进入楼宇的三维模型，则所述指挥装置4依据地图上所述人员携带装置2所在位置楼宇的外形及高度信息，快速建立楼宇的简易三维模型，然后所述指挥装置4结合所述人员携带装置2的三轴陀螺201的位置信息、三轴加速度传感器202的加速度信息和气压传感器203的高度信息进行航位推算及RSSI场强定位方法开展楼宇地图匹配，将携带端的位置标识在具体的楼层地图上，同时，根据人员的轨迹逐步完善楼梯的台阶、位置和高度。同时，所述指挥装置4将人员携带装置编号、温湿度传感器信息、心率和血氧含量信息作为人员的状态信息进行显示。

对误差数据进行补偿。所述指挥装置4在显示消防员状态信息时，根据多个消防员行走的轨迹、消防员运动的状态和相对位置、楼宇结构，以及RSSI场强定位数据，判断所述人员携带端2的导航数据是否存在明显误差。若存在明显误差，所述指挥装置4在进行轨迹修正的同时，会向该所述人员携带装置2发送命令，索取所述三轴陀螺201、所述三轴加速度传感器201、所述气压传感器203的原始数据。根据导航误差模型在综合判断，进行误差定位，从而对所述三轴陀螺201、所述三轴加速度传感器201、所述气压传感器203的数据进行补偿，以保障人员携带装置的状态。

危险区域预警。所述指挥装置4根据所述温湿度传感器209和气体传感器214数据，在楼宇三维模型的基础上建立温湿度、氧气和危险气体立体防范区，对不适合人员前往或可能发生毒气危险的地方进行预警提示。同时，指挥人员会根据消防员反馈的信息对楼宇三维模型进行修正，对于坍塌或损坏的区域进行明显标识。

消防员人身危险预警。所述指挥装置4会根据每个消防员的心率和血氧含量信息、运动状态信息适时分析判断消防员的身体状态变化趋势，结合该人员数据库中的身体数据，综合判断消防员是否会有明显的不适应、可能会发生什么异常情况、还能够在相同负荷下的工作时间，结合后续救援工作综合判断是否会能够可靠完成接下来的救援任务，并对消防员和指挥人员予以提醒。

消防员在行进中，所述人员携带装置2会不断检测人员携带端4G电路207及无线数传通讯电路212通讯状态，若所述人员携带端4G电路207和无线数传通讯电路212通讯状态均为异常，所述人员携带装置4会通过声光报警的方式提醒消防员在现场安放所述中继装置3。所述中继装置3安装后，所述人员携带装置2的核心处理电路215检测所述人员携带端4G电路207和无线数传通讯电路212的状态，当所述人员携带端4G电路207通讯状态正常时，所述核心处理电路215通过所述人员携带端4G电路215将处理后数据及人员携带装置编号一并传送给所述中继端4G电路31，并自动判断通讯状态是否正常；当人员携带端4G电路207通讯状态异常时，所述无线数传通讯电路212将处理后的数据及人员携带装置编号一并传送给所述中继端无线数传通讯电路32。

所述中继装置3接收到数据后，会通过所述中继端4G电路31、所述中继端无线数传通讯电路32与所述指挥装置4建立通讯联系，同时，所述中继装置3会不断检测所述中继端4G电路31、所述中继端无线数传通讯电路32状态，在某一链路不通的状态下，通过通讯转换电路进行通道切换，切换到另一通讯链路发送。

若所述人员携带装置2无法直接或通过中继与所述指挥装置4建立了通讯链路时，所述人员携带装置2会采用互为中继模式，无法通讯的人员携带装置2会将信息转发给周围的所述人员携带装置2，由其它所述人员携带装置2将该人员携带装置的信息发送给所述指挥装置4。一旦所述人员携带装置2通过周围某一所述人员携带装置2建立与所述指挥装置4的通讯联系后，该所述人员携带装置2就固定与某一人员携带装置通讯，而不在将信息发送给其它人员携带装置，直至所述人员携带装置2通过中继或直接与所述指挥装置4建立了通讯链路或某一人员携带装置也无法与指挥装置通讯。

消防员在行进中，若所述人员携带装置2的卫星电路204无法定位，则由所述ZigBee无线传感器206向外发送信标信号，周围人员携带的ZigBee无线传感器接收到信标信号后，获取定位信标信号的功率值，并将功率值和对应人员携带装置的编号返回给所述人员携带装置2。所述人员携带装置2接收到外部发送来的功率值和编号后，所述核心处理电路215分别采集外部发送来的功率值和编号，以及三轴陀螺201、三轴加速度传感器202、气压传感器203、人员携带端蓝牙电路205、声光报警器208、温湿度传感器209、气体传感器214、摄像头210的数据，并进行编码处理。编码处理完成后，所述核心处理电路215检测所述人员携带端4G电路207和所述无线数传通讯电路212的状态，当所述人员携带端4G电路207通讯状态正常时，所述核心处理电路215则通过所述人员携带端4G电路207将处理后数据及人员携带装置编号一并传送给所述指挥装置4，当人员携带端4G电路207通讯状态异常时，所述无线数传通讯电路212将处理后的数据及人员携带装置编号一并传送给所述指挥装置4。所述指挥装置4依据之前使用的地图数据库信息和上一时刻人员位置，结合所述三轴陀螺201、三轴加速度传感器202信息和气压传感器203的高度信息进行航位推算及RSSI场强定位方法对所述人员携带装置2进行地图匹配定位，将人员携带装置的位置标识在地图上。同时，所述指挥装置4将人员携带装置编号、温湿度传感器信息、心率和血氧含量信息作为人员的状态信息进行显示。

当消防员面对难以解决的状况时，消防员可通过所述人员携带装置2手动发出报警信息。当消防员出现意外跌倒或长期站立情况时，所述人员携带装置2会感知消防员的状态变化而自动发出报警信息，同时所述人员携带装置2启动所述声光报警器208，声音和闪光会持续进行，直至人员主动关闭所述声光报警器208。所述指挥装置4通过人员编码确定具体的报警消防员及位置，并通过所述语音通讯电路211和报警消防员进行确认。所述指挥装置4通过语音引导指挥地图上与报警人员较为接近的其他人员靠近报警人员，报警人员自动感应周围搜救人员的位置信息，当报警人员的所述人员携带装置2感受到其它人员携带装置靠近时，人员携带装置触发所述声光报警器208自动发出最大声响和最大光亮，直至进行有效救助。所述指挥装置4能够选择性的呈现报警人员的运动轨迹，在消防员救助过程中，所述指挥装置4会根据消防员发生危险的具体位置、楼宇三维模型、危险区域及逃生通道信息，自动规划出一条安全、快速的救助返回路线，并通过语音的方式告知救援的人员，引导救援人员返回，以利于紧急情况发生后的快速救助。

在指挥人员需要获取所述人员携带装置2周围的实际环境时，所述指挥装置4向所述人员携带装置2发送环境获取命令，所述人员携带装置2启动所述摄像头210工作，并通过语音通讯的方式使所述人员携带装置2将所述摄像头210对准特定位置，图像通过所述人员携带端4G电路207或所述无线数传通讯电路212传送给所述指挥装置4。同时，所述指挥装置4远程控制所述摄像头210，将所述摄像头210的拍照模式更改为摄像模式，并调节摄像头的焦距，以便于详细观察人员携带装置周围的环境。图像通过所述人员携带端4G电路207或所述无线数传通讯电路212传送给所述指挥装置4，以供指挥人员决策。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种消防员室内自主定位及状态监测系统，其特征在于：包括人员体征感知装置(1)、人员携带装置(2)、中继装置(3)和指挥装置(4)；

所述人员体征感知装置(1)随消防员携带且编号唯一，采集消防员的心率和血氧含量信息，并将采集到的信息连同其编号一起发送至所述人员携带装置(2)；

所述人员携带装置(2)用于采集消防员的状态数据，并接收所述人员体征感知装置(1)发送来的数据，对所采集及接收的数据进行处理后传送至所述指挥装置(3)；

所述指挥装置(4)对接收到的所述人员携带装置(2)传送的数据进行数据处理，以对消防人员进行室内定位及状态监测；

所述中继装置(3)在所述人员携带装置(2)无法与所述指挥装置(4)建立通讯时，提供中继通讯。

2.根据权利要求1所述消防员室内自主定位及状态监测系统，其特征在于：所述人员体征感知装置(1)包括：心率传感器(11)、血氧含量传感器(12)、体征感知端蓝牙电路(13)和体征感知端电源(14)；

所述心率传感器(11)采集携带所述人员体征感知装置(1)的消防员的心率信息；

所述血氧含量传感器(12)采集所述消防员的血氧含量信息；

所述心率传感器(11)和所述血氧含量传感器(12)的输出端分别与所述体征感知端蓝牙电路(13)的输入端通过导线连接；

所述体征感知端蓝牙电路(13)通过蓝牙信号与所述人员携带装置(2)通讯，传送采集到的所述消防员的心率和血氧含量信息；

所述体征感知端电源(14)与所述体征感知端蓝牙电路(13)的供电接口通过导线连接，为所述人员体征感知装置(1)供电。

3.根据权利要求1所述消防员室内自主定位及状态监测系统，其特征在于：所述人员携带装置(2)包括：三轴陀螺(201)、三轴加速度传感器(202)、气压传感器(203)、卫星电路(204)、人员携带端蓝牙电路(205)、ZigBee无线传感器(206)、人员携带端4G电路(207)、声光报警器(208)、温湿度传感器(209)、摄像头(210)、语音通讯电路(211)、无线数传通讯电路(212)、防护投影眼镜(213)、气体传感器(214)、核心处理电路(215)和人员携带端电源(216)；

所述核心处理电路(215)与所述三轴陀螺(201)、三轴加速度传感器(202)、气压传感器(203)、卫星电路(204)、人员携带端蓝牙电路(205)、ZigBee无线传感器(206)、人员携带端4G电路(207)、声光报警器(208)、温湿度传感器(209)、摄像头(210)、语音通讯电路(211)、无线数传通讯电路(212)、防护投影眼镜(213)、气体传感器(214)分别双向连接，处理相关采集数据；

所述人员携带端电源(216)的对外供电接口与所述核心处理电路(215)的供电输入端接口连接，为所述人员携带装置(2)提供电源。

4.根据权利要求1所述消防员室内自主定位及状态监测系统，其特征在于：所述中继装置(3)包括：中继端4G电路(31)、中继端无线数传通讯电路(32)、通讯转换电路(33)和中继电源(34)；所述中继端4G电路(31)、中继端无线数传通讯电路(32)和所述通讯转换电路(33)双向连接；

所述中继端4G电路(31)为所述人员携带装置(2)和所述指挥装置(4)的4G通讯提供中继信号；

所述中继端无线数传通讯电路(32)为所述人员携带装置(2)和所述指挥装置(4)的无线数传通讯提供中继信号；

所述通讯转换电路(33)控制所述中继装置(3)在4G和无线数传两种通讯模式下切换；

所述中继电源(34)对外供电接口与所述通讯转换电路(33)的供电输入端接口连接，为所述中继装置(3)提供电源。

5.根据权利要求1所述消防员室内自主定位及状态监测系统，其特征在于：所述指挥装置(4)包括：指挥端蓝牙电路(41)、指挥端无线数传通讯电路(42)、指挥端4G电路(43)和指挥平台(44)；所述指挥端蓝牙电路(41)、所述指挥端无线数传通讯电路(42)和所述指挥端4G电路(43)分别与所述指挥平台(44)双向连接。

所述指挥端无线数传通讯电路(42)可与所述人员携带装置(2)的无线数传通讯电路(212)建立无线数传通讯链路，也可与所述所述中继装置(3)的中继端无线数传通讯电路(32)建立无线数传中继通讯链路；

所述指挥端4G电路(43)可与所述人员携带装置(2)的人员携带端4G电路(207)建立4G通讯链路，也可与所述所述中继装置(3)的中继端4G电路(31)建立4G中继通讯链路；

所述指挥平台(44)根据所述人员携带装置(2)传输来的数据信息，对消防员进行室内自主定位，并对消防员的状态进行监测；

所述指挥端蓝牙电路(41)可与具有蓝牙系统的显示设备进行连接，将所述系统监测到的消防员位置信息和状态信息进行显示。

6.根据权利要求1-5任一项所述消防员室内自主定位及状态监测系统，其特征在于：当所述人员携带装置(2)与所述指挥装置(4)的4G或无线数传通讯均为异常时，所述人员携带装置(4)会通过声光报警的方式提醒消防员在现场安放所述中继装置(3)；所述中继装置(3)安装后，会通过所述中继端4G电路(31)、所述中继端无线数传通讯电路(32)与所述人员携带装置(2)和所述指挥装置(4)建立通讯联系，进行中继通讯；所述中继装置(3)不断检测所述中继端4G电路(31)、所述中继端无线数传通讯电路(32)状态，在某一链路不通的状态下，通过通讯转换电路进行通道切换，切换到另一通讯链路发送。

7.根据权利要求6所述消防员室内自主定位及状态监测系统，其特征在于：当所述人员携带装置(2)无法直接或通过中继与所述指挥装置(4)建立通讯链路时，所述人员携带装置(2)采用互为中继模式，无法通讯的人员携带装置(2)将信息转发给周围的人员携带装置(2)，由其它所述人员携带装置(2)将该人员携带装置的信息转发送给所述指挥装置(4)；一旦所述人员携带装置(2)通过周围某一所述人员携带装置(2)建立与所述指挥装置(4)的通讯联系后，该所述人员携带装置(2)就固定与某一人员携带装置通讯，而不在将信息发送给其它人员携带装置，直至所述人员携带装置(2)通过中继或直接与所述指挥装置(4)建立了通讯链路或某一人员携带装置也无法与指挥装置通讯。

8.根据权利要求7所述消防员室内自主定位及状态监测系统，其特征在于：当所述人员携带装置(2)的卫星电路(204)无法定位，则由所述ZigBee无线传感器(206)向外发送信标信号与周围人员携带的ZigBee无线传感器进行通讯的方式获得位置信息。

9.根据权利要求7所述消防员室内自主定位及状态监测系统，其特征在于：当消防员面对难以解决的状况时，消防员通过所述人员携带装置(2)手动向所述指挥装置(4)发出报警信息；当指挥人员需要获取所述人员携带装置(2)周围的实际环境时，指挥人员通过所述指挥装置(4)获取所述人员携带装置(2)周围的实际环境信息。

10.一种利用上述权利要求1-5或7-9之一系统的消防员室内自主定位及状态监测方法，包括以下步骤：

S1、在提前准备阶段，将所述人员体征感知装置(1)分发给每位消防员，所述人员体征感知装置(1)根据所对应的消防员进行人员编码区分；

S2、在消防救援之前的准备阶段，所述人员体征感知装置(1)和所述人员携带装置(2)进行匹配，匹配完成后，所述人员携带装置(2)向所述指挥装置(4)传输进入救援现场的消防员的相关信息；所述指挥装置(4)根据所了解的救援位置和楼宇内部构造计算出一条最佳路径；

S3、在火灾发生现场救灾阶段，所述指挥装置(4)将所述人员携带装置(2)的位置标识在地图上；定时接收所述人员携带装置2传输的数据，推算和修正人员的运动状态；

在消防员面对难以解决的状况时，消防员通过所述人员携带装置(2)手动发出报警信息给所述指挥装置(4)，所述指挥装置(4)协助指挥员快速组织救援，以利于紧急情况发生后的快速救助；

当指挥人员需要获取所述人员携带装置(2)周围的实际环境时，指挥人员通过所述指挥装置(4)获取所述人员携带装置(2)周围的实际环境信息。