CN205028419U - 基于uwb的消防人员安全定位系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及消防安全以及UWB无线传感网络技术领域，公开了一种基于UWB的消防人员安全定位系统,包括在建筑物每个房间中设置的若干个子锚节点和一个主锚节点、定位手环、路由器和指挥中心。本实用新型使消防指挥中心能够了解消防人员在发生火灾的建筑物内的实时位置信息，根据其实时位置信息判断消防员是否发生险情。同时对于发生火灾建筑的实时火情进行实时掌握，防止消防人员进入危险性较大的区域而发生危险。

Description

基于UWB的消防人员安全定位系统

技术领域

本实用新型涉及消防安全以及UWB无线传感网络技术领域，特别是一种基于UWB的消防人员安全定位系统。

背景技术

随着城市化的进一步推进，我国的城市高层建筑以及大型娱乐场所不断增加，火灾隐患也随之大大增加，对于关乎到人民群众生命财产安全的消防安全系统的要求也日益提高。当建筑内发生火灾时，往往需要消防人员进入楼宇内部进行火情的控制。

在现有的消防系统中，消防员进入发生火灾的建筑后，往往会由于火情引起的烟雾而造成人员能见度差，无法辨认自身所处的位置，有可能误入火情危险的区域而对消防人员的人身安全造成威胁。若发生消防人员因为高温或者火灾产生的烟雾而晕倒时，更需要对消防人员在火灾中的实时位置信息以及人员动作信息进行采集，保证消防员的人身安全。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提出了一种基于UWB的消防人员安全定位系统，使指挥中心根据实时位置信息判断消防员是否发生险情，同时对于发生火灾建筑的实时火情进行实时掌握，防止消防人员进入危险性较大的区域而发生危险。

本实用新型采取的技术方案是：

一种基于UWB的消防人员安全定位系统，其特征是，包括在建筑物每个房间中设置的若干个子锚节点和一个主锚节点、定位手环、路由器和指挥中心，所述路由器通过网络连接至所述指挥中心，所述主锚节点通过所述路由器连接到所述网络，所述子锚节点连接至所述主锚节点，所述手环与所述子锚节点之间通过UWB通信连接，所述子锚节点监测房间中的火情信息以及所述定位手环的位置信息传送至所述主锚节点，所述主锚节点将上述信息通过路由器传送至所述指挥中心，所述指挥中心将信息处理判断后，通过所述主锚节点和子锚节点反馈给所述定位手环。

进一步，所述的定位手环包含手环MCU、手环电源模块、手环UWB模块和警示模块，所述手环UWB模块和警示模块连接至所述手环MCU，所述手环UWB模块通过UWB无线通信实现所述定位手环的定位以及与各个子锚节点的数据通信。

进一步，所述定位手环还包括射频天线模块，所述射频天线模块连接所述手环UWB模块，使所述手环UWB模块的无线信号加强。

进一步，所述警示模块包括LED指示灯、振动电机和蜂鸣器。

进一步，所述的主锚节点主要包含主锚MCU、主锚电源模块、主锚UWB模块、网络模块、感烟传感器、感温传感器、AD模块，所述主锚UWB模块、网络模块、感烟传感器、感温传感器和AD模块连接所述主锚MCU，所述感烟传感器、感温传感器监测所述主锚节点附近的烟度和温度信息，所述AD模块将所述烟度和温度信息转换成数字信号，所述主锚MCU将所述数字信号通过所述网络模块与所述指挥中心进行数据通信。

进一步，所述的子锚节点主要包含子锚MCU、子锚电源模块、子锚UWB模块、感烟传感器、感温传感器、AD模块，所述子锚UWB模块、感烟传感器、感温传感器和AD模块连接所述子锚MCU，所述感烟传感器、感温传感器监测所述子锚节点附近的烟度和温度信息，所述AD模块将所述烟度和温度信息转换成数字信号，所述子锚MCU将所述数字信号通过子锚UWB模块发送至所述主锚MCU。

进一步，所述主锚节点包含GPRS模块，所述主锚节点和子锚节点均包含备用电源模块。

进一步，所述路由器位于建筑物内，所述路由器将所述建筑物内多个房间中的主锚节点接入所述网络。

进一步，所述指挥中心包括了服务器和监控主机，所述服务器负责接收各主锚节点上传的火情信息以及手环定位信息并进行分析，通过所述监控主机进行火情信息进行可视化预警处理。

本实用新型的有益效果是：

（1）采用UWB节点进行消防人员的定位，精度高，能够判断消防员在房间中的具体位置信息；且能够进一步根据其位置是否长时间未变化而判断人员是否发生晕倒等险情，进一步保障消防人员的安全；

（2）实现了人员定位与火情感知的结合。UWB锚节点在作为定位方式使用的同时，在其硬件模块中添加感温以及感烟传感器，使各UWB锚节点能够获取火灾信息，判断其危险程度，若过于危险，不适合消防员进入，则通过消防手环的振动马达以及蜂鸣器提醒消防员危险，不仅实现了人员定位，也实现了危险的预警；

（3）结合楼宇的模型，通过各锚节点采集到的消防数据，获取该建筑各房间各主要位置的火情信息，对于该建筑内的火情信息能够进行总体上的了解，通过这种方式，能够实现对消防人员进行合理安全引导，防止其进入火情高危区域；

（4）各UWB锚节点均采用了完善的备用方案来应对火灾出现时的各种故障情况。此用备用电源以及多种网络通信模式，大幅提高了系统的可用性以及可靠性，进一步保障了火灾情况下人员的安全。

附图说明

附图1为消防定位手环的硬件模块图；

附图2为UWB主锚节点的硬件模块图；

附图3为UWB子锚节点的硬件模块图；

附图4为系统总体结构图；

附图5为系统流程图。

具体实施方式

下面对本实用新型基于UWB的消防人员安全定位系统的具体实施方式作详细说明。

UWB（UltraWideband）是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。UWB技术的脉冲式的数据传输方式，在时间上具有极高的分辨力，能够较好的适用于高精度的定位。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，UWB能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率。UWB的抗干扰性能强，传输速率高，系统容量大发送功率非常小。UWB系统发射功率非常小，通信设备可以用小于1mW的发射功率就能实现通信。低发射功率大大延长系统电源工作时间。而且，发射功率小，其电磁波辐射对人体的影响也会很小，应用面就广。

基于UWB的消防人员安全定位系统包括消防员所携带消防定位手环、UWB主锚节点、UWB子锚节点、路由器以及消防指挥中心。所述消防定位手环携带于消防员的手腕上；所述UWB主锚节点以及UWB子锚节点均位于建筑的房间中，每一个房间的四周均布置UWB锚节点，用于监测房间的火情信息以及对进入房间的消防员进行定位，每个房间中布置三个UWB子锚节点以及一个UWB主锚节点；所述路由器将UWB主锚节点接入网络，并能够通过因特网进行消防数据以及人员定位数据的上传；所述消防指挥中心为远程的消防数据中心，设有服务器以及监控主机。

消防定位手环主要包含MCU、电源模块、LED指示灯、UWB模块、射频天线模块、振动电机、蜂鸣器等。MCU微处理器能够用于控制其他各模块的运行以及数据处理等任务；电源模块则可采用锂电池的方式给定位手环进行供电；LED指示灯显示当前的电池电量信息以及系统工作状态，若系统正常工作，且无火情报警信息，则显示绿色，若进入火情危险区域，则显示橙色，若电池电量不足，则显示红色。UWB模块负责UWB的无线通信，以实现与各UWB锚节点的数据通信以及用于实现定位的距离测量；射频天线模块用于加强UWB的无线信号强度，保证无线信号的强度及稳定性；振动电机以及蜂鸣器主要用于在进入危险火情区域时通知消防员。

UWB主锚节点主要包含MCU、电源模块、备用电源、UWB模块、射频天线模块、网络模块、GPRS模块、感烟传感器、感温传感器、AD模块等。其MCU微处理器能够用于控制其他各模块的运行以及数据处理等任务；电源模块则采用有线的方式进行供电；备用电池采用锂电池供电，能够在火灾之后外部电源断电的情况下进行供电，保证锚节点的可靠性；UWB模块负责UWB的无线通信，以实现与各UWB锚节点及定位手环之间的数据通信以及用于实现定位手环定位的距离测量；射频天线模块用于加强UWB的无线信号强度，保证无线信号的强度及稳定性；网络模块为UWB主锚节点与消防指挥中心设备进行网络通信的接口，能够实现TCP/IP通信，将消防数据以及定位数据进行上传；同样为了保证设备的可靠性，采用备用的GPRS模块，当网络故障发生之后，采用无线的GPRS的方式上传火情数据；感烟传感器用于监测该UWB附近的烟度信息；感温传感器用于监测该UWB节点的温度信息；AD模块用以实现AD转换，将各传感器采集的模拟信号转化为数字信号提供给MCU。

UWB子锚节点在UWB主锚节点的基础上，减少了网络模块以及GPRS模块，不需要进行网络通信，仅需通过UWB模块通过UWB信号将数据发送至UWB主锚节点。

路由器位于消防建筑内，负责将各UWB主锚节点接入网络，实现各UWB主锚节点的数据的上传。

消防指挥中心包括了服务器以及监控主机。服务器负责接收各UWB主锚节点上传的消防火情信息以及人员定位信息，并进行处理存储，采用人员定位算法，确定人员的位置，并在预先建立的模型中可视化显示其实时位置，同时对于各UWB主锚节点上传的火情危险信息报警处理。

本实用新型提出的一种基于UWB的消防安全定位系统，其具体步骤如下：

（1）布设在房间四周的三个UWB子锚节点以及一个UWB主锚节点定时（每一分钟）采集周围的温度以及烟度数据；

（2）房间内各UWB锚节点同时检测是否收到定位手环所发出的UWB信号，若收到信号则判断有人进入该房间，并根据该UWB信号进行人员的距离检测。各UWB子锚节点将距离数据发送至UWB主锚节点进行汇总；

（3）在（1）总完成了各UWB锚节点附近的火情信息采集之后，各UWB锚节点分别判断其烟度以及温度数据是否超过了第一阀值（判断是否发生火灾的各传感器阀值）；

若不超过第一阀值，则各UWB子锚节点将各传感器数据发至UWB主锚节点进行汇总上传；

若超过第一阀值，则进一步判断是否超过第二阀值（判断火情是否适合消防人员进入房间）；

若不超过第二阀值，生成第一报警信息（即判断发生了火灾），则各UWB子锚节点向UWB主锚节点进行消防传感数据以及报警信息的汇总；

若超过第二阀值，则根据（2）中的判断结果获知是否有人员进入；

若无人员进入，则直接生成第二报警信息（即判断该房间不适合消防人员进入），并且则各UWB子锚节点向UWB主锚节点进行消防传感数据以及报警信息的汇总；

若有人员进入，则向定位手环UWB模块发送报警信息，使其振动马达以及蜂鸣器工作，警告消防人员该房间存在危险，不适合消防人员进入，并发出第三报警信息（即判断判断该房间不适合消防人员进入且有消防员已进入），并且各UWB子锚节点向UWB主锚节点进行消防传感数据以及报警信息的汇总；

（4）UWB主锚节点将上述的各锚节点与消防人员的距离信息、传感器所采集的消防数据以及生成的报警信息进行汇总，并通过Internet进行数据的上传；

（5）消防指挥中心接收到各个房间的UWB锚节点的数据之后，首先根据数据获取是否有报警信息；若发现报警信息，则进行报警信息的处理，主要包括了与119消防部门的对接，上报各类型的报警信息，之后对上传的消防人员距离信息进行处理，通过三点定位算法，确定其在该房间内的具体位置信息，并结合预先建立的建筑模型，显示人员的位置信息以及消防传感器的各数据信息；

（6）根据获取的人员定位信息以及各房间的报警信息、消防数据信息，判断进入各房间的消防员是否安全，若不安全，则通过无线电进行联系，警告。结合人员的定位信息，若消防指挥中心监测到消防员的位置信息在一分钟以内没有任何变动，则发出紧急报警，进行紧急救援，防止人员因过热以及烟雾造成的晕倒,而造成生命危险。

下面根据附图对本实用新型作更进一步说明，参见附图1，该图为消防定位手环的硬件模块图。消防定位手环主要包含MCU、电源模块、LED指示灯、UWB模块、射频天线模块、振动电机、蜂鸣器等。MCU微处理器能够用于控制其他各模块的运行以及数据处理等任务；电源模块则可采用锂电池的方式给定位手环进行供电；LED指示灯显示当前的电池电量信息以及系统工作状态，若系统正常工作，且无火情报警信息，则显示绿色，若进入火情危险区域，则显示橙色，若电池电量不足，则显示红色。UWB模块负责UWB的无线通信，以实现与各UWB锚节点的数据通信以及用于实现定位的距离测量；射频天线模块用于加强UWB的无线信号强度，保证无线信号的强度及稳定性；振动电机以及蜂鸣器主要用于在进入危险火情区域时通知消防员。

参见附图2，该图为UWB主锚节点的硬件模块图。UWB主锚节点主要包含MCU、电源模块、备用电源、UWB模块、射频天线模块、网络模块、GPRS模块、感烟传感器、感温传感器、AD模块等。其MCU微处理器能够用于控制其他各模块的运行以及数据处理等任务；电源模块则采用有线的方式进行供电；备用电池采用锂电池供电，能够在火灾之后外部电源断电的情况下进行供电，保证锚节点的可靠性；UWB模块负责UWB的无线通信，以实现与各UWB锚节点及定位手环之间的数据通信以及用于实现定位手环定位的距离测量；射频天线模块用于加强UWB的无线信号强度，保证无线信号的强度及稳定性；网络模块为UWB主锚节点与消防指挥中心设备进行网络通信的接口，能够实现TCP/IP通信，将消防数据以及定位数据进行上传；同样为了保证设备的可靠性，采用备用的GPRS模块，当网络故障发生之后，采用无线的GPRS的方式上传火情数据；感烟传感器用于监测该UWB附近的烟度信息；感温传感器用于监测该UWB节点的温度信息；AD模块用以实现AD转换，将各传感器采集的模拟信号转化为数字信号提供给MCU。

参见附图3，该图为UWB子锚节点的硬件模块图。UWB子锚节点在UWB主锚节点的基础上，减少了网络模块以及GPRS模块，不需要进行网络通信，仅需通过UWB模块通过UWB信号将数据发送至UWB主锚节点。

参见附图4，该图为系统总体结构图。图中画出了某建筑的内部结构，每个房间中均设置有四个UWB锚节点，其中有三个UWB子锚节点以及一个UWB主锚节点。各房间的UWB主锚节点均通过有线的方式接入网络中，并能够通过因特网将数据上传至远程的消防指挥中心。消防指挥中心设有服务器以及监控主机，服务器负责数据的接收处理以及运算，监控主机主要进行各建筑的监控以及处理报警信息等。

参见附图5，为本系统的总体流程图，其主要流程分为以下几个步骤：

（1）布设在房间四周的三个UWB子锚节点以及一个UWB主锚节点定时（每一分钟）采集周围的温度以及烟度数据；

（2）房间内各UWB锚节点同时检测是否收到定位手环所发出的UWB信号，若收到信号则判断有人进入该房间，并根据该UWB信号进行人员的距离检测。各UWB子锚节点将距离数据发送至UWB主锚节点进行汇总；

（3）在（1）总完成了各UWB锚节点附近的火情信息采集之后，各UWB锚节点分别判断其烟度以及温度数据是否超过了第一阀值（判断是否发生火灾的各传感器阀值）；

若不超过第一阀值，则各UWB子锚节点将各传感器数据发至UWB主锚节点进行汇总上传；

若超过第一阀值，则进一步判断是否超过第二阀值（判断火情是否适合消防人员进入房间）；

若不超过第二阀值，生成第一报警信息（即判断发生了火灾），则各UWB子锚节点向UWB主锚节点进行消防传感数据以及报警信息的汇总；

若超过第二阀值，则根据（2）中的判断结果获知是否有人员进入；

若无人员进入，则直接生成第二报警信息（即判断该房间不适合消防人员进入），并且则各UWB子锚节点向UWB主锚节点进行消防传感数据以及报警信息的汇总；

若有人员进入，则向定位手环UWB模块发送报警信息，使其振动马达以及蜂鸣器工作，警告消防人员该房间存在危险，不适合消防人员进入，并发出第三报警信息（即判断判断该房间不适合消防人员进入且有消防员已进入），并且各UWB子锚节点向UWB主锚节点进行消防传感数据以及报警信息的汇总；

（4）UWB主锚节点将上述的各锚节点与消防人员的距离信息、传感器所采集的消防数据以及生成的报警信息进行汇总，并通过Internet进行数据的上传；

（5）消防指挥中心接收到各个房间的UWB锚节点的数据之后，首先根据数据获取是否有报警信息；若发现报警信息，则进行报警信息的处理，主要包括了与119消防部门的对接，上报各类型的报警信息，之后对上传的消防人员距离信息进行处理，通过三点定位算法，确定其在该房间内的具体位置信息，并结合预先建立的建筑模型，显示人员的位置信息以及消防传感器的各数据信息；

（6）根据获取的人员定位信息以及各房间的报警信息、消防数据信息，判断进入各房间的消防员是否安全，若不安全，则通过无线电进行联系，警告。结合人员的定位信息，若消防指挥中心监测到消防员的位置信息在一分钟以内没有任何变动，则发出紧急报警，进行紧急救援，防止人员因过热以及烟雾造成的晕倒。而造成生命危险。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于UWB的消防人员安全定位系统，其特征在于：包括在建筑物每个房间中设置的若干个子锚节点和一个主锚节点、定位手环、路由器和指挥中心，所述路由器通过网络连接至所述指挥中心，所述主锚节点通过所述路由器连接到所述网络，所述子锚节点连接至所述主锚节点，所述手环与所述子锚节点之间通过UWB通信连接，所述子锚节点监测房间中的火情信息以及所述定位手环的位置信息传送至所述主锚节点，所述主锚节点将上述信息通过路由器传送至所述指挥中心，所述指挥中心将信息处理判断后，通过所述主锚节点和子锚节点反馈给所述定位手环。

2.根据权利要求1所述的基于UWB的消防人员安全定位系统，其特征在于：所述的定位手环包含手环MCU、手环电源模块、手环UWB模块和警示模块，所述手环UWB模块和警示模块连接至所述手环MCU，所述手环UWB模块通过UWB无线通信实现所述定位手环的定位以及与各个子锚节点的数据通信。

3.根据权利要求2所述的基于UWB的消防人员安全定位系统，其特征在于：所述定位手环还包括射频天线模块，所述射频天线模块连接所述手环UWB模块，使所述手环UWB模块的无线信号加强。

4.根据权利要求2所述的基于UWB的消防人员安全定位系统，其特征在于：所述警示模块包括LED指示灯、振动电机和蜂鸣器。

5.根据权利要求1所述的基于UWB的消防人员安全定位系统，其特征在于：所述的主锚节点主要包含主锚MCU、主锚电源模块、主锚UWB模块、网络模块、感烟传感器、感温传感器、AD模块，所述主锚UWB模块、网络模块、感烟传感器、感温传感器和AD模块连接所述主锚MCU，所述感烟传感器、感温传感器监测所述主锚节点附近的烟度和温度信息，所述AD模块将所述烟度和温度信息转换成数字信号，所述主锚MCU将所述数字信号通过所述网络模块与所述指挥中心进行数据通信。

6.根据权利要求5所述的基于UWB的消防人员安全定位系统，其特征在于：所述的子锚节点主要包含子锚MCU、子锚电源模块、子锚UWB模块、感烟传感器、感温传感器、AD模块，所述子锚UWB模块、感烟传感器、感温传感器和AD模块连接所述子锚MCU，所述感烟传感器、感温传感器监测所述子锚节点附近的烟度和温度信息，所述AD模块将所述烟度和温度信息转换成数字信号，所述子锚MCU将所述数字信号通过子锚UWB模块发送至所述主锚MCU。

7.根据权利要求5或6所述的基于UWB的消防人员安全定位系统，其特征在于：所述主锚节点包含GPRS模块，所述主锚节点和子锚节点均包含备用电源模块。

8.根据权利要求7所述的基于UWB的消防人员安全定位系统，其特征在于：所述路由器位于建筑物内，所述路由器将所述建筑物内多个房间中的主锚节点接入所述网络。

9.根据权利要求8所述的基于UWB的消防人员安全定位系统，其特征在于：所述指挥中心包括了服务器和监控主机，所述服务器负责接收各主锚节点上传的火情信息以及手环定位信息并进行分析，通过所述监控主机进行火情信息进行可视化预警处理。