CN207235124U - 基于多传感器信息融合的消防员室内定位系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于多传感器信息融合的消防员室内定位系统，主要解决现有技术中利用单一传感器信息对单兵终端进行定位，可靠性低的问题。该系统包括：消防应急灯具单元、单兵终端单元与控制单元，各单元间通过无线连接传输数据；消防应急灯具单元与单兵终端单元中内置无线通信模块获取RSSI数据，从而得到消防员的绝对位置，单兵终端单元的惯性传感器模块获取其相对位置，消防应急灯具中的图像采集模块采集灯具周围的图像信息再次确定位置；全部位置信息上传至控制单元，于PC端显示模块呈现；采用多信息融合的方式实现最终定位。本实用新型将多种方式获取的定位信息融合使用，在确保消防员定位准确的同时，提高了定位数据的可靠性。

Description

基于多传感器信息融合的消防员室内定位系统

技术领域

本实用新型属于通信技术领域，特别涉及一种基于多传感器信息融合的消防员室内定位系统，可用于室内场所中火灾发生时对消防人员进行准确定位。

背景技术

在生活当中，商场、办公楼、住宅楼等室内场所，往往是人员长期密集之处，一旦发生火灾，现场情况通常会十分复杂，即使前期做了足够多的实验，也无法全部预测火灾现场的突发情况。

消防员们工作期间身处火灾现场，由于室内场所在火情发生时，会出现各种无法预料的情况，加之浓烟、高温的出现，一旦消防人员进入建筑物后遭遇危险，若无法准确及时提供自身位置信息，便使得在火灾现场对遇险消防员提供救援变得异常艰难，造成对消防人员自身安全的极大威胁。随着物联网近些年的快速发展，对消防员室内定位的系统方案也越来越多，但大多数系统采用单一的传感器对消防员进行定位，在火灾现场这种极端环境下，采用单一的传感器信息对单兵终端进行定位存在诸多问题，如高温环境下电子器件产生不可预测的漂移，使位置数据可靠性降；更加极端的情况下，例如设备上一个传感器失效，便使得整个定位系统瘫痪，无法得知消防员的位置信息，从而对消防人员的生命造成极大的威胁，因此利用多传感器获取信息实现定位，成为解决室内定位可靠性问题的有效方式。

现有的基于多传感器对消防员进行室内定位的系统，通常采用运动传感器采集信息，并利用惯性导航室内定位技术来判断消防员的运动信息，再结合WIFI的无线接收信号强度值RSSI进一步确定消防员的位置，这种基于多传感器进行定位的系统，相比于采用单一传感器对消防员进行定位的方式，其可靠性确实有所提高，然而，此种多信息融合的定位方案需要建立较多的WIFI基站，从而导致成本较高，且该方案中的传感器数据和RSSI数据受环境影响较大，时常会出现定位不准确的情况，无法应对火灾现场复杂环境带来的诸多不利状况。

发明内容

本实用新型的目的在于针对以上现有技术的不足，提出一种基于多传感器信息融合的消防员室内定位系统，包括：消防应急灯具单元、单兵终端单元与控制单元，各个单元间通过无线连接传输数据；消防应急灯具单元与单兵终端单元中内置无线通信模块，获取RSSI数据从而得到消防员的绝对位置，单兵终端单元的惯性传感器模块获取其相对位置，消防应急灯具中的图像采集模块采集灯具周围的图像信息再次确定位置；上传全部位置信息至控制单元，于控制单元的PC端显示模块呈现；采用多信息融合的方式实现最终定位。本实用新型通过多种方式获取定位信息，进行融合使用，达到在一个传感器失效或某种定位方式采集数据出现较大偏差的时候，系统仍可以正常定位的目的；进一步提高了定位数据的可靠性、准确性，为消防员救灾时的生命安全提供保障。

为达到以上目的，本实用新型提供的系统为：

一种基于多传感器信息融合的消防员室内定位系统，包括消防应急灯具单元、单兵终端单元与控制单元；

消防应急灯具单元包括图像采集模块、灯具微控制器模块、灯具无线通信模块、报警模块和灯具电源模块；该单元通过灯具无线通信模块与外部的单兵终端单元和控制单元无线连接；

单兵终端单元包括惯性传感器模块、生命体征检测模块、气压检测模块、终端微控制器模块、终端无线通信模块和终端电源模块；该单元通过终端无线通信模块与外部的消防应急灯具单元和控制单元无线连接；

控制单元包括服务器和PC端显示模块；该单元通过其服务器无线接收消防应急灯具单元和单兵终端单元上传的数据。

图像采集模块，用于采集消防应急指示灯具附近的环境图像；

灯具无线通信模块，用于配合终端无线通信模块完成接收信号强度值RSSI的数据采集工作，并与控制单元的服务器无线连接传输数据；

报警模块，用于在检测到烟雾或高温时发出警示信号；

灯具微控制器模块，分别与图像采集模块、灯具无线通信模块以及报警模块双向电连接，用于接收这些模块从外界获取到信息，并对其进行处理后通过灯具无线通信模块将数据上传至控制单元的服务器中；

灯具电源模块，输出端与灯具微控制器模块电连接，单向输出，用于为消防应急灯具单元提供工作电压。

惯性传感器模块，用于采集消防员的运动状态以及位置变化相关数据；

生命体征检测模块，用于获取消防员的生命特征数据；

气压检测模块，用于获取消防员所在位置的气压强度值；

终端无线通信模块，用于采集与附近消防应急灯具之间通讯的接收信号强度值RSSI数据，并与控制单元的服务器无线连接传输数据；

终端微控制器模块，分别与生命体征检测模块、气压检测模块以及终端无线通信模块双向电连接，与惯性传感器模块通过多向控制总线IIC相连接；用于对三轴传感器模块、生命体征检测模块以及气压检测模块采集的数据进行处理并判断，得到终端位置坐标、消防员生命特征数据以及所消防员所处位置的高度，并通过终端无线通信模块将这些数据上传至控制单元的服务器中；

终端电源模块，输出端与终端微控制器模块电连接，单向输出，用于为单兵终端单元提供工作电压；

本发明相对现有技术主要优点在于：

第一，本实用新型将多种方式获取的定位信息进行融合，当某种定位信息出现明显错误时，可根据其它方式获取的定位信息排除错误数据，对消防员的位置信息进行纠正，从而提高定位数据的可靠性、准确性，保证了消防员的生命安全；

第二，本实用新型的灯具无线通讯模块与终端无线通信模块均采用无线保真Wi-Fi、紫蜂ZigBee、蓝牙Bluetooth、超宽带UWB、窄带物联LoRa以及低功耗广域NB-IOT任意一种或多种无线通信方式，采集消防应急灯具单元与单兵终端单元之间的信号强度值RSSI，将RSSI数据转化为距离参数，从而获知佩戴单兵终端的消防员位置信息；多种无线通信方式采集RSSI数据，进一步提高了定位数据的可靠性；

第三，本实用新型增加了通过图像采集模块获取消防员位置信息的方式，进一步确保定位信息的正确性，更加准确地判断消防人员所处位置；并且可在单兵终端单元定位出现异常情况时，保证监控指挥中心仍可以获知消防员所在位置；

第四，本实用新型将无线通信模块置于消防应急灯具之中，达到与单兵终端通讯获取RSSI数据的目的，避免了建立较多基站进行通讯的情况，从而降低了成本。

附图说明

图1为本实用新型系统框图；

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面结合附图对本实用新型详细说明。

参照图1，本实用新型基于多传感器信息融合技术的消防员室内定位系统，包括有消防应急灯具单元、单兵终端单元与控制单元，各单元之间通过无线通信传输数据；

1.消防应急灯具单元包括：图像采集模块、灯具微控制器模块、灯具无线通信模块、报警模块和灯具电源模块；且上述模块均安装于室内的消防应急灯具之中，该灯具是消防应急中最为普遍的一种照明工具，安装于商场、办公楼、住宅楼、工厂、酒店、学校等公共场所建筑物内以备停电作应急照明之用。

(1)图像采集模块，用于采集消防应急指示灯具附近的环境图像，该模块与灯具微控制器模块双向连接；所述图像采集模块采集的环境图像被灯具微控制器模块处理上传至控制单元后，最终以视频或图片形式于PC端显示模块中呈现。

(2)灯具无线通信模块，用于配合终端无线通信模块完成接收信号强度值RSSI的数据采集工作，并与控制单元的服务器无线连接传输数据；该模块与进入其覆盖范围的终端无线通信模块进行通讯，通讯之后终端无线通信模块可采集到一个RSSI数据，从而判断得出单兵终端与消防应急灯具之间的距离；该模块采用无线保真Wi-Fi、紫蜂ZigBee、蓝牙Bluetooth、超宽带UWB、窄带物联LoRa以及低功耗广域NB-IOT等，其中的任意一种或多种无线通信方式；

(3)报警模块，用于在检测到烟雾或高温时发出警示信号；该模块与灯具微控制器模块双向连接，当建筑物发生火情时，产生浓烟且温度上升，报警模块中的烟雾感应器以及温度感应器便可在感受到烟雾或高温时传递信息，从而使报警模块发出警示信号给灯具微控制器模块；

(4)灯具微控制器模块，分别与图像采集模块、灯具无线通信模块以及报警模块双向电连接，用于接收这些模块从外界获取到信息并对其提供由灯具电源模块传输的工作电压；灯具微控制器模块将收集的数据处理后通过终端无线通信模块上传至控制单元；

(5)灯具电源模块，用于为消防应急灯具单元提供工作电压；该模块输出端与灯具微控制器模块电连接，单向输出，提供消防应急灯具单元特别是灯具微控制器模块工作所需的工作电压。

2.单兵终端单元包括：惯性传感器模块、生命体征检测模块、气压检测模块、终端微控制器模块、终端无线通信模块和终端电源模块；且上述模块均安装于消防人员进入火场时所佩戴的单兵终端设备当中。

(1)惯性传感器模块，用于采集消防员的运动状态以及位置变化相关数据；该模块包括有三种传感器，分别为加速度计三轴传感器、陀螺仪三轴传感器和磁力计三轴传感器，可采集消防员运动状态下的各项数据，这三种传感器采集到各项数据后，绘制出消防员的运动轨迹从而获取其位置信息，并将信息通过多向控制总线IIC传送给终端微控制器模块；

加速度计三轴传感器用于采集X，Y，Z三轴加速度数据，在消防员运动时，根据此三轴数据的变化可得知消防员的运动状态；

陀螺仪三轴传感器用于采集X，Y，Z三轴角速度数据，在消防员运动时，根据此三轴数据的变化可得知消防员的运动状态；

磁力计三轴传感器用于采集X，Y，Z三轴磁力数据，在消防员运动时，根据此三轴数据可以得知消防员的位置变化；

(2)生命体征检测模块，用于获取消防员的生命特征数据；在该模块中至少包括有心率传感器和血压传感器，可检测得到消防员的心率和血压值，进一步还可以包括对消防员体温、呼吸等其他各项生命体征的测量；

(3)气压检测模块，用于获取消防员所在位置的气压强度值，并将该强度值通过双向连接传送给与终端微控制器模块，从而由气压强度值计算得到消防员所处位置的高度；

(4)终端无线通信模块，与终端微控制器模块双向电连接，与控制单元的服务器无线连接；该模块用于采集自身与附近消防应急灯具之间通讯的接收信号强度值RSSI，并负责将单兵终端单元中的数据上传控制单元；终端无线通信模块采用无线保真Wi-Fi、紫蜂ZigBee、蓝牙Bluetooth、超宽带UWB、窄带物联LoRa以及低功耗广域NB-IOT等，其中的任意一种或多种方式实现无线通信；

终端无线通信模块与其附近的灯具无线通信模块进行通讯，获取RSSI数据，将其传输给终端微控制器模块，经过终端微控制器模块计算得出单兵终端与附近通讯的消防应急灯具之间距离，该距离被传送回终端无线通信模块，从而上传至控制单元。

(5)终端微控制器模块，分别与生命体征检测模块、气压检测模块以及终端无线通信模块双向电连接，与惯性传感器模块通过多向控制总线IIC相连接；用于接收三轴传感器模块、生命体征检测模块、气压检测模块以及终端无线通信模块采集的数据，并对这些模块提供由终端电源模块传输的工作电压；终端微控制器模块对收集的数据进行处理，排除异常的数据，留取正确的数据，最终通过一定的算法计算得出消防员位置坐标(X，Y，Z)，将得到的终端位置坐标与消防员生命特征数据通过终端无线通信模块上传至控制单元的服务器中；

(6)终端电源模块，用于为单兵终端单元提供工作电压；该模块输出端与终端微控制器模块电连接，单向输出，提供单兵终端单元特别是终端微控制器模块工作所需的工作电压，该供电模块包括电池、电压调控电路以及充电电路，方便消防员携带。

3.控制单元包括：服务器和PC端显示模块；该单元设置于监控指挥中心，用于实时获知消防员的位置信息以及消防员的生命体征值；其中服务器用于接收消防应急灯具单元与单兵终端单元通过无线通信模块上传的数据信息；服务器与PC端显示模块双向电连接，将接收的数据于PC端显示模块呈现；

PC端显示模块显示的信息包含以下两部分：

(1)单兵终端单元上传的消防员位置及生命特征数据，用于直观判断消防员在火灾现场的具体位置、心率和血压；该位置信息为通过一定算法计算得出消防员位置坐标(X，Y，Z)，可使监控指挥中心人员确切获知消防员在建筑物中的具体所在点；生命特征数据至少包括有心率和血压，进一步还可包含体温、呼吸等，该数据可明确显示消防员的身体状态，使监控指挥中心人员知晓消防员是否能够正常执行救灾任务、是否发生危险需要救援；

(2)消防应急灯具单元上传的消防应急灯具周围环境视频或图片，用于通过对火灾现场实际情况进行观察后，进一步确定消防员的位置；当单兵终端提供的位置坐标出现误差或者终端设备发生故障时，要找到该消防人员便可通过消防应急灯具单元上传的环境信息去确认位置，进一步保证对消防员定位的可靠性。

以上描述仅是本实用新型的一个具体实例，不构成对本实用新型的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本实用新型内容和原理后，都可能在不背离本实用新型原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本实用新型思想的修正和改变仍在本实用新型的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于多传感器信息融合的消防员室内定位系统，其特征在于：包括消防应急灯具单元、单兵终端单元与控制单元；

所述消防应急灯具单元包括图像采集模块、灯具微控制器模块、灯具无线通信模块、报警模块和灯具电源模块；该单元通过灯具无线通信模块与外部的单兵终端单元和控制单元无线连接；

所述单兵终端单元包括惯性传感器模块、生命体征检测模块、气压检测模块、终端微控制器模块、终端无线通信模块和终端电源模块；该单元通过终端无线通信模块与外部的消防应急灯具单元和控制单元无线连接；

所述控制单元包括服务器和PC端显示模块；该单元通过其服务器无线接收消防应急灯具单元和单兵终端单元上传的数据。

2.根据权利要求1所述系统，其特征在于：所述消防应急灯具单元，包括：

图像采集模块，用于采集消防应急指示灯具附近的环境图像；

灯具无线通信模块，用于配合终端无线通信模块完成接收信号强度值RSSI的数据采集工作，并与控制单元的服务器无线连接传输数据；

报警模块，用于在检测到烟雾或高温时发出警示信号；

灯具微控制器模块，分别与图像采集模块、灯具无线通信模块以及报警模块双向电连接，用于接收这些模块从外界获取到信息，并对其进行处理后通过灯具无线通信模块将数据上传至控制单元的服务器中；

灯具电源模块，输出端与灯具微控制器模块电连接，单向输出，用于为消防应急灯具单元提供工作电压。

3.根据权利要求1所述系统，其特征在于：所述单兵终端单元，包括：

惯性传感器模块，用于采集消防员的运动状态以及位置变化相关数据；

生命体征检测模块，用于获取消防员的生命特征数据；

气压检测模块，用于获取消防员所在位置的气压强度值；

终端无线通信模块，用于采集与附近消防应急灯具之间通讯的接收信号强度值 RSSI数据，并与控制单元的服务器无线连接传输数据；

终端微控制器模块，分别与生命体征检测模块、气压检测模块以及终端无线通信模块双向电连接，与惯性传感器模块通过多向控制总线IIC相连接；用于对三轴传感器模块、生命体征检测模块以及气压检测模块采集的数据进行处理并判断，得到终端位置坐标、消防员生命特征数据以及所消防员所处位置的高度，并通过终端无线通信模块将这些数据上传至控制单元的服务器中；

终端电源模块，输出端与终端微控制器模块电连接，单向输出，用于为单兵终端单元提供工作电压。

4.根据权利要求1所述系统，其特征在于：所述控制单元设置于监控指挥中心，用于实时获知消防员的位置信息以及消防员的生命体征值。

5.根据权利要求2所述系统，其特征在于：所述图像采集模块采集的环境图像被灯具微控制器模块处理上传至控制单元后，最终以视频或图片形式于PC端显示模块中呈现。

6.根据权利要求2所述系统，其特征在于：所述灯具微控制器模块通过与图像采集模块双向连接，从中直接读取图像信息进行处理，同时将灯具电源模块提供的工作电压传输给图像采集模块。

7.根据权利要求3所述系统，其特征在于：所述惯性传感器模块包括加速度计三轴传感器、陀螺仪三轴传感器和磁力计三轴传感器，这三种三轴传感器用于采集消防员运动状态下的各项数据，并分别将各自得到的信息通过多向控制总线IIC传送给终端微控制器模块。

8.根据权利要求3所述系统，其特征在于：所述生命体征检测模块，至少包括心率传感器和血压传感器，用于检测消防员的心率和血压值。

9.根据权利要求1所述系统，其特征在于：所述灯具无线通信模块和终端无线通 信模块采用无线保真Wi-Fi、紫蜂ZigBee、蓝牙Bluetooth、超宽带UWB、窄带物联LoRa以及低功耗广域NB-IOT，其中任意一种或多种无线通信方式。

10.根据权利要求1所述系统，其特征在于：所述PC端显示模块显示的信息包括：

单兵终端单元上传的消防员位置及生命特征数据，用于直观判断消防员在火灾现场的具体位置、心率和血压；

消防应急灯具单元上传的消防应急灯具周围环境视频或图片，用于通过对火灾现场实际情况进行观察后，进一步确定消防员的位置。