消防单兵室内火场无线定位系统

消防单兵室内火场无线定位系统

【摘要】确定消防员在室内火场中的位置，是火灾救援工作中亟待解决的问题。传统的定位方式存在部署困难，可行性差的不足。针对火场室内的复杂环境，利用远程调制解调技术和3D GIS技术开发出的消防单兵室内火场定位系统，可根据无线三点定位的方法，实现对火场室内环境下的消防单兵定位，从而提高了指挥中心对单兵的监控水平及快速反应能力。

【关键词】无线定位;远程调制解调;火灾救援;室内火场

Abstract：Research on the position indication is in urgent need for fire rescue.Traditional positioning methods had low feasibility and were hard to deployed.Considering the complicating environment of interior fire scene，a new position indication system for single fireman，which was based on long range MODEM and 3D GIS technology，was introduced.This system could be used to indicate fireman’s position in interior fire scene according to the three-point-positioning theory，thus it improved the ability of fast reaction and fireman monitoring.

Key words：Wireless Position;Long range MODEM;Fire Rescue;Interior Fire Scene

1.引言

城市消防人员在灭火救援行动中，经常会遇到一些突发性的危险状况，因此如何准确判断火场内消防人员的具体位置就显得十分重要。现有大多数定位系统，如RFID或者ZigBee之类的定位方法需要预先部署移动转发设备或者是定位基站，故而针对室内火场可行性有限[1][2];另外，已有的定位算法大都假设消防员是静止的或者事先布置的GPS点是定位的，由于城市火灾发生的场所多位于室内或者存在其他建筑物遮挡，使得诸如GPS，北斗之类的卫星定位方法无法使用[3]。

结合我国实际情况和现有技术的优缺点，提出一种新型火场消防单兵定位系统，它通过三个临时部署的接收机，分别测量消防员携带的终端发出的时间编码信号，采用三点定位算法，计算出消防员的位置，以实现定位。

2.系统基本原理

为了减少消防员在火场承担的风险，提出一种能在充满烟雾的房间内对人进行精确定位的“消防单兵火场定位系统”，从而减少消防队员所面临的危险。该系统是基于“三点定位”原理实现具有地理位置功能的室内和室外定位系统，该系统的基本原理图如图1所示。

图1 消防单兵火场定位系统基本原理图

整个系统由控制中心，机动接收机和定位节点组成。消防队员佩戴便携式定位节点设备进入火场。节点设备不断发射自身参数和测距码。在外围部署的机动式接收机则根据接收到的信息，解算出节点距离本机的位置，并利用有线网络上报现场控制中心，控制中心根据发回的距离信息计算出定位节点的精确位置，并在电子地图上进行标定，使控制中心准确及时的掌握目标移动情况及位置。从而对移动目标的掌握控制，提高控制中心对目标的监控水平及快速反应能力。

3.关键技术

利用便携式定位节点设备在室内火场发送无线信号，供外部接收机进行接收定位的方式在实践中存在两个主要问题：接收机灵敏度问题，各机同步问题以及多径问题。

3.1 接收灵敏度

系统的定位节点在室内，而接收机部署在室外，信号的传输需要穿透多层墙壁，会导致较大的传输损耗，因此需要较大的链路预算。无线传输涉及接收机灵敏度和发射机输出功率，两者之间的差值被称之为链路预算[4]。输出功率受限于标准规范，所以只有通过提高灵敏度来增加传输的可靠性。系统采用集成了远程调制解调技术（Long Rang MODEM，简称LoRa）的SX1272专用芯片来增加接收机的灵敏度。

SX1272芯片是SEMTECH最新推出的低功耗远距无线低速通信专用芯片。内部集成了LoRa技术。相比目前最广泛的调制方式是FSK/GFSK，Lora调制在等同的数据速率条件下，使用商用低成本扩频调制方式可以获得比传统FSK调制方式高8-10dB的灵敏度[5]。图2给出了几种调制解调方式的速率和接收灵敏度关系图。

图2 几种典型调制方式的灵敏度比较

3.2 节点同步

系统的便携式定位节点设备定时向外发送时间码片作为定位信息。机动接收机接收到定位用时间码片后，会根据该码片时间和自身时钟的时间差计算出节点设备和自身的直线距离，作为定位基准。因此，这就要求各接收机以及节点设备之间能做到较为严格的同步。

考虑到系统是针对消防火灾救援行动的，其持续工作时间一般不会太长，只需要在系统开始工作的时候，利用有线设备进行一次系统同步，然后依靠各个设备中的恒温晶振保持住同步状态即可。

3.3 多径问题

本系统的主要应用场合主要是室内火场，而无线电波在室内传播的过程中，会因为墙体的反射形成复杂的多径问题。在这种情况下将无法使用高速宽带波形进行信息传送。因此降低信息速率将成为减少多径现象带来影响的有效途径。

出于降低开发难度考虑，本系统将系统传输信息速率降低至1kbps。此时单个符号的宽度为1ms。假定系统调制解调器容忍的多径时延展宽为码元的10%，则意味着系统容忍的多径时延展宽为0.1ms。考虑到系统中的接收机距离定位节点的直线距离一般不超过1km，0.1ms的多径时延展宽已经足够，因此不必在系统调制解调中另外添加对抗多径的技术手段。