基于蓝牙和UWB融合定位的建筑火灾精准救援系统_黄刚.pdf

2023 年 6 月 10 日第 7 卷 第 11 期现代信息科技Modern Information TechnologyJun.2023 Vol.7 No.1193932023.062023.06收稿日期：2023-02-03基金项目：重庆交通大学国家级大学生创新创业训练计划资助项目（202210618018）基于蓝牙和 UWB 融合定位的建筑火灾精准救援系统黄刚，候乐乐，梅诗远，欧阳子樱，牟霜（重庆交通大学，重庆 400074）摘 要：确定被困人员位置和保护救援人员安全是建筑火灾救援中的关键，但目前火灾内部依然存在难探查、难搜寻等问题。文章基于蓝牙和 UWB 融合定位及 5G 实时网络传输技术，在建筑物内部使用蓝牙 Beacon 进行部署，并将被困人员的智能手机作为定位终端，利用蓝牙和 UWB 融合定位技术测量时间差、信号到达角度等数据，采用 AOA、AOD 等算法进行计算，实现了建筑火灾的精准定位和救援。关键词：蓝牙和 UWB 融合定位；火灾救援；AOA 算法中图分类号：TN925；TP311.5 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）11-0093-04Precise Rescue System for Building Fires Based on Bluetooth and UWB Fusion PositioningHUANG Gang,HOU Lele,MEI Shiyuan,OUYANG Ziying,MU Shuang(Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China)Abstract:Determining the location of trapped personnel and protecting the safety of rescue personnel is crucial in building fire rescue,but currently there are still problems such as difficult to detect and search inside the fire.This paper is based on Bluetooth and UWB fusion positioning and 5G real-time network transmission technology,Bluetooth Beacon is used for deployment in buildings,and the trapped persons smartphone is used as the positioning terminal.Bluetooth and UWB fusion positioning technology is used to measure time difference,signal arrival angle and other data.AOA,AOD and other algorithms are used for calculating to achieve accurate positioning and rescue of building fires.Keywords:Bluetooth and UWB fusion positioning;fire rescue;AOA algorithm0 引 言与其他类型的火灾不同，建筑火灾1主要有以下四个特点：人员密度高、疏散通道相对狭窄、火势蔓延迅速、火灾扑救困难。当城市中高层建筑发生火灾时，由于楼层多达二三十层，利用楼梯下降至地面或者是其他空旷区域所需时间比较长；同时因为住宅楼中人口密集，其应急疏散通道相对较小，再加上高层建筑基本上以电梯等竖向井道为主要通道，火灾发生后烟雾迅速蔓延。这样会导致被困人员数量多，位置分布随机性强，搜索难度大，黄金救援时间短等问题。根据大型建筑发生火灾时救援行动的耗时情况，将建筑火灾中被困人员的搜救分为首次搜救和再次搜救。在首次搜救阶段，因为此时火势还没有得到有效的控制仍在发展之中，建筑内的危险程度还在进一步加重，需要在 6 分钟2甚至是更短的时间内将被困人员救出。再次搜救是指搜救时火势已发展到较为严重的程度，并且建筑内被烧毁的物品具有一定的危险性，救援人员和被困人员面临着十分严重的威胁。然而，在实际的救援主要是通过询问火灾现场周边知情者来获知火场内的信息，或者是等待被困者主动发出明显的求救信号和呼救声，进而展开搜救行动。在现场周边没有知DOI:10.19850/ki.2096-4706.2023.11.022情者或者被困人员因烟雾、高温或是在密闭空间中无法主动呼救的情况下，便大大增加了救援的风险，也耽误了最佳的救援时机。因此利用本系统提供的精准定位功能，能够在最短的时间内精准地锁定被困人员位置，进而迅速开展高效的救援行动，在 6 分钟甚至更短的时间内救出更多乃至所有的被困人员3。1 系统功能介绍本系统主要包括UWB和蓝牙两种信号的融合定位网络、5G 传输网络和微信小程序系统。蓝牙和 UWB 融合定位技术兼具蓝牙定位的低功耗、低成本特点和 UWB 定位的高精度特点，实现了蓝牙 AOA 定位与 UWB 定位的数据级融合，便于实现高精度、低延迟的定位监测。将蓝牙定位与 UWB定位相融合可以更加精准地获取被困人员的位置数据，被困人员即可借助手机将自己的定位信息与求救信号通过 5G 网络及时发送到云端数据中心，并自动发送至 119 救援指挥中心，救援指挥中心不仅可以获得被困人员的被困位置，还可以通过建筑内部署的 5G 微基站与救援人员进行交互，救援人员通过救援平台可以得知最近的救援路线，以便迅速展开针对性救援，缩短救援时间。2 系统整体设计及主要技术2.1 系统整体结构如图 1 所示，系统由兼容 UWB4，5和蓝牙两种信号的94942023.062023.06第 11期现代信息科技定位网络、5G 传输网络、云端后台三个关键部分组成。被困人员的手机及救援人员的定位装置和定位网络交互完成定位。5G 传输网络将定位信息上传到云端数据库，云端与消防调度中心通过因特网完成数据通信。现场救援人员可通过5G 网络连接云端查看被困人员的定位信息，还可以看到自己与被困人员之间的距离。AOA算法传输定位信号传输定位信号查看被困人员信息传输定位信号被困人员传输站救援人员消防调度中心发送被困人员信息查看云端数据传输定位信息传输定位信息指挥调度求救信号求救信号定位参数定位参数图 1 系统总体结构图2.2 技术支持深入研究蓝牙 5.1 协议6和 UWB 协议，掌握蓝牙和UWB 技术的工作原理及应用技巧。在此基础上通过 AOA算法实现蓝牙定位和 UWB 定位技术相融合的精准定位。搭建蓝牙和 UWB 定位系统，完成蓝牙定位、UWB 定位以及蓝牙与 UWB 融合定位的功能实现，提高系统定位精度。设计微信小程序的被困人员程序、救援人员程序和后台信息管理系统。被困人员可通过该微信小程序实现一键报警、附近人员查询、自身定位三种功能，救援人员可使用被困人员查询、自身位置信息查询两个功能。而在后台信息管理系统中，系统细分为被困人员子系统和救援人员子系统两个部分，分别提供被困人员定位信息显示、救援人员个人基本信息及其定位信息显示以及救援信息发送功能。将所设计的微信小程序与定位系统相结合，实现报警功能和被困人员与救援人员的定位功能。通过利用 5G 实时网络传输技术，采用软件定义网络（SDN）架构，保证大量被困人员的位置信息低时延传输。基于物联网云端数据处理与管理的知识构建云端数据库，实现对定位数据的有效管理，便于救援人员查看被困人员的定位信息。建立如图 2 所示的系统，在整个系统设计搭建完毕后，不断地进行测试，采集信息，分析系统处理的数据，在测试中不断地进行改进，完善优化整个系统。蓝牙协议 软件架构 UWB协议被困信息救援信息 AOA算法 微信小程序 5G超实时网络传输技术 云端 蓝牙定位后台管理 UWB定位云端处理 图 2 技术路线设计图2.3 系统运行流程如图 3 所示，当火场有人员被困时，打开手机蓝牙，使用 APP 连接最近的蓝牙锚点与 UWB 信标接入定位网络，通过手机 APP 一键发送求救信号。蓝牙锚点与 UWB 同时接收手机发送的信号并进行定位参数的测量，将得出的定位参数透传给手机。手机选择最近的蓝牙锚点与UWB信标接入定位网络手机微信小程序发送求救信号救援人员参看小程序信息开展救援微信小程序通过AOA等算法计算出具体的位置蓝牙锚点与UWB信标测量定位参数融合定位后的信息传输至手机云端后台将求救信息与定位发送至消防中心手机利用数据网络传输至云端图 3 系统流程图手机 APP 接收到定位参数后，通过内嵌的 AOA 算法7计算出自身的准确定位信息，然后通过移动数据网络将定位信息发送至云端数据中心。云端后台向消防调度中心发送险情信号与被困人员定位信息，调度中心派遣的救援人员到达现场后可通过手持终端查看云端服务器中被困人员的定位信息。2.4 系统设计2.4.1 蓝牙 Beacon蓝牙 Beacon 即蓝牙信标，也可以说是蓝牙基站，它是以BLE协议为基础的一种广播协议。相较于之前的蓝牙版本，蓝牙技术联盟最新推出的 5.1 版本协议信息传输速率提高 1倍，可达到 2 Mbit/s，并且增加了寻向功能。原有蓝牙定位95952023.062023.06第 11期方案是根据信标相对于定位锚点的信号强度来估算出信标距锚点间的距离，但却无法获取具体方位。蓝牙 5.1 基于多天线阵列通过计算信标所发射信号到达接收点的相位差，利用 AOA、AOD 等算法推算出信标相对于锚点的方位角，再结合之前的距离定位，即可定位信标的准确位置，且蓝牙 5.1 可兼容低版本蓝牙，目前市场上的智能手机所使用的蓝牙均可作为定位设备。本系统将蓝牙 5.1 的寻向定位功能与智能手机相结合，在手机接收到定位参数后，根据 AOA 算法计算出自己的位置，并通过移动数据网络将定位信息发送到云端数据中心，救援人员即可在终端查看被困人员的具体位置，有针对性地开展救援工作。2.4.2 超宽带定位（UWB）UWB 定位技术主要是通过无线定位算法判断出目标对象的具体位置，主要算法有AOA算法（接收到的角度信息）、TOA 算法（接收到的信号时间差）、类似的 TOF、TDOA算法等。UWB 定位系统主要由发射机、信道、接收机组成，其中发射机主要用于信号的发射，以及接收接收机传输的定位数据，信道是模拟传播信息的路径，而接收机负责接收信号的分析处理，包括判断所接收信号的衰减程度、到达时间等，利用定位算法进行分析即可，最终实现了对接收端的定位。实际上，目前的技术特征主要是利用各种信息复用技术，多径干扰、多普勒频移、信道衰落、信号穿透都是定位技术中较为常见的问题。建筑内部存在的各种器件导致信号之间相互干扰，并且建筑内部的信号传播路径较为复杂，因此多径干扰问题尤为突出。超宽带定位本身发射信号脉冲的时间对其余信号来说相对较短，而且多径分辨率较高，因此UWB 信号抗干扰抗衰落的能力极低。本系统将UWB定位作为蓝牙定位固有缺陷的一个补充，UWB 定位拥有极强的穿透性和极高的定位精度，能够在蓝牙被干扰、信号较弱的复杂场景下，以极高的精度定位被困人员的位置，并通过移动数据网络将定位信息发送到云端数据中心，帮助救援人员及时无干扰地获取被困人员的位置信息，进而快速地开展救援行动。2.4.3 AOA 定位技术在工业、科学和医疗（Industrial,Scientific and Medical,ISM）领域，蓝牙信号的工作频段是 2.40 GHz 到 2.41 GHz，带宽为2 MHz。蓝牙分为三个广播信道37、38、39。在蓝牙5.x规范当中，Bluetooth LE 部分的扩展广播信道可以为 0 39中的任意信道，也就是说蓝牙信标可以工作在任何蓝牙频道。蓝牙 AOA 室内定位技术是一种两基站定位