施連興

（龍巖市公安消防支隊(duì) 福建 龍巖 364021）

近年來伴隨著大空間、超高層和綜合性大型建筑物數(shù)量的增長(zhǎng)，其火災(zāi)所帶來的損失和影響越來越大。大型建筑物內(nèi)特別是人員密集型住宅樓、辦公樓、廠房、商業(yè)中心等建筑物內(nèi)，一旦由于施工、用火、用電、燃?xì)馐褂貌划?dāng)?shù)纫馔馇闆r發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于樓層多、通道分布復(fù)雜等原因，遇險(xiǎn)人員的救援難度很大。當(dāng)大型建筑物內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，很難在建筑物外部將火災(zāi)撲滅，在很多情況下需要消防員進(jìn)入建筑物內(nèi)部才能完全控制火情并實(shí)施人員搜救工作?，F(xiàn)階段，當(dāng)消防員進(jìn)入建筑物內(nèi)之后，在能見度很差的環(huán)境中，依靠現(xiàn)有技術(shù)手段如視頻監(jiān)控系統(tǒng)等，建筑物外部的指揮員很難對(duì)建筑物內(nèi)的消防員進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，缺乏有效的室內(nèi)定位手段會(huì)影響消防員搜救人員的效率，甚至消防員也不能準(zhǔn)確判斷自身的位置。因此，在缺乏有效的室內(nèi)定位系統(tǒng)的情況下，將會(huì)對(duì)火情控制和人員搜救工作帶來很多的不便，甚至威脅到消防員的生命安全。

近年來，隨著無線移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，GPS和蜂窩網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的A-GPS（Assisted Global Positioning System）定位方式[1]在緊急救援和各種基于位置服務(wù)（LBS，Location-Based Services）中逐漸得到了應(yīng)用。現(xiàn)有室內(nèi)無線定位系統(tǒng)主要采用紅外、超聲波[2]、藍(lán)牙、WiFi（Wireless Fidelity）、RFID（Radio Frequency Identification）等短距離無線技術(shù)。還有基于WiFi網(wǎng)絡(luò)的無線定位技術(shù)由于部署廣泛且低成本較低，因此備受關(guān)[3-4]。

文獻(xiàn)[5]提出了一種基于地理信息系統(tǒng)（GIS）和射頻識(shí)別技術(shù) （RFID）的火場(chǎng)消防救援人員和設(shè)備跟蹤定位監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)中消防員與消防救援設(shè)備上布置了RFID標(biāo)簽，建筑物內(nèi)的關(guān)鍵位置，如消防通道、每個(gè)樓層的走廊內(nèi)、以及主要出入口、電梯井等，每隔一定距離會(huì)安裝布置一個(gè)讀寫器，用于監(jiān)控消防救援人員或監(jiān)控調(diào)派消防救援設(shè)備。該系統(tǒng)的主要不足在于，RFID讀寫器的安裝密度決定了該系統(tǒng)的定位精度，過于密集的安裝RFID讀寫器，又會(huì)使得系統(tǒng)成本上升。文獻(xiàn)[6]回顧了國(guó)內(nèi)外面向遇險(xiǎn)消防員定位技術(shù)已取得的研究成果，分析了各類定位技術(shù)（包括基于無線信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)距與測(cè)向、基于ZigBee或UWB的主動(dòng)RFID標(biāo)簽的定位）的優(yōu)缺點(diǎn)。應(yīng)用主動(dòng)RFID標(biāo)簽的室內(nèi)定位系統(tǒng)，定位精度高，但部署成本高，且無法長(zhǎng)期部署，目前尚無應(yīng)用實(shí)例，而基于無線信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)距與測(cè)向系統(tǒng)，系統(tǒng)簡(jiǎn)單成本低，但定位精度不高。

本文提出了一種基于無源RFID標(biāo)簽的消防員室內(nèi)定位系統(tǒng)，與已有基于RFID標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位的系統(tǒng)主要不同之處在于，該系統(tǒng)所使用無源RFID標(biāo)簽采用線極化天線并被部署在建筑物內(nèi)部，消防員頭盔上則安裝了一種可變功率和使用雙極化天線的RFID讀寫器，此外，頭盔中還集成了方向傳感器模塊可以感知消防員的當(dāng)前行進(jìn)方向信息。通過讀取消防員所在位置附近的建筑物內(nèi)部署的RFID標(biāo)簽信息，并將RFID標(biāo)簽信息連同當(dāng)前行進(jìn)方向信息一道通過3G網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器，服務(wù)器通過對(duì)傳回的RFID標(biāo)簽信息和行進(jìn)方向信息進(jìn)行計(jì)算，可以得出消防員的實(shí)時(shí)室內(nèi)位置，建筑物外部的指揮員便可通過查詢服務(wù)器得知消防員的實(shí)時(shí)室內(nèi)位置，實(shí)現(xiàn)人員精準(zhǔn)定位和指揮。根據(jù)該方法實(shí)現(xiàn)的室內(nèi)定位系統(tǒng)，部署和使用較為方便，且具有系統(tǒng)成本低、定位精度高和標(biāo)簽可在建筑物內(nèi)長(zhǎng)期部署等優(yōu)點(diǎn)。

1 基于射頻識(shí)別標(biāo)簽的室內(nèi)定位系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成及RFID標(biāo)簽與讀寫器的設(shè)計(jì)

基于射頻識(shí)別標(biāo)簽的消防員室內(nèi)定位系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示，需要事先在建筑物內(nèi)部署好具有不同安裝方向的無源RFID標(biāo)簽，本系統(tǒng)所采用的RFID標(biāo)簽的天線要求是線極化的，并在消防員的頭盔中集成了可變功率的讀寫器和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信模塊，系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)如下所述。

預(yù)先在大型建筑物內(nèi)人員有可能到達(dá)的區(qū)域，如消防通道、主要出入口、樓梯電梯等位置，布置好無源RFID標(biāo)簽，標(biāo)簽內(nèi)存儲(chǔ)了該標(biāo)簽的全球唯一識(shí)別碼信息 （簡(jiǎn)稱ID信息），并在建筑物的二維樓層分布圖或三維設(shè)計(jì)圖紙中標(biāo)定每個(gè)RFID標(biāo)簽的室內(nèi)位置坐標(biāo) （二維或三維）及其安裝方向信息。安裝RFID標(biāo)簽時(shí)，標(biāo)簽的方向可以按一定規(guī)律循環(huán)設(shè)定，如0-45-90-135度放置。這些RFID標(biāo)簽的安裝位置信息與安裝方向信息，均可存儲(chǔ)于遠(yuǎn)程服務(wù)器。

消防員進(jìn)入建筑物內(nèi)部時(shí)佩戴的頭盔中安裝有RFID讀寫器、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信模塊和電源模塊等，RFID讀寫器的組成示意圖如圖2所示。當(dāng)消防員（可以是一名或者一組）經(jīng)過RFID標(biāo)簽附近時(shí)，讀寫器會(huì)激活標(biāo)簽并讀取RFID標(biāo)簽內(nèi)的ID信息，讀寫器內(nèi)集成了功率控制模塊，可實(shí)現(xiàn)功率的多級(jí)調(diào)節(jié)，即可讀取到不同距離內(nèi)的RFID標(biāo)簽ID信息。首先，頭盔中的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信模塊可通過移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商的3G網(wǎng)絡(luò)，將讀取的RFID標(biāo)簽ID信息上傳到遠(yuǎn)程指定服務(wù)器。其次，由于本系統(tǒng)采用的RFID讀寫器的天線采用雙極化天線設(shè)計(jì)，換言之，本系統(tǒng)的RFID讀寫器可以讀取兩個(gè)正交極化方向上的接收信號(hào)幅度信息 （簡(jiǎn)稱正交極化幅度信息），因此，通信模塊可以將讀取到的正交極化幅度信息也上傳到遠(yuǎn)程指定服務(wù)器。最后，RFID讀寫器中的方向傳感器模塊，可獲取消防員當(dāng)前的行進(jìn)方向，通信模塊也需要將該角度值信息上傳到遠(yuǎn)程指定服務(wù)器。

遠(yuǎn)程服務(wù)器收到頭盔發(fā)送的RFID標(biāo)簽ID信息、正交極化幅度信息和行進(jìn)方向信息之后，通過執(zhí)行定位算法可獲取RFID讀寫器所在的室內(nèi)位置坐標(biāo)（二維或三維），即可獲知佩戴該頭盔的消防員對(duì)應(yīng)的室內(nèi)位置坐標(biāo)。由于本系統(tǒng)使用了線極化的RFID標(biāo)簽天線，RFID閱讀器采用了可變功率和雙極化天線的設(shè)計(jì)，再加上可以實(shí)時(shí)獲取被定位目標(biāo)的行進(jìn)信息，與一般的僅基于信號(hào)強(qiáng)度的室內(nèi)定位系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)的定位精度更高，消防員的室內(nèi)定位精度可以精確到2~3 m。具體的定位算法實(shí)現(xiàn)，見1.2節(jié)。

建筑物外部的指揮員通過授權(quán)的移動(dòng)手持終端，如平板電腦、智能手機(jī)、筆記本電腦等，請(qǐng)求讀取遠(yuǎn)程服務(wù)器上的RFID閱讀器或者頭盔的位置信息，即可實(shí)時(shí)了解建筑內(nèi)部所有消防員的位置，并發(fā)出相應(yīng)指令，提高消防滅火和救援的效率，并保證消防員的人身安全。

圖1 基于無源射頻識(shí)別標(biāo)簽的消防員室內(nèi)定位系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Illustration of passive RFID tag based fireman indoor positioning system

1.2 室內(nèi)定位原理與實(shí)現(xiàn)

如圖2所示，消防員頭盔中的RFID讀寫器主要包含基帶處理器、射頻及中頻電路、雙極化天線、功率控制模塊和方向傳感器模塊等。其中，基帶處理器負(fù)責(zé)將天線接收的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，輸出ID信息。采用雙極化天線可接收RFID標(biāo)簽在兩個(gè)正交極化方向上的信號(hào)，因此可在基帶處理電路部分獲得正交極化幅度信息。方向傳感器模塊由磁力計(jì)、陀螺儀等構(gòu)建而成，可計(jì)算得出消防員當(dāng)前的行進(jìn)方向信息。在功率控制模塊的控制下，RFID讀寫器周期性的以設(shè)定的功率水平變化規(guī)律（例如，從最低功率逐級(jí)增加到最高功率后再返回最低功率，如此循環(huán)執(zhí)行下去），將讀取到的一個(gè)或多個(gè)RFID標(biāo)簽ID信息及其正交極化幅度信息，連同消防員當(dāng)前行進(jìn)方向信息一起，通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器。

圖2 射頻識(shí)別標(biāo)簽讀寫器的組成示意圖Fig.2 Illustration of RFID reader

遠(yuǎn)程服務(wù)器主要負(fù)責(zé)定位算法的實(shí)現(xiàn)，定位的基本原理是將接收到的RFID標(biāo)簽正交極化幅度信息向量 （在不同功率水平下的特定ID所對(duì)應(yīng)的正交極化幅度信息），與預(yù)先存儲(chǔ)的RFID標(biāo)簽正交極化幅度信息向量進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，選擇相關(guān)值最大者所對(duì)應(yīng)的位置坐標(biāo)作為定位結(jié)果。

使用系統(tǒng)前需進(jìn)行測(cè)量校準(zhǔn)，一個(gè)測(cè)量校準(zhǔn)的例子如圖3所示。在這個(gè)例子中，測(cè)量人員所在樓層的待測(cè)區(qū)域內(nèi)共有20個(gè)RFID標(biāo)簽，RFID標(biāo)簽共有4個(gè)安裝方向，安裝時(shí)盡可能使標(biāo)簽的安裝方向隨機(jī)化。國(guó)標(biāo)規(guī)定，900 MHz頻段的無源RFID標(biāo)簽的讀寫器（天線+模塊）的最大輸出功率是30 dBm，實(shí)際使用中的經(jīng)驗(yàn)結(jié)果是，標(biāo)簽的最大讀取距離在10 m左右。

測(cè)量時(shí)，測(cè)量人員戴著具有RFID讀寫器的頭盔，對(duì)于每一個(gè)系統(tǒng)可測(cè)量的位置坐標(biāo)（二維或三維），設(shè)測(cè)量人員的當(dāng)前行進(jìn)方向?yàn)?°，記錄在使用不同功率時(shí)RFID讀寫器所能解調(diào)出的標(biāo)簽ID信息（記作T），及其雙極化天線所接收到的正交極化幅度值的平方根（記作RSSI），未能讀取到的RFID標(biāo)簽，RSSI值相應(yīng)的記作0。假定RFID讀寫器共有N個(gè)功率水平，從小到大依次為P1，P2，…，PN。例如，當(dāng)讀寫器使用最小功率P1時(shí)，能接收到4個(gè)RFID標(biāo)簽的信息，則記錄如下的向量：

[（T11， 0， 0，）， … ， （T32， RSSI1， RSSI2）， （T33，RSSI1， RSSI2）， …， （T42， RSSI1， RSSI2）， （T43， RSSI1，RSSI2）， …， （T54， 0， 0）]

當(dāng)讀寫器使用最大功率PN時(shí)，能解調(diào)出全部20個(gè)標(biāo)簽的信息，則記錄如下的向量：

[（T11， RSSI1， RSSI2）， （T12， RSSI1， RSSI2）， … ，（T53， RSSI1， RSSI2）， （T54， RSSI1， RSSI2）]

在每個(gè)功率水平設(shè)定下，記向量中所有RSSI1的平均值為R1，所有RSSI2的平均值為R2，對(duì)上述每個(gè)向量進(jìn)行如下處理：

令 RSSI1’=RSSI1╞ R1，RSSI2’=RSSI2╞ R2。

最后，將上述每個(gè)向量中的RSSI1和RSSI2都替換成RSSI1’和RSSI2’，即得到了不同功率水平設(shè)定下的校準(zhǔn)向量：

[（T11， RSSI1’， RSSI2’）， （T12， RSSI1’， RSSI2’）， …，（T53， RSSI1’， RSSI2’）， （T54， RSSI1’， RSSI2’）]

至此，測(cè)量校準(zhǔn)工作完畢。

圖3 射頻識(shí)別標(biāo)簽的安裝方向、讀寫器功率控制與行進(jìn)方向示意圖Fig.3 Illustrations of RFID tag installation orientation， reader’s power control，and heading direction

在實(shí)際使用該系統(tǒng)時(shí)，設(shè)消防員當(dāng)前行進(jìn)方向與測(cè)量人員行進(jìn)方向的夾角為θ°（0≤θ≤90），在當(dāng)前功率水平設(shè)定下，對(duì)讀寫器所能讀取到的RFID標(biāo)簽，把其所對(duì)應(yīng)的雙極化天線所接收到的正交極化幅度值的平方根，記作rssi1與rssi2，在定位運(yùn)算前，需要進(jìn)行如下預(yù)處理：

r1=rssi1*cosθ +rssi2*sinθ

r2=rssi1*sinθ +rssi2*cosθ

由此可以獲得在不同功率水平設(shè)定下的測(cè)量向量：

[（T11， r1， r2）， （T12， r1， r2）， … ， （T53， r1， r2），（T54， r1， r2）]

將測(cè)量向量與校準(zhǔn)向量進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，相關(guān)值最大者所對(duì)應(yīng)的校準(zhǔn)向量的位置坐標(biāo)即作為定位結(jié)果。一般情況下，系統(tǒng)會(huì)優(yōu)先選擇功率較小設(shè)定下的定位結(jié)果，但當(dāng)較小功率下沒有讀取到RFID標(biāo)簽時(shí)，則選擇較大功率設(shè)定下的定位結(jié)果。

2 結(jié) 論

本文提出了一種基于無源RFID標(biāo)簽的消防員室內(nèi)定位系統(tǒng)，系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：使用無源RFID標(biāo)簽并采用線極化天線，在消防員頭盔中安裝了一種可變功率的RFID讀寫器并使用雙極化天線，頭盔中還集成了方向傳感器模塊可以感知消防員的行進(jìn)方向信息。本文提出的消防員室內(nèi)定位系統(tǒng)，部署和使用較為方便，且具有系統(tǒng)成本低、定位精度高和標(biāo)簽可在建筑物內(nèi)長(zhǎng)期部署等優(yōu)點(diǎn)。

[1]Veljo Otsason.Accurate Indoor Localization Using Wide GSM Fingerprinting [D].Tartu:Institute of Computer Science， University of Tartu，2005.

[2]韓霜，羅海勇，陳穎，等．基于TDOA的超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，23（3）：347-353.HAN Shuang，LUO Hai-yong，CHEN Yin，et al。 The design and implementation of a TDOA-based ultrasonic indoor localizing system [J].Chinese journal of sensors and actuators，2010，23（3）：347-353.

[3]Paramvir Bahl，Venkata N.Padmanabhan.RADAR:An In-Building RF-based User Location Tracking System[C]//TelAviv:IEEE infocom，2000：774-784.

[4]Kamol Kaemarungsi.Design of Indoor Positioning Systems Based on Location Fingerprinting Technique[D].Pittsburgh：School of Information Science.University of Pittsburgh，2005.

[5]邵宇，謝鋒.基于GIS和RFID的火場(chǎng)消防救援人員和設(shè)備跟蹤定位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科技成果縱橫，2009（5）:59-60.SHAO Yu，XIE Feng.Design of GIS and RFID-based firemen rescue and equipment tracking monitoring system on the fire[J].Perspectives of Scientific and Technological Achievement，2009（5）:59-60.

[6]宋娜娜，胡斌.災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)遇險(xiǎn)消防員定位技術(shù)研究現(xiàn)狀[C]//自主創(chuàng)新與持續(xù)增長(zhǎng)第十一屆中國(guó)科協(xié)年會(huì)論文集，2009：144.