黃秋霞

DOI：10.16644/j.cnki.cn33-1094/tp.2016.07.002

摘 要： 基于目前大型商場等人口密集區(qū)域都布有無線WIFI設(shè)備及智能手機(jī)普及的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一款通過手機(jī)及WIFI定位的消防救援系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理、AP管理、用戶MAC管理、消防救援人員設(shè)備信息管理、樓層地圖管理、定位計(jì)算、短信通知等功能。

關(guān)鍵詞： WIFI； 智能手機(jī)； 在線定位； 消防救援

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）07-05-03

Software design of fire rescue system based on WIFI positioning

Huang Qiuxia

（Zhejiang Provincial Testing Institute of Electronic information Products， Hangzhou， Zhejiang 310007， China）

Abstract： Because of large shopping malls and other densely populated areas are distributed wireless WIFI devices and Smartphone are popular at present， this paper designs a fire rescue system based on smart phone and wireless network. The system can realize the functions of system management， AP management， user MAC management， fireman's equipment information management， floor map management， position calculation， SMS notifications and so on.

Key words： WIFI； Smartphone； online positioning； fire rescue

0 引言

火災(zāi)是目前危害人類生命安全的重要災(zāi)害之一，每年由于火災(zāi)造成的傷亡人員不計(jì)其數(shù)，據(jù)公安部消防局統(tǒng)計(jì)，2015年，全國共接報(bào)火災(zāi)33.8萬起，造成1742人死亡、1112人受傷，直接財(cái)產(chǎn)損失39.5億元[1]?，F(xiàn)如今社會(huì)發(fā)展迅速，人口密度不斷提升，在高樓林立的城市里，一旦發(fā)生火災(zāi)，如沒有及時(shí)有效的救援，后果不堪設(shè)想。隨著審美等觀念的日益變化，建筑物風(fēng)格趨于多樣化，其內(nèi)部設(shè)計(jì)裝修趨于復(fù)雜化等，給消防救援增加了難度，而化工材料的使用在火災(zāi)發(fā)生時(shí)造成的濃煙毒氣也成為消防救援的一大難題。商場、辦公樓、影院等是人口最為密集的區(qū)域，同時(shí)也是建筑結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的區(qū)域，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，如何及時(shí)準(zhǔn)確地找到救援對象是至關(guān)重要的。

無線WIFI技術(shù)、智能手機(jī)的發(fā)展使區(qū)域消防救援工作找到了更有效的途徑。目前，大型商場、辦公樓、影院等為方便顧客上網(wǎng)瀏覽，都設(shè)置了區(qū)域性無線網(wǎng)絡(luò)，智能手機(jī)是人手必備的通訊設(shè)備，當(dāng)顧客第一次進(jìn)入該區(qū)域并有意愿連接無線AP時(shí)，服務(wù)器就會(huì)記錄顧客的手機(jī)信息，并在下次進(jìn)入該區(qū)域時(shí)自動(dòng)連接網(wǎng)絡(luò)，這項(xiàng)技術(shù)為室內(nèi)定位提供了便利，也為火災(zāi)發(fā)生時(shí)消防定位救援提供了基礎(chǔ)。

1 無線定位研究現(xiàn)狀

無線定位系統(tǒng)可分為衛(wèi)星定位系統(tǒng)、移動(dòng)位置服務(wù)以及無線局域網(wǎng)定位系統(tǒng)三類[2]。衛(wèi)星定位系統(tǒng)主要有美國的全球定位系統(tǒng)、俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)、歐盟的伽利略定位系統(tǒng)和中國的北斗定位系統(tǒng)[3]。移動(dòng)通信服務(wù)是指，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)通過特定的定位技術(shù)來獲取手機(jī)用戶的位置信息，在電子地圖平臺(tái)的支持下為用戶提供相應(yīng)服務(wù)的一種增值業(yè)務(wù)[4]，由Cell-ID、A-GPS、E-OTD組成[3]。無線局域網(wǎng)定位系統(tǒng)主要是基于ZigBee、WIFI、藍(lán)牙、紅外、UWB的定位。

目前的定位過程主要有先測距后計(jì)算和先訓(xùn)練后匹配兩種方式?；赪IFI的室內(nèi)定位技術(shù)主要利用AP的射頻信號強(qiáng)度來進(jìn)行定位的，分為基于傳播模型的定位算法[5]和基于指紋匹配的定位算法[6]。基于傳播模型的定位算法是利用終端在某一位置收集到的來自AP的RSSI值，通過某種傳播模型計(jì)算出終端到AP之間的距離d，理論上計(jì)算公式可表示為：

⑴

由于實(shí)際環(huán)境復(fù)雜，無線信號會(huì)受遮擋物等環(huán)境因素影響而衰減，該模型計(jì)算出來的位置距離與實(shí)際距離有一定偏差，因此不適用與實(shí)際環(huán)境計(jì)算，目前使用較多的室內(nèi)傳播模型有線性距離損耗模型、對數(shù)距離損耗模型、衰減因子模型等?；趥鞑ツＰ偷亩ㄎ凰惴ㄖ饕腥厹y量法、雙曲線定位法和最小二乘法[7]。

基于指紋匹配的定位算法需預(yù)先在選定區(qū)域選取參考點(diǎn)采集射頻信號進(jìn)行訓(xùn)練，再構(gòu)建信號強(qiáng)度與定位位置之間的映射關(guān)系，這是目前室內(nèi)定位研究的重點(diǎn)。基于指紋匹配的定位算法需要進(jìn)行指紋訓(xùn)練構(gòu)建指紋庫，在需定位的區(qū)域指定某些參考點(diǎn)，在參考點(diǎn)上通過采集來自各個(gè)AP的射頻信號強(qiáng)度進(jìn)行訓(xùn)練提取AP在各個(gè)參考點(diǎn)上的特征值，從而建立位置與射頻強(qiáng)度的映射關(guān)系，由于AP的射頻信號強(qiáng)度與距離不存在良好的對應(yīng)關(guān)系，我們可采用在同一參考點(diǎn)上多次采集AP射頻強(qiáng)度，采用求均值、高斯擬合等方法，計(jì)算AP在該位置的特征。定位是通過移動(dòng)終端實(shí)時(shí)采集周圍AP的射頻信號強(qiáng)度向量，與建好的指紋庫中的特征向量進(jìn)行比較，尋找最接近的一組值，該組值對應(yīng)的位置就為定位結(jié)果。基于指紋匹配的定位算法不需要將射頻信號強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成不確定的距離值，因此定位精度優(yōu)于傳播模型算法。目前基于指紋匹配的定位算法主要有確定型和概率型兩種[8]。

2 無線WIFI覆蓋現(xiàn)狀

在商場等人口密集區(qū)域覆蓋WIFI不僅可以提高消費(fèi)場所的服務(wù)形象，更可讓商家等WIFI工程擁有者在WIFI客戶端上賺取更多的附加價(jià)值，通過大數(shù)據(jù)分析了解客戶的行為偏好，改進(jìn)營銷模式，從而提升市場競爭力。2014年浙江推出以“i-zhejiang”為SSID的無線免費(fèi)上網(wǎng)標(biāo)識(shí)，全省開放或新建10萬個(gè)AP，實(shí)現(xiàn)用戶一次注冊認(rèn)證、全省漫游。在杭州大廈、萬達(dá)廣場、浙江省人民醫(yī)院等大型公共場所，區(qū)域性WIFI熱點(diǎn)覆蓋率幾乎達(dá)到了100%，這為室內(nèi)定位提供了有利的物理?xiàng)l件。

3 消防救援定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

在緊急事件發(fā)生時(shí)，大部分人會(huì)因?yàn)榛艔埗鵁o法冷靜思考，做出合理的判斷，尤其是在發(fā)生火災(zāi)時(shí)。消防救援定位系統(tǒng)是為實(shí)現(xiàn)在人口密集區(qū)域發(fā)生火災(zāi)或緊急事件能快速、準(zhǔn)確給被困人員提供相應(yīng)救助而設(shè)計(jì)的，可以通過被困人員手機(jī)及時(shí)提供被困人員自我逃生方案，當(dāng)被困人員出現(xiàn)昏迷等狀況不能移動(dòng)時(shí)，該系統(tǒng)可通過定位及時(shí)通知救援人員，同時(shí)可減少救援人員的盲目搜索，節(jié)約人力、物力成本。目前，智能終端定位主要是以智能終端WIFI模塊主動(dòng)搜索AP為主，在智能手機(jī)連接AP并注冊認(rèn)證后，該終端信息會(huì)被記錄于后臺(tái)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，當(dāng)該終端再次進(jìn)入相同熱點(diǎn)區(qū)域后，后臺(tái)系統(tǒng)會(huì)允許該終端使用WIFI而無需再次注冊登錄。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，消防救援定位系統(tǒng)可有以下幾部分組成。

⑴ 系統(tǒng)管理模塊：該模塊主要由數(shù)據(jù)庫備份與恢復(fù)、用戶管理、角色管理、權(quán)限管理、個(gè)人信息管理組成，實(shí)現(xiàn)了不同用戶權(quán)限管理和數(shù)據(jù)管理，保證了系統(tǒng)的安全。

⑵ AP管理模塊：該部分主要實(shí)現(xiàn)大型商場的人員密集區(qū)域的AP管理，可對所管轄區(qū)域的AP進(jìn)行新增、修改、刪除、查詢、位置信息設(shè)置操作，同時(shí)可查看AP在線情況以及某AP上用戶連接情況，當(dāng)某區(qū)域發(fā)生AP大面積故障時(shí)，會(huì)觸發(fā)報(bào)警并以短信形式提醒管理員，當(dāng)發(fā)生緊急事件時(shí)，可通過該模塊查詢事件發(fā)生地附近AP信息，通過提取附近AP所連接用戶手機(jī)號信息，進(jìn)行應(yīng)急逃生策略短信的統(tǒng)一發(fā)送。

⑶ 用戶MAC管理模塊：當(dāng)智能手機(jī)進(jìn)入所轄熱點(diǎn)區(qū)域后，通過智能手機(jī)發(fā)起用戶注冊認(rèn)證，該模塊可實(shí)現(xiàn)注冊認(rèn)證用戶信息的管理，可查詢、查看用戶信息、在線情況以及用戶行走軌跡，支持多用戶軌跡顯示。

⑷ 消防救援人員設(shè)備信息管理模塊：消防人員在進(jìn)入事故現(xiàn)場前可配備具有無限收發(fā)功能的定位裝置，該模塊可實(shí)現(xiàn)對裝置信息的管理。

⑸ 樓層地圖管理模塊：在室內(nèi)，要準(zhǔn)確定位離不開樓層分布圖，該模塊可實(shí)現(xiàn)樓層地圖的新增、編輯、刪除、查詢等操作，查詢用戶行走軌跡時(shí)，可在該圖上標(biāo)記出用戶位置。

⑹ 定位計(jì)算模塊：該模塊是本系統(tǒng)的核心部分，通過智能手機(jī)反饋給AP的射頻信號強(qiáng)度信息進(jìn)行用戶位置計(jì)算。

⑺ 短信通知模塊：當(dāng)發(fā)生緊急事件時(shí)，具有權(quán)限的系統(tǒng)使用者可根據(jù)緊急事件發(fā)生地附近AP提供的用戶信息給事件現(xiàn)場用戶發(fā)送提醒、逃生策略、應(yīng)急策略等信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程指揮被困人員自救的功能。

如圖1所示為消防救援系統(tǒng)拓?fù)鋱D，每個(gè)AP中有事先設(shè)置好的位置信息，智能手機(jī)通過實(shí)施采集周圍AP信號強(qiáng)度，定位服務(wù)器通過指紋匹配進(jìn)行有效定位，智能手機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。指紋庫模型訓(xùn)練主要由AP過濾，樓層訓(xùn)練，分區(qū)訓(xùn)練，標(biāo)記點(diǎn)指紋訓(xùn)練四部分組成，在線定位流程如圖2所示。

基于WIFI定位的消防救援系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程如圖3所示。一般情況下，該系統(tǒng)通過定位算法計(jì)算出用戶位置并將位置信息記錄在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，通過匹配地圖與位置信息可以迅速鎖定火災(zāi)地點(diǎn)附近的用戶信息，給消防部門提供明確的救援位置，同時(shí)可以通過系統(tǒng)短信模塊發(fā)送逃生指南等幫助被困人員解決危機(jī)情況的參考信息。

4 總結(jié)和展望

消防救援定位系統(tǒng)是通過客戶主動(dòng)連接無線AP與被動(dòng)接收短信信息相結(jié)合的思路設(shè)計(jì)的，在AP供電未完全癱瘓前可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位。在部分AP供電癱瘓時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)AP癱瘓位置定位火災(zāi)發(fā)生位置，并可及時(shí)給該部分AP斷電前上網(wǎng)人員發(fā)送短信逃生指南等信息，該系統(tǒng)不僅針對被困于火災(zāi)現(xiàn)場的群眾，同樣也可用于保證消防員的安全，在消防員的戰(zhàn)斗服上配上特定Mac地址無線收發(fā)器，當(dāng)消防員進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場時(shí)，我們同樣可以監(jiān)控到消防員的行走軌跡，當(dāng)消防員出現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)，也能第一時(shí)間得到相應(yīng)的救援。在現(xiàn)有的物理環(huán)境下，該系統(tǒng)具有較高的可行性。在未來的學(xué)習(xí)中，定位精度將成為提升該系統(tǒng)性能的主要方向。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] http：//www.chinanews.com/gn/2016/01-18/7721126.

shtml

[2] 梁久禎.無線定位系統(tǒng)[M].電子工業(yè)出版社，2013.

[3] 李魏峰.基于RFID的室內(nèi)定位技術(shù)研究[D].上海交通大學(xué)碩

士學(xué)位論文，2010.

[4] 聶明，李方方.基于愛立信MPS平臺(tái)的移動(dòng)定位開發(fā)[J].微計(jì)

算機(jī)信息，2009.25（6-3）：130-137

[5] N.K.Sharma. A Weighted Center of Mass Based

Trilateration Approach For Locating Wireless Devices in Indoor Environment[A]，In Proceedings of The 4th ACM Intrtnational Workshop on Mobility Management and Wireless Access，2006：112-115

[6] 李慧，羅海勇，徐俊俊.一種基于奇異值分解的射頻指紋排序

定位算法[A].中國傳感網(wǎng)絡(luò)大會(huì)（CWSN），2012.

[7] 向波.基于WiFi的定位引擎軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京郵電

大學(xué)碩士學(xué)位論文，2014.

[8] Junjun Xu，Haiyong Luo，F(xiàn)ang Zhao，Rui Tao，Yiming Lin，

Hui Li. The WiMap： A Dynamic Indoor WLAN Localization System[A]. Volume 3， Issue 1， 2011 International Journal of Advanced Pervasive and Ubiquitous Computing（IJAPUC 2011）.