陳 凱　魏 杰

基于藍(lán)牙定位的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 探 討

陳 凱魏 杰

針對(duì)當(dāng)前火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)缺乏對(duì)火災(zāi)發(fā)生后被困人員的定位功能，提出利用被困人員手機(jī)藍(lán)牙功能進(jìn)行定位的一套方案，結(jié)合當(dāng)前消防部門使用的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，通過社會(huì)宣傳和火警廣播功能，優(yōu)先對(duì)起火部位周邊人員進(jìn)行定位，進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸至消防部門控制中心，為火災(zāi)中營救被困人員提供高效的解決方案。

火災(zāi)報(bào)警 定位技術(shù) 藍(lán)牙

1.引言

現(xiàn)行的消防系統(tǒng)由探測(cè)器(感煙探測(cè)器、感溫探測(cè)器、火焰探測(cè)器)、手動(dòng)報(bào)警裝置(手動(dòng)報(bào)警按鈕)和報(bào)警控制器(區(qū)域報(bào)警、集中報(bào)警、控制中心報(bào)警)組成[1]。在火災(zāi)發(fā)生時(shí)系統(tǒng)能第一時(shí)間通過探測(cè)器探測(cè)到火災(zāi)發(fā)生的位置，并通過聯(lián)動(dòng)控制立即采取一系列營救措施。但是，現(xiàn)行的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警和消防聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)不具備對(duì)被困人員的定位和跟蹤功能，高層建筑又具有人員相對(duì)集中、占地面積少等特點(diǎn)，火災(zāi)一旦發(fā)生，待救援人員會(huì)出現(xiàn)被困現(xiàn)象，此時(shí)能夠及時(shí)定位被困人員成為了一個(gè)很重要的研究課題。

2.各類定位技術(shù)應(yīng)用分析

現(xiàn)在常用的室內(nèi)定位技術(shù)主要有超聲波定位技術(shù)、紅外線定位技術(shù)、Zigbee（短距離無線通信）定位技術(shù)、藍(lán)牙定位技術(shù)等。紅外定位技術(shù)是利用各種移動(dòng)設(shè)備發(fā)生調(diào)制的紅外射線進(jìn)行定位，具有相對(duì)較高的定位精度，但由于光線無法穿越障礙物，因此紅外定位只能夠視距傳輸，當(dāng)發(fā)射設(shè)備放在口袋或被墻壁遮擋時(shí)就不能正常工作。超聲波定位技術(shù)相較于紅外定位技術(shù)精度高，系統(tǒng)簡單，主要采用反射式測(cè)距，所以很容易受到多徑效應(yīng)的影響。Zigbee定位技術(shù)定位精度高，且功耗小，但室內(nèi)的環(huán)境很復(fù)雜，對(duì)精度的影響大[2]。

在火災(zāi)被困環(huán)境下，超聲波定位技術(shù)利用反射測(cè)距無法區(qū)分火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的被困人員與地面的其他障礙物，紅外線定位技術(shù)的發(fā)射設(shè)備要求必須與接收設(shè)備直對(duì)，Zigbee定位技術(shù)要求被困人員隨身攜帶Zigbee發(fā)射設(shè)備。上述這些要求，在火災(zāi)的緊急情況是較難實(shí)現(xiàn)?？紤]到現(xiàn)在的智能手機(jī)都具備藍(lán)牙功能，使用藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行定位成為一種可能。

當(dāng)前最著名的藍(lán)牙定位技術(shù)的應(yīng)用就是美國蘋果公司主推的iBeacon（iBeacon是蘋果公司2013年9月發(fā)布的移動(dòng)設(shè)備用OS（iOS7）上配備的新功能）。其工作方式是，配備有低功耗藍(lán)牙通信功能的設(shè)備使用藍(lán)牙技術(shù)向周圍發(fā)送自己特有的ID，接收到該ID的應(yīng)用軟件會(huì)根據(jù)該ID采取一些行動(dòng)。比如，在店鋪里設(shè)置iBeacon通信模塊的話，便可讓iPhone和iPad上運(yùn)行的資訊告知服務(wù)器，或者由服務(wù)器向顧客發(fā)送折扣券及進(jìn)店積分。該技術(shù)的應(yīng)用前景非常廣泛，如部署在商場(chǎng)，在顧客經(jīng)過的時(shí)候自動(dòng)推送店鋪信息、進(jìn)行店內(nèi)導(dǎo)航、介紹優(yōu)惠產(chǎn)品、引導(dǎo)消費(fèi)者消費(fèi)、進(jìn)行支付等等；部署在停車場(chǎng)，可以識(shí)別停車位、引導(dǎo)用戶、自動(dòng)支付停車費(fèi)用等等；部署在旅游景點(diǎn)，可以進(jìn)行景點(diǎn)講解與多媒體互動(dòng)。

上述的應(yīng)用場(chǎng)景都利用了藍(lán)牙技術(shù)的定位功能。在我們的消防救援中，為了使被困人員在緊張環(huán)境下能夠正常操作，考慮到定位系統(tǒng)的成本及可普及性，藍(lán)牙定位技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)就顯得尤為突出。藍(lán)牙定位技術(shù)的精度約為1至3米，功耗較低，在應(yīng)用于較小范圍時(shí)性能較好[3]-[5]。在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，被困人員打開手機(jī)藍(lán)牙可以迅速定位，因此易于普及和實(shí)用。

本文提出了一種基于藍(lán)牙定位的火災(zāi)報(bào)警器，不僅利用了現(xiàn)有藍(lán)牙的普及性，同時(shí)能夠較為準(zhǔn)確地定位被困人員，給消防部門營救人員提供足夠的幫助。

3.藍(lán)牙定位技術(shù)原理

3.1節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在藍(lán)牙定位技術(shù)的基礎(chǔ)上，首先設(shè)計(jì)出藍(lán)牙定位系統(tǒng)，每三個(gè)藍(lán)牙探測(cè)器為一組。由于現(xiàn)在手機(jī)藍(lán)牙4.0在無遮擋的情況下最佳通信距離約為10m（如圖1），在15m距離處會(huì)出現(xiàn)通信的斷斷續(xù)續(xù)，對(duì)于火災(zāi)時(shí)刻的藍(lán)牙通信并不要求如應(yīng)用手機(jī)時(shí)不間斷播放音樂等的高要求，只需要能夠滿足短時(shí)間通信即可，因此設(shè)計(jì)中只要需要滿足15m間距即可。根據(jù)現(xiàn)在的各種探測(cè)器的安裝，每間隔10m安裝一個(gè)藍(lán)牙探測(cè)器，一個(gè)空間中至少保證3個(gè)藍(lán)牙探測(cè)器。

圖1　藍(lán)牙定位系統(tǒng)的放置位置示意圖

由于三點(diǎn)間距可以確定一個(gè)平面上的準(zhǔn)確位置，因此設(shè)計(jì)藍(lán)牙探測(cè)器的安裝位置如圖2。為了盡可能減少環(huán)境對(duì)藍(lán)牙通信信號(hào)的影響，藍(lán)牙探測(cè)器可以安裝在房頂，從上空與被困人員的手機(jī)進(jìn)行通信，盡量確保信號(hào)的穩(wěn)定。設(shè)房頂與地面的距離為h，房間為六邊形，故可以設(shè)定地面一定點(diǎn)為原點(diǎn)，如圖2所示。

圖2　藍(lán)牙安裝位置示意圖

3.2目標(biāo)定位算法

圖3　藍(lán)牙測(cè)距示意圖

其中，由于藍(lán)牙探測(cè)器的安裝位置為定點(diǎn)，故x1，y1，x2，y2，x3，y3都為已知量，可通過方程組求解xt，yt值，即可得到被困人員位置。

3.3系統(tǒng)定位流程

考慮到系統(tǒng)的耗能及損壞的可能性，藍(lán)牙的定位系統(tǒng)不需要在無火災(zāi)時(shí)工作，只需要在火災(zāi)發(fā)生時(shí)及時(shí)開啟，這樣既能夠保證供電的情況，也可以防止藍(lán)牙定位系統(tǒng)由于長時(shí)間開啟造成的器件損耗。同時(shí)考慮到火災(zāi)時(shí)會(huì)出現(xiàn)停止供電的情況，藍(lán)牙定位系統(tǒng)的供電不僅采用與建筑類其他設(shè)備相同的大功率供電模式，同時(shí)可以加裝電池供電模式，以便于在供電系統(tǒng)停止工作的情況下及時(shí)供電。對(duì)于信息的傳輸，設(shè)計(jì)采用雙保險(xiǎn)式，在供電系統(tǒng)保證的情況下，采用現(xiàn)在最為常用和穩(wěn)定的CAN總線模式，即控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network)。在供電出現(xiàn)問題的情況下，以WIFI模式（Wireless Fidelity，基于IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)）進(jìn)行傳輸。WIFI模式采用電池供電模式。因此在藍(lán)牙定位系統(tǒng)中包含有WIFI發(fā)送器，為特殊情況的出現(xiàn)做出充分的準(zhǔn)備，WIFI發(fā)送器可以與處理器安裝在同一電路板上。

藍(lán)牙定位消防系統(tǒng)流程如圖4所示：

圖4　藍(lán)牙定位消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

感煙式探測(cè)、感溫式火災(zāi)探測(cè)等常用探測(cè)器，當(dāng)出現(xiàn)兩點(diǎn)同時(shí)報(bào)警的情況，啟動(dòng)藍(lán)牙定位消防系統(tǒng)。

在建筑整體供電能夠保證的情況下，藍(lán)牙探測(cè)器（3個(gè)）將獲得3個(gè)距離d1，d2，d3發(fā)送至對(duì)應(yīng)處理器，并計(jì)算出被困人員所在位置。

將被困人員位置通過CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸至消防部門。

若供電系統(tǒng)出現(xiàn)問題，則通過電池對(duì)藍(lán)牙探測(cè)器進(jìn)行供電。

4.應(yīng)用實(shí)例

2015年2月5日下午2時(shí)許，位于廣東惠州市惠東大道的義烏商場(chǎng)發(fā)生火災(zāi)，四樓電影院觀影的人群發(fā)現(xiàn)火情后因火勢(shì)太猛已無法逃出火場(chǎng)，大家紛紛躲至廁所內(nèi)用水打濕衣物捂鼻求生，當(dāng)時(shí)被困人員約20人?；馂?zāi)發(fā)生后，消防員分成多個(gè)突擊小組沖入火場(chǎng)救人，當(dāng)時(shí)被困者陳寶怡聽到動(dòng)靜后在廁所捶門告警，消防員劉志偉和萬杰等人多次冒著生命危險(xiǎn)沖進(jìn)火場(chǎng)終將已昏迷的陳寶怡救出，而躲在廁所內(nèi)的其他人再也沒人走出影院。該起火災(zāi)造成17人死亡，消防官兵已組織8次強(qiáng)攻，現(xiàn)場(chǎng)救出5人，消防官兵有4人受傷，其中1人受重傷，起火原因經(jīng)調(diào)查為兒童玩火引起?；馂?zāi)發(fā)生后出現(xiàn)慌亂，導(dǎo)致被困是不可避免的。在上述實(shí)例中，如果消防人員能夠在第一時(shí)間獲悉廁所中有大量被困人員，就可以在最有利的情況下第一時(shí)間進(jìn)行營救，而不是進(jìn)行全方位搜索，直到聽到捶門告警后才有所行動(dòng)，從而延誤了最佳的營救時(shí)機(jī)。

對(duì)于大體量高層建筑如商業(yè)綜合體的火災(zāi)撲救及人員疏散一直是消防機(jī)構(gòu)所面對(duì)的難題。這類建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可燃物多，加之人員密集。發(fā)生火災(zāi)后被困人員出于緊張心理，逃生時(shí)找不到路線，往往會(huì)暫避在樓層某處，現(xiàn)場(chǎng)濃煙環(huán)境造成消防機(jī)構(gòu)人員搜救困難。此情況下第一時(shí)間了解被困人員位置狀態(tài)顯得尤為重要。消防控制室值班人員在收到火災(zāi)報(bào)警后第一時(shí)間處置并打開藍(lán)牙定位系統(tǒng)，通過消防應(yīng)急廣播和場(chǎng)所內(nèi)張貼的提示提醒被困人員打開手機(jī)藍(lán)牙功能。消防控制室值班人員應(yīng)首先對(duì)著火層及相鄰層的被困人員進(jìn)行藍(lán)牙定位，確定被困人員具體位置。轄區(qū)消防隊(duì)到場(chǎng)后，消防控制室值班人員根據(jù)人員定位情況可以準(zhǔn)確說出被困人員數(shù)量及位置，指揮員可根據(jù)上述情況結(jié)合單位疏散樓梯分布情況確定合理救援路線。避免出現(xiàn)義烏商場(chǎng)火災(zāi)中消防官兵組織8次強(qiáng)攻情況，造成消防官兵體力上巨大消耗和救援人員受傷，也可以第一時(shí)間對(duì)大量被困人員位置展開攻堅(jiān)，為搶救生命贏得寶貴時(shí)間。

5.結(jié)語

消防的及時(shí)安全已經(jīng)成為現(xiàn)代消防的主要研究課題?，F(xiàn)有的消防設(shè)備能夠?qū)ζ鸹鹞恢眠M(jìn)行定位，如何獲得被困人員的位置成為了亟待解決的問題。本文在充分考慮了供電，安裝位置，傳輸中的各種問題的前提下，設(shè)計(jì)了一種雙供電雙傳輸?shù)幕谒{(lán)牙定位的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，系統(tǒng)的安裝考慮了藍(lán)牙的探測(cè)距離，利用三點(diǎn)定位法確定被困人員的位置。該系統(tǒng)不僅能夠在保持供電的情況下利用CAN網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸至消防部門，在無法供電的情況下也可以利用電池供電后經(jīng)過WIFI系統(tǒng)將信息傳輸至消防部門。本系統(tǒng)基于藍(lán)牙模式，具有充分的普及型和實(shí)用性。

作者單位：浙江省舟山市公安消防支隊(duì)定海大隊(duì)

[1]程瑤,韓成浩.具有定位功能的消防報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].吉林建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2015,32（2）:66-68.

[2]蘇松,胡引翠,盧光耀,董碩,李曉進(jìn),劉長宏.低功耗藍(lán)牙手機(jī)終端室內(nèi)定位方法[J].測(cè)繪通報(bào).2015（12）：81-84.

[3]張浩,趙千川.藍(lán)牙手機(jī)室內(nèi)定位系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2011（11）:3152-3156.

[4]陳國平,馬耀輝,張百珂.基于指紋技術(shù)的藍(lán)牙室內(nèi)定位系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2013,39（3）：104,107.

[5]盧來,龍科.關(guān)于藍(lán)牙室內(nèi)無線定位技術(shù)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2015（12）：69-69.