張智超， 白廣利

(1.黑龍江省自動化系統(tǒng)工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150090；2.黑龍江省科學院自動化研究所，黑龍江 哈爾濱 150090)

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消防員定位系統(tǒng)中語音傳輸方法的研究

張智超1， 白廣利2

(1.黑龍江省自動化系統(tǒng)工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150090；2.黑龍江省科學院自動化研究所，黑龍江 哈爾濱 150090)

消防員定位系統(tǒng)可精確確定建筑物內(nèi)人員的3D坐標，構建人員移動軌跡，實現(xiàn)實時可視化。消防員定位系統(tǒng)的語音傳輸可加強場外指揮人員與現(xiàn)場救援人員之間的聯(lián)系，提高滅火的效率，最大限度地保證救援人員的人身安全。

消防；定位系統(tǒng)；語音傳輸；研究

當今城市大型公共場所及高層建筑的結構和功能日趨復雜，再加上城市人口集中、建筑物密集，使得人員疏散困難，城市火災救援工作更是變得異常艱難。在復雜的滅火救援環(huán)境中，即使是訓練有素的消防員在執(zhí)行任務時也難免會出現(xiàn)傷亡事故，且傷亡比例呈逐年上升的趨勢。如何既能高質(zhì)量、高效率地完成好滅火救援任務，又能夠確保消防員自身的安全，實現(xiàn)消防員單兵及指揮系統(tǒng)的智能化極為重要。

目前消防員在滅火救援中主要是應用消防呼救器來求救，呼救器只具有報警功能，且火災環(huán)境對報警功能的實現(xiàn)也有影響，另外呼救器不能對傷員的位置進行準確定位，這也給救援工作帶來很大困難[1]。如果在復雜的火場環(huán)境中可以對執(zhí)行任務消防員的運動軌跡進行實時跟蹤定位和及時的語音(畫面)通訊，將有效地提高消防員火場中的人員分配及疏散效率，更好地保障消防員的人身安全。

1 幾種常用的語音傳輸技術簡介

1.1 無線局域網(wǎng)技術

無線局域網(wǎng)通訊是一種基于802.11協(xié)議的無線局域網(wǎng)技術，其是一種應用廣泛的無線通訊技術，適用于高速數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務，是無線通訊方式中傳輸速率較快的一種，通常用于視頻音頻的傳輸。

1.2 433 MHz無線頻段技術

433 MHz技術使用433 MHz無線頻段通訊，該頻段通訊的顯著優(yōu)勢是無線信號的穿透性強、傳播距離遠、功耗低。不足之處是通信速率低，只有9 600 bps，只能用于通訊數(shù)據(jù)量較小的場合。在信號傳輸質(zhì)量方面，其通常采用數(shù)據(jù)透明傳輸協(xié)議，安全保密性差，很容易被攻擊破譯。433 MHz采用單頻點工作，不能有效遮擋產(chǎn)生的多徑效應，頻道非常擁擠，環(huán)境干擾、對講機、車載通信設備、業(yè)余通信設備等大多集中在此頻段，系統(tǒng)不穩(wěn)定，可靠性低，但通過組網(wǎng)的方式可以解決上述問題。

1.3 ZigBee技術

根據(jù)國際標準規(guī)定，ZigBee是一種短距離、低功耗、基于IEEE802.15.4標準建立的一種無線通信技術。其主要適用于家庭和樓宇控制、工業(yè)現(xiàn)場自動化控制、農(nóng)業(yè)信息收集與控制、公共場所信息檢測與控制、智能型標簽等領域[2]。

1.4 UWB(超寬帶)技術

UWB(Ultra Wideband)是一種無載波通信(又稱超寬帶)技術，其利用窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，10米左右傳輸數(shù)率可達Mbit/s至Gbit/s。該技術具有速率高、抗干擾性能強、功耗低等優(yōu)點。UWB主要應用在橋梁、建筑、醫(yī)療、安防等領域。

2 適用于消防定位領域的語音傳輸方式

2.1 無線局域網(wǎng)方式

在覆蓋范圍內(nèi)有多個AP(WirelessAccessPoint，無線訪問接入點)時，無線局域網(wǎng)方式可實現(xiàn)定位，例如三角定位，定位精度可達3～5 m。如果我們已經(jīng)知道了AP的位置，就可以利用信號衰減模型估算出移動設備與各個AP的距離，然后以這個半徑畫圓，其交點就是該設備的位置。無線局域網(wǎng)方式技術在快速定位的應用上表現(xiàn)出了很好的特性，如果只使用單向工作模式，即只能AP主動找設備，設備只上傳數(shù)據(jù)而不接收數(shù)據(jù)，那么設備的功耗將大大降低。

無線局域網(wǎng)方式在覆蓋范圍上，目前大功率的AP及基站，覆蓋范圍可達3～5 km，且不用太多的回程設備。在傳輸速率上，其速率可達54 Mbps，在信號質(zhì)量方面無線局域網(wǎng)通訊穿透力較強，但也容易受到其他信號的干擾，縮短AP與節(jié)點的距離便可以解決此問題。無線局域網(wǎng)通訊是一種可加密的通訊技術，而且它解決了高速移動時數(shù)據(jù)的糾錯、誤碼及認證的問題。根據(jù)對語音構成的分析，無線局域網(wǎng)方式傳輸音頻信號時有多種壓縮編碼算法，如 CELP、RELP、VSELP、MBE 等，這些壓縮編碼算法的壓縮率及語音質(zhì)量各有所長[3]。

在組網(wǎng)方面，無線局域網(wǎng)方式的復雜程度和費用都較低，搭建網(wǎng)絡的基本配置是無線網(wǎng)卡和AP。無線局域網(wǎng)通訊組網(wǎng)如圖1所示。

圖1 無線局域網(wǎng)通訊組網(wǎng)

2.2 433 MHz無線頻段方式

在組網(wǎng)方面，433 MHz技術與其他技術相結合，可實現(xiàn)規(guī)模大小不同的組網(wǎng)，組網(wǎng)后通訊距離更遠，相互干擾降低，采用特殊的時隙接入機制可以降低傳輸過程中的噪聲和干擾。433MHz無線頻段技術組網(wǎng)如圖2所示。

圖2 433MHz無線頻段技術組網(wǎng)

2.3 ZigBee方式

ZigBee定位技術按照自己的通信標準利用傳感器以接力的方式進行信息通信傳遞，實現(xiàn)系統(tǒng)的定位。該技術具有抗干擾性能強、傳輸速率高、功耗低、成本低等特點。

ZigBee在語音傳輸中有以下優(yōu)點：① ZigBee節(jié)點間間歇通信，數(shù)據(jù)的收發(fā)完成后進入休眠狀態(tài)，功耗極低；② ZigBee的協(xié)議簡單，設備廠商通常提供免費的使用平臺，可降低開發(fā)成本。ZigBee語音傳輸?shù)臉藴蕚鬏斔俾蕿?50 kbps，經(jīng)過組網(wǎng)調(diào)節(jié)速率可達到1 Mbps[4]。

ZigBee技術組網(wǎng)結構包括星型網(wǎng)、樹狀網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)等幾種類型，主要設備包括協(xié)調(diào)器、中繼器、終端等設備，ZigBee網(wǎng)絡技術具有的顯著優(yōu)勢是協(xié)議簡單。ZigBee技術組網(wǎng)如圖3所示。

圖3 ZigBee技術組網(wǎng)

2.4 UWB方式

UWB技術通過發(fā)送極窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，并采用TDOA(Time Difference of Arrival，到達時間差)算法測距定位來獲得消防員在救援現(xiàn)場的位置。由于測得的角度值誤差較大，還需要用卡爾曼濾波器對測得的角度值進行濾波，以進一步提高測量精度[5]。

UWB語音傳輸采用OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用技術)方案，正交頻分復用調(diào)制可有效地解決干擾問題，在UWB-OFDM系統(tǒng)中，窄脈沖被子信道載波調(diào)制后變成傳輸信號，不同的子信道不互相干擾，頻譜使用范圍廣。

在組網(wǎng)方面，UWB方式硬件實現(xiàn)比較復雜，UWB技術組網(wǎng)如圖4所示。

對比分析上述4種技術，它們均可實現(xiàn)室內(nèi)定位，滿足定位需求，在語音傳輸速率方面，無線局域網(wǎng)技術、ZigBee技術、UWB技術傳輸速度快，均可以滿足語音傳輸需要；在抗干擾能力方面UWB雖優(yōu)于其他技術，但硬件實現(xiàn)比較復雜且組網(wǎng)較難；在傳輸距離上，無線局域網(wǎng)技術和ZigBee技術具有優(yōu)勢。綜合分析，無線局域網(wǎng)技術和ZigBee技術在消防定位領域的優(yōu)勢比較突出，各技術對比見表1。

圖4 UWB技術組網(wǎng)

表1 各技術對比

無線局域網(wǎng)技術433MHzZigBeeUWB速率54Mbps9600bps1Mbps500Mbps抗干擾能力中弱中強能否實現(xiàn)定位能能能能精度/m3～51～320 3組網(wǎng)難度易易易難功耗低低低低傳輸距離遠近遠近

3 結論

消防員定位系統(tǒng)的語音傳輸主要應用在突發(fā)事件的室內(nèi)定位及指揮調(diào)度等方面。在滿足定位的基礎上，現(xiàn)場情況的及時反饋與溝通可為快速救援提供信息支持，提高救援的質(zhì)量和速度，確保消防救援人員的自身安全，提高消防員在火災現(xiàn)場復雜環(huán)境中的作戰(zhàn)能力，減少人員傷亡。此外，相關技術也可在其它領域復制推廣，如“急救”“防汛”“防震”“反恐”“防災”等，這些技術是推進數(shù)字城市和智慧城市建設的重要技術手段，從室外空間走向室內(nèi)空間是今后位置服務的必然趨勢[6-10]。

[1] 董林蓮.基于ZigBee技術的消防員定位系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D].上海：東華大學碩士論文，2014.

[2] 陳高鋒.常用無線通訊技術簡介[J].電腦知識與技術，2012(2)：1062-1064.

[3] 石發(fā)強.基于WiFi技術的煤礦井下通訊系統(tǒng)的設計[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2013(4)：50-52.

[4] 蔣權利.基于ZigBee的語音傳輸技術研究實現(xiàn)[D].南京：南京郵電大學碩士論文，2015.

[5] 封士永.多點無線語音傳輸系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].蘇州：蘇州大學碩士論文，2013.

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[7] 馬麗.建筑內(nèi)火災中人員定位技術的選擇[J].消防科學與技術，2013(7)：763-765.

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(責任編輯 張雅芳)

Research on Voice Transmission Methods in Firemen Positioning Systems

ZHANG Zhi-chao1， BAI Guang-li2

(1.Heilongjiang Automation System Engineering Co.，Ltd.，Harbin Heilongjiang 150090，China；2.The Institute of Automation Heilongjiang Academy of Sciences，Harbin Heilongjiang 150090，China)

A firemen positioning system can accurately determine the 3D coordinates of the people inside a building，construct moving trajectories of people and realize real-time visualization.The voice transmission of the firemen positioning system can strengthen the links between off-site commanding personnel and on-site rescue personnel，improve firefighting efficiency and guarantee the personal safety of rescue personnel to the maximum.

fire fighting；positioning system；voice transmission；research

?位是通過讀取標簽信號中的RSSI(

Signal Strength Indication，接收信號強度指示)值，再計算信號強度，結合室內(nèi)環(huán)境測算出標簽相應的位置，從而確定室內(nèi)人員的位置。采用TOA(Time Of Arrival，到達時間)定位方案，測量終端向基站發(fā)射信號的時間以確定終端的位置，可將精度提高到1～3 m。

2017-06-14

“消防員定位系統(tǒng)”省對外合作項目

張智超(1989-)，男，助理工程師，學士，主要從事電氣自動控制方面的研究與實踐工作， E-mail：505800209@qq.com。

TN912

A

2095-2953(2017)08-0032-03

研究與設計