黃剛　候樂樂　梅詩(shī)遠(yuǎn)　歐陽(yáng)子櫻　牟霜

摘? 要：確定被困人員位置和保護(hù)救援人員安全是建筑火災(zāi)救援中的關(guān)鍵，但目前火災(zāi)內(nèi)部依然存在難探查、難搜尋等問題。文章基于藍(lán)牙和UWB融合定位及5G實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，在建筑物內(nèi)部使用藍(lán)牙Beacon進(jìn)行部署，并將被困人員的智能手機(jī)作為定位終端，利用藍(lán)牙和UWB融合定位技術(shù)測(cè)量時(shí)間差、信號(hào)到達(dá)角度等數(shù)據(jù)，采用AOA、AOD等算法進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了建筑火災(zāi)的精準(zhǔn)定位和救援。

關(guān)鍵詞：藍(lán)牙和UWB融合定位；火災(zāi)救援；AOA算法

中圖分類號(hào)：TN925；TP311.5? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）11-0093-04

Precise Rescue System for Building Fires Based on Bluetooth and UWB Fusion Positioning

HUANG 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 person's 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 algorithm

0? 引? 言

與其他類型的火災(zāi)不同，建筑火災(zāi)[1]主要有以下四個(gè)特點(diǎn)：人員密度高、疏散通道相對(duì)狹窄、火勢(shì)蔓延迅速、火災(zāi)撲救困難。當(dāng)城市中高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于樓層多達(dá)二三十層，利用樓梯下降至地面或者是其他空曠區(qū)域所需時(shí)間比較長(zhǎng)；同時(shí)因?yàn)樽≌瑯侵腥丝诿芗?，其?yīng)急疏散通道相對(duì)較小，再加上高層建筑基本上以電梯等豎向井道為主要通道，火災(zāi)發(fā)生后煙霧迅速蔓延。這樣會(huì)導(dǎo)致被困人員數(shù)量多，位置分布隨機(jī)性強(qiáng)，搜索難度大，黃金救援時(shí)間短等問題。

根據(jù)大型建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)救援行動(dòng)的耗時(shí)情況，將建筑火災(zāi)中被困人員的搜救分為首次搜救和再次搜救。在首次搜救階段，因?yàn)榇藭r(shí)火勢(shì)還沒有得到有效的控制仍在發(fā)展之中，建筑內(nèi)的危險(xiǎn)程度還在進(jìn)一步加重，需要在6分鐘[2]甚至是更短的時(shí)間內(nèi)將被困人員救出。再次搜救是指搜救時(shí)火勢(shì)已發(fā)展到較為嚴(yán)重的程度，并且建筑內(nèi)被燒毀的物品具有一定的危險(xiǎn)性，救援人員和被困人員面臨著十分嚴(yán)重的威脅。然而，在實(shí)際的救援主要是通過詢問火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)周邊知情者來(lái)獲知火場(chǎng)內(nèi)的信息，或者是等待被困者主動(dòng)發(fā)出明顯的求救信號(hào)和呼救聲，進(jìn)而展開搜救行動(dòng)。在現(xiàn)場(chǎng)周邊沒有知情者或者被困人員因煙霧、高溫或是在密閉空間中無(wú)法主動(dòng)呼救的情況下，便大大增加了救援的風(fēng)險(xiǎn)，也耽誤了最佳的救援時(shí)機(jī)。因此利用本系統(tǒng)提供的精準(zhǔn)定位功能，能夠在最短的時(shí)間內(nèi)精準(zhǔn)地鎖定被困人員位置，進(jìn)而迅速開展高效的救援行動(dòng)，在6分鐘甚至更短的時(shí)間內(nèi)救出更多乃至所有的被困人員[3]。

1? 系統(tǒng)功能介紹

本系統(tǒng)主要包括UWB和藍(lán)牙兩種信號(hào)的融合定位網(wǎng)絡(luò)、5G傳輸網(wǎng)絡(luò)和微信小程序系統(tǒng)。藍(lán)牙和UWB融合定位技術(shù)兼具藍(lán)牙定位的低功耗、低成本特點(diǎn)和UWB定位的高精度特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了藍(lán)牙AOA定位與UWB定位的數(shù)據(jù)級(jí)融合，便于實(shí)現(xiàn)高精度、低延遲的定位監(jiān)測(cè)。將藍(lán)牙定位與UWB定位相融合可以更加精準(zhǔn)地獲取被困人員的位置數(shù)據(jù)，被困人員即可借助手機(jī)將自己的定位信息與求救信號(hào)通過5G網(wǎng)絡(luò)及時(shí)發(fā)送到云端數(shù)據(jù)中心，并自動(dòng)發(fā)送至119救援指揮中心，救援指揮中心不僅可以獲得被困人員的被困位置，還可以通過建筑內(nèi)部署的5G微基站與救援人員進(jìn)行交互，救援人員通過救援平臺(tái)可以得知最近的救援路線，以便迅速展開針對(duì)性救援，縮短救援時(shí)間。

2? 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)及主要技術(shù)

2.1? 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，系統(tǒng)由兼容UWB[4，5]和藍(lán)牙兩種信號(hào)的定位網(wǎng)絡(luò)、5G傳輸網(wǎng)絡(luò)、云端后臺(tái)三個(gè)關(guān)鍵部分組成。被困人員的手機(jī)及救援人員的定位裝置和定位網(wǎng)絡(luò)交互完成定位。5G傳輸網(wǎng)絡(luò)將定位信息上傳到云端數(shù)據(jù)庫(kù)，云端與消防調(diào)度中心通過因特網(wǎng)完成數(shù)據(jù)通信?，F(xiàn)場(chǎng)救援人員可通過5G網(wǎng)絡(luò)連接云端查看被困人員的定位信息，還可以看到自己與被困人員之間的距離。

2.2? 技術(shù)支持

深入研究藍(lán)牙5.1協(xié)議[6]和UWB協(xié)議，掌握藍(lán)牙和UWB技術(shù)的工作原理及應(yīng)用技巧。在此基礎(chǔ)上通過AOA算法實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙定位和UWB定位技術(shù)相融合的精準(zhǔn)定位。搭建藍(lán)牙和UWB定位系統(tǒng)，完成藍(lán)牙定位、UWB定位以及藍(lán)牙與UWB融合定位的功能實(shí)現(xiàn)，提高系統(tǒng)定位精度。設(shè)計(jì)微信小程序的被困人員程序、救援人員程序和后臺(tái)信息管理系統(tǒng)。被困人員可通過該微信小程序?qū)崿F(xiàn)一鍵報(bào)警、附近人員查詢、自身定位三種功能，救援人員可使用被困人員查詢、自身位置信息查詢兩個(gè)功能。而在后臺(tái)信息管理系統(tǒng)中，系統(tǒng)細(xì)分為被困人員子系統(tǒng)和救援人員子系統(tǒng)兩個(gè)部分，分別提供被困人員定位信息顯示、救援人員個(gè)人基本信息及其定位信息顯示以及救援信息發(fā)送功能。將所設(shè)計(jì)的微信小程序與定位系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能和被困人員與救援人員的定位功能。通過利用5G實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，采用軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）架構(gòu)，保證大量被困人員的位置信息低時(shí)延傳輸?；谖锫?lián)網(wǎng)云端數(shù)據(jù)處理與管理的知識(shí)構(gòu)建云端數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)定位數(shù)據(jù)的有效管理，便于救援人員查看被困人員的定位信息。建立如圖2所示的系統(tǒng)，在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)搭建完畢后，不斷地進(jìn)行測(cè)試，采集信息，分析系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)，在測(cè)試中不斷地進(jìn)行改進(jìn)，完善優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)。

2.3? 系統(tǒng)運(yùn)行流程

如圖3所示，當(dāng)火場(chǎng)有人員被困時(shí)，打開手機(jī)藍(lán)牙，使用APP連接最近的藍(lán)牙錨點(diǎn)與UWB信標(biāo)接入定位網(wǎng)絡(luò)，通過手機(jī)APP一鍵發(fā)送求救信號(hào)。藍(lán)牙錨點(diǎn)與UWB同時(shí)接收手機(jī)發(fā)送的信號(hào)并進(jìn)行定位參數(shù)的測(cè)量，將得出的定位參數(shù)透?jìng)鹘o手機(jī)。

手機(jī)APP接收到定位參數(shù)后，通過內(nèi)嵌的AOA算法[7]計(jì)算出自身的準(zhǔn)確定位信息，然后通過移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將定位信息發(fā)送至云端數(shù)據(jù)中心。云端后臺(tái)向消防調(diào)度中心發(fā)送險(xiǎn)情信號(hào)與被困人員定位信息，調(diào)度中心派遣的救援人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后可通過手持終端查看云端服務(wù)器中被困人員的定位信息。

2.4? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.4.1? 藍(lán)牙Beacon

藍(lán)牙Beacon即藍(lán)牙信標(biāo)，也可以說是藍(lán)牙基站，它是以BLE協(xié)議為基礎(chǔ)的一種廣播協(xié)議。相較于之前的藍(lán)牙版本，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟最新推出的5.1版本協(xié)議信息傳輸速率提高1倍，可達(dá)到2 Mbit/s，并且增加了尋向功能。原有藍(lán)牙定位方案是根據(jù)信標(biāo)相對(duì)于定位錨點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度來(lái)估算出信標(biāo)距錨點(diǎn)間的距離，但卻無(wú)法獲取具體方位。

藍(lán)牙5.1基于多天線陣列通過計(jì)算信標(biāo)所發(fā)射信號(hào)到達(dá)接收點(diǎn)的相位差，利用AOA、AOD等算法推算出信標(biāo)相對(duì)于錨點(diǎn)的方位角，再結(jié)合之前的距離定位，即可定位信標(biāo)的準(zhǔn)確位置，且藍(lán)牙5.1可兼容低版本藍(lán)牙，目前市場(chǎng)上的智能手機(jī)所使用的藍(lán)牙均可作為定位設(shè)備。

本系統(tǒng)將藍(lán)牙5.1的尋向定位功能與智能手機(jī)相結(jié)合，在手機(jī)接收到定位參數(shù)后，根據(jù)AOA算法計(jì)算出自己的位置，并通過移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將定位信息發(fā)送到云端數(shù)據(jù)中心，救援人員即可在終端查看被困人員的具體位置，有針對(duì)性地開展救援工作。

2.4.2? 超寬帶定位（UWB）

UWB定位技術(shù)主要是通過無(wú)線定位算法判斷出目標(biāo)對(duì)象的具體位置，主要算法有AOA算法（接收到的角度信息）、TOA算法（接收到的信號(hào)時(shí)間差）、類似的TOF、TDOA算法等。UWB定位系統(tǒng)主要由發(fā)射機(jī)、信道、接收機(jī)組成，其中發(fā)射機(jī)主要用于信號(hào)的發(fā)射，以及接收接收機(jī)傳輸?shù)亩ㄎ粩?shù)據(jù)，信道是模擬傳播信息的路徑，而接收機(jī)負(fù)責(zé)接收信號(hào)的分析處理，包括判斷所接收信號(hào)的衰減程度、到達(dá)時(shí)間等，利用定位算法進(jìn)行分析即可，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)接收端的定位。

實(shí)際上，目前的技術(shù)特征主要是利用各種信息復(fù)用技術(shù)，多徑干擾、多普勒頻移、信道衰落、信號(hào)穿透都是定位技術(shù)中較為常見的問題。建筑內(nèi)部存在的各種器件導(dǎo)致信號(hào)之間相互干擾，并且建筑內(nèi)部的信號(hào)傳播路徑較為復(fù)雜，因此多徑干擾問題尤為突出。超寬帶定位本身發(fā)射信號(hào)脈沖的時(shí)間對(duì)其余信號(hào)來(lái)說相對(duì)較短，而且多徑分辨率較高，因此UWB信號(hào)抗干擾抗衰落的能力極低。

本系統(tǒng)將UWB定位作為藍(lán)牙定位固有缺陷的一個(gè)補(bǔ)充，UWB定位擁有極強(qiáng)的穿透性和極高的定位精度，能夠在藍(lán)牙被干擾、信號(hào)較弱的復(fù)雜場(chǎng)景下，以極高的精度定位被困人員的位置，并通過移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將定位信息發(fā)送到云端數(shù)據(jù)中心，幫助救援人員及時(shí)無(wú)干擾地獲取被困人員的位置信息，進(jìn)而快速地開展救援行動(dòng)。

2.4.3? AOA定位技術(shù)

在工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（Industrial， Scientific and Medical， ISM）領(lǐng)域，藍(lán)牙信號(hào)的工作頻段是2.40 GHz到2.41 GHz，帶寬為2 MHz。藍(lán)牙分為三個(gè)廣播信道37、38、39。在藍(lán)牙5.x規(guī)范當(dāng)中，Bluetooth LE部分的擴(kuò)展廣播信道可以為0～39中的任意信道，也就是說藍(lán)牙信標(biāo)可以工作在任何藍(lán)牙頻道。

藍(lán)牙AOA室內(nèi)定位技術(shù)是一種兩基站定位方法，通過接收傳感器傳輸?shù)奈恢眯畔ⅲòǖ竭_(dá)時(shí)間、到達(dá)角度、到達(dá)位置），利用定位算法即可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。因?yàn)锳OA是純方位定位算法，所以根據(jù)三角定理即可計(jì)算出節(jié)點(diǎn)位置。

AOA定位具體是通過計(jì)算目標(biāo)發(fā)射的信號(hào)到達(dá)AP（Access Point）的角度，推測(cè)出以基站為起點(diǎn)的射線斜率，射線必定經(jīng)過目標(biāo)點(diǎn)，由兩個(gè)或兩個(gè)以上的基站即可得到目標(biāo)點(diǎn)的位置。

無(wú)線信號(hào)在空中的傳播是連續(xù)的，RX接收機(jī)通常接受該頻段內(nèi)整個(gè)周期內(nèi)的無(wú)線信號(hào)，并通過信號(hào)的傳輸時(shí)間將信號(hào)解調(diào)，如果兩個(gè)接收機(jī)處于相同發(fā)送端相同半徑上，在某一時(shí)刻t，接收機(jī)接收到的相位差理應(yīng)為0，但如果接收機(jī)處于半徑不一致的位置，在某一時(shí)刻t，接收機(jī)的相位會(huì)產(chǎn)生一個(gè)差值，如圖4所示。

如圖5所示，在二維平面上，接收端AP裝有天線陣列，理論上兩根天線即可計(jì)算相位差，但加裝天線陣列可以提高計(jì)算精度消除誤差，天線陣列通過算法計(jì)算出發(fā)送信號(hào)到達(dá)接收天線的相位差，進(jìn)而計(jì)算出發(fā)射信號(hào)到達(dá)天線的角度，即可計(jì)算出定位點(diǎn)的二維平面位置信息，具體高度位置信息由錨節(jié)點(diǎn)的ID及位置坐標(biāo)確定，每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的ID表示其所在樓層與房間編號(hào)。

2.5? 系統(tǒng)部署

本系統(tǒng)主要應(yīng)用于覆蓋范圍大、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、人員流動(dòng)大的建筑內(nèi)部[8]，如體育場(chǎng)館、中大型展館、居民樓、辦公樓等。根據(jù)實(shí)際建筑中住房的特點(diǎn)，將室內(nèi)地圖中心作為定位原點(diǎn)，之后確定橫縱軸，根據(jù)建圖信息安裝基站即可[9]?？茖W(xué)的部署融合UWB的藍(lán)牙Beacon，當(dāng)上述場(chǎng)所發(fā)生火災(zāi)時(shí)，本系統(tǒng)會(huì)將室內(nèi)所有被困人員（未被轉(zhuǎn)移到室外）的位置信息實(shí)時(shí)上傳到云端，救援人員可根據(jù)云端發(fā)回的信息快速精確地確定被困人員的具體位置，展開精準(zhǔn)救援，不必逐塊排查，從而縮短救援時(shí)間，大大降低救援風(fēng)險(xiǎn)。

3? 實(shí)物測(cè)試

因?yàn)閁WB模塊在以STM32F4芯片為處理芯片的基礎(chǔ)上，通過連接串口，將實(shí)驗(yàn)程序燒錄到實(shí)驗(yàn)板中，該程序?qū)崿F(xiàn)在以AOA算法為基礎(chǔ)的框架中，將各個(gè)模塊和對(duì)應(yīng)供電模塊連接，以信標(biāo)節(jié)點(diǎn)為移動(dòng)點(diǎn)，不斷改變信標(biāo)的位置，觀察信標(biāo)所在模塊顯示屏幕的坐標(biāo)，如圖6所示。

以基站一為坐標(biāo)原點(diǎn)，基站一和基站二所在直線為x軸，基站二與基站三所在直線為y軸，建立二維坐標(biāo)，這個(gè)就是信標(biāo)在這個(gè)二維坐標(biāo)中的位置，與實(shí)際設(shè)計(jì)的位置信息只有略微誤差，定位效果較好。

4? 結(jié)? 論

該精準(zhǔn)救援系統(tǒng)可在火災(zāi)緊急情況下，有效減少被困人員搜索時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速營(yíng)救，可大大降低被救人員和救援人員的傷亡。將藍(lán)牙定位和UWB定位技術(shù)相融合，可實(shí)現(xiàn)高精度、低功耗、低成本定位，火災(zāi)發(fā)生時(shí)可及時(shí)為救援人員提供被困人員的定位信息，是火災(zāi)救援的好幫手。

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作者簡(jiǎn)介：黃剛（2002.07—），男，漢族，重慶榮昌人，本科在讀，研究方向：通信工程。

收稿日期：2023-02-03

基金項(xiàng)目：重慶交通大學(xué)國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（202210618018）