基于UWB的消防救援定位系统优化设计

感知层对UWB定位标签进行测距，网络层将测距结果传送给应

效信息的识别。相对上述三种定位技术.UWB定位利用 用层中UWB定位服务器进行实时定位处理。介绍定位系统的

纳米级无线电磁脉冲信号进行定位，具有定位范围宽、穿 整体设计、UWB基站模块与UWB标签模块的构成、UWB定位

透能力强、抗干扰能力强等优点，定位精度可达到厘米级，

系统的布置、相关的定位算法及卡尔曼滤波。系统测试结果表明， 为实现对消防救援人员在复杂条件下进行高精度的实时

经过KF的处理提高了系统飭定位精度，误差控制在厘米级。定位提供了良好的解决方案。关键词：消防;应急救援;UWB；定位;卡尔曼滤波

针对上述问题，笔者提出一种基于UWB的消防救援

中图分类号：X924.4, TU99&1, TN926 文献标志码：A

定位系统，即在智能建筑中采用UWB智能基站模块和

文章编号:1009-0029(2019)06-0867-04UWB标签模块，在二维空间上实现对消防救援人员实时

定位的系统，克服了火场复杂情况下多径效应和烟雾及障 消防救援人员在灭火救援工作中常处于危险的环境 碍物的影响，定位精度高，有助于消防指挥员根据消防救 中。火灾现场建筑环境复杂，噪音源多，烟雾浓度大，光线

援人员在火灾现场的情况及时做出正确的判断和指挥，保

较弱，对火场中的消防救援人员进行实时定位，确认火场 障了消防救援人员的人身安全。中人员的行动状态，及时掌握其位置信息，便于指挥人员 1整体设计做出判断和正确指挥决策。消防救援人员一旦遇险，应在

此系统是一套基于UWB技术的消防救援人员实时 短时间内对其施救，减少和避免人员伤亡。定位系统，主要由感知层、网络层和应用层组成。感知层

目前，定位跟踪技术研究的重点是定位方法研究，国

分别由UWB智能基站模块、UWB定位标签模块和

内外专家主要对RFID. WiFi,ZigBee和UWB等定位方 UWB控制器三个部件组成。带有UWB定位标签模块的

法进行了研究。RFID的通信机制简单，利用射频方式进 消防救援人员进入感应区域时，向周围发射一定频率的脉

行近距离定位，易受到干扰，定位精度和RFID reader的

冲信号,UWB智能基站模块接收到其信号后，进行RSSI 部署数量、密度有关系。WiFi定位技术是通过无线电信 测距；UWB控制器主要协调控制感知层系统工作，有效管 号的强弱来确定方向和距离，在建筑室内信号较弱，定位 理基站及定位标签，同步处理多个基站发来的测距信息， 精度较差。ZigBee定位技术是基于IEEE 802.15.4标准 上传信息到网络层。网络传输层主要由无线局域网和有

的低功耗局域网协议进行近距离、自组织的定位，但其定

线以太网组成，实现测距信息的实时传送和通信以及相关

conducted in points of horizontal straight path, horizontal complex

部分的处理。应用层主要由UWB定位服务器和UWB path and vertical direction.The error was calculated, and the rea­图形显示系统组成,UWB定位服务器将感知层得到的距 son was analyzed. The results showed that, when the movement 离信息进行定位处理，实现对消防救援人员的实时定位、

velocity was big, the failure of ZUPT may happen； the 3D model 追踪、监控和管理等应用，并由UWB图形显示系统进行

of the building and the initial set up diverging from the reality may

显示，总体结构如图1所示。cause error； after the error correction, the system can satisfy the positioning requirement in 30 min, while accumulation error after a

long time can be corrected by outdoor positioning technology.Key words: firefighter； indoor positioning； inertial navigation；

emergency rescue作者简介：李增(1982-),男，中国人民警察大学消 防指挥系讲师，博士，主要从事消防应急通信与信息处理 技术的研究，河北省廊坊市安次区西昌路220号,065000。收稿日期:2019-01-25基金项目：贵州省教育厅自然科学研究项目(黔教合KY字［2018J459,黔教合KY字［2018J460)浦险科爭与技术2019年6月第38卷第6期8672硬件设计UWB基站

曾2.1 UWB定位标签模块在每一个UWB定位标签模块的数字发送单元中，都 有各自唯一的ID,可通过此ID来识别被定位的消防救援

人员。数字发送单元将时钟产生器产生的时钟信号、数字

IXUWB标签 ft

0T---------节--------------------------------

ID和标签模块坐标数据调制成超宽带(UWB)脉冲信号， 向附近UWB智能基站模块以广播方式发射传送信号，便 于多个UWB智能基站接收，其原理如图2所示。电源-图4 UWB基站定位模块的布局模拟 发射机电源 管理单元SPI——

时钟

产生器UWB智能基站模块进行测距运算。在基于RSSI的测距 模型中，通过对发射UWB标签模块信号强度和接收 UWB基站模块信号强度运算处理，得出脉冲信号传播的 路径损耗模型，见式(1)。RSSI = P + G-P(do)_ 100 lg(d/do) (1)式中:P为标签模块发射功率；G为标签模块天线增益；d

图2 UWB定位标签模块原理图2.2 UWB智能基站模块UWB智能基站模块布设于特定的应用场景后，将其

调试为位置的基准设备，用于接收标签发射的超宽带

为标签模块与基站模块之间的距离;p(d。)为功率经过距离 后的路径损耗讷为信道衰减指数，该值由实际测量得到;

(UWB)信号。数字接收单元将超宽带信号解调成数字ID 与标签模块数字坐标数据，通过SPI接口传输到MCU处 理器单元，MCU处理器单元运行预设的算法程序计算基

站模块与标签模块的距离，识别对应的消防救援人员，完 成测距过程，最后将运算得到的测距结果通过UWB控制

do为参考距离，一般取值为1 m。由于RSSI的值容易受到周围环境的影响，从而影响

定位的精度，为提高定位的精度，在运用定位算法与方法 前，预先在UWB智能基站模块中对接收到的RSSI值进 行优化处理。即釆用gauss模型分布函数对多个基站模块

接收到的RSSI值进行数据处理。RSSI值的优化处理算

器传输到定位系统的网络层，其原理如图3所示。天线法，见式(2)〜式(6)。电源发射机MCU(STII32)管蠶元« SPI e—>时钟产生器(x-w)2F(t) = —昭

d廊於=*1刀；=佔—分

(3)⑷(5)(6)图3 UWB智能基站模块原理图d, = \\Xi — m\\

3 UWB定位系统的布置UWB基站定位模块的布局需要根据基站模块的性能 来确定.DWM1000模块最大定位距离100 m,在建筑物

和火场复杂条件下，保守的定位距离可设为最大值的一半

Rssi[Rssi：

式中：RSSI,为第：个RSSI信号强度值;加为样本均值;矿

为样本方差；本算法中通过高斯模型，根据实际经验设置

即50 m。UWB基站定位模块沿着疏散通道方向可每50

阈值为0.65»当函数F(z)的值小于0.65时，表示测得该基站定位

m布置1个。基站节点布局符合几何优化算法，考虑到疏 散通道直通性，且每3个基站节点可以定位1个标签节 点，故优先选定一个适宜的位置布置第一个基站节点，每3

个基站节点之间组成一个三角形，三角形每边边长均不超 过50 m。当消防救援人员在火场中移动时，其活动范围总 是落在每个三角形内部，定位距离在模块的精度范围内，

节点的RSSI值误差较大，应舍弃；反之,则写入队列中，并 且用g表示计入的个数。根据式(6),取其均值表示得到

RSSI的值。4.2三边测量定位方法通过式(6)计算得到的UWB标签模块与UWB基站

模块之间的距离，分别为d\\、dM,用三边测量定位方法进 行定位处理来计算UWB基站模块的位置二维坐标。假

定位准确度咼。UWB基站定位模块布局，如图4所示。4 UWB定位4.1改进RSSI测距定位算法RSSI是最简单最基础的测距方法之一，RSSI测距技

术是将信号强度的衰减转化为信号的传播距离。其具有

设测试环境中设有位置坐标分别为仗1,卩)、(如,対)、(花』3)

的3个UWB基站模块与坐标为仗,y)的1个UWB标签

模块。三边测量定位方法见式(7)、式(8)。强抗多径衰落与强抗干扰能力的特点，对系统硬件的要求 不高，在定位领域中得到广泛的应用。系统要得到带有

UWB标签的消防救援人员二维的坐标，需要3个以上(X—j：i)2 +Qy—■ (—j：2)2 + (>—>2)2=d-i (•Z — 码尸 + (y _ y3)2 =石(7)868Fire Science and Technology,June 2019, Vol 38,No.6可=丄乂1一工3夕1_》3 .5系统测试/」—孔：2-习 yi-y^ '

©消防救援定位系统的应用环境为智能建筑内部，为了 ~^3 +力2 — j/33 +

— d\\验证基于UWB消防救援定位系统的可行性，在某高校学 ―為'+y2 —y-i+d^—di^生公寓对本系统定位性能进行了测试。实验中测试了 10

4.3标准卡尔曼滤波(KF)精确定位算法个待定位UWB标签模块，使用了 6个UWB基站定位模

智能建筑中消防救援人员的动态系统模型描述，见式

块，在50 mX2 m的走廊通道平面内对待定位UWB标签 (9)、式(10)o模块进行相关数据测试，系统最终的测量定位结果与定位 X@+1)=0X(Q + GW(Q (9)误差见表1所示。丫仗)=HX(Q+V(Q (10)表1列出了 UWB定位标签的实际坐标、三边定位测

式(9)为此消防救援定位系统的状态方程，用来描述 量定位坐标和卡尔曼滤波的定位坐标及其误差。三边测 此系统的状态空间模型。式(10)为定位系统的观测方程，

量定位算法定位结果误差较大、波动性较大，经过卡尔曼 用来描述定位系统在各个时刻的观测值。〃为离散时间;X

滤波处理后的定位算法在各点处的定位精度有很大提高。(Qe R”为系统在k时刻的状态；为系统在k时刻 表1定位坐标及误差测量结果的观测信号；WQ)eR为系统噪声；V(QeR”为观测噪 三边定位序号标签

KF滤波后定位声。在此定位系统中，系统噪声W4)和观测噪声V(Q两 坐标定位坐标误差定位坐标误差者是不相关的，且W(小和VQ)的均值为0,协方差分别 1(1,1)(1.032,0.943)0.065(1.021,0.965)0.041为Q和R的白噪声，也不相关。初始状态X(0)和”4)、 2(5,1.5)(5.051,1.547)0.069(5.030,1.512)0.032V(Q不相关，见式(11)、式(12)。3(10,1)(9.916,1.023)().()87(9.963,1.014)0.039E[X(0)]=p。 (11)4(15,1.5)(14.927,1.486)0.074(15.015,1.499)0.014£{凶0)-“。]凶0)-沟][=卩。

(12)5(20,1)(20.069,0.938)0.093(20.025,0.969)0.0406(25,1.5)(25.014,1.581)0.081(24.997,1.534)0.034式中：“。为系统在X(0)状态的数学期望；P。为系统在X

7(30,1)(29.946,1.039)0.()()7(29.986,0.997)0.014(0)状态的误差方差阵。8(35,1.5)(34.945,1.468)0.064(34.984,1.509)0.018Kalman滤波器在上述条件下进行最小均方差意义下 9(40,1)(40.042,1.034)0.054(40.013,0.989)0.016的最优估计，主要经历“预测—更新”环节赋初值：X(0|0)= 10(45,1.5)(44.934,1.535)0.074(44.956,1.533)0.056“o,P(O|O)=Po。6结论第一步：状态预测，见式(13)。消防救援人员定位系统应用了 UWB的消防救援定

龙@+1同=0龙胡Q (13)位，系统应用了 UWB通信技术、三边定位方法与KF滤波 式中：乂伙+1蔺为由前一时刻估计出来的状态量的预估计

技术。经过上述对此系统的定位测试分析表明，该定位系

值；0为状态转移矩阵；X(^)为系统前一时刻状态的预测

统能够比较准确地对带有UWB标签模块的消防救援人 结果估计值。员进行实时定位估计，定位误差在厘米级范围内，定位精 第二步：协方差阵预测，见式(14)。度较髙，定位结果更加接近真实值，可保障火场环境中消 P@+1|Q=0P@|Q0t + gqgt (14)防救援人员的人身安全。式中：P伙|Q为前一时刻的均方误差估计值；P@+1|Q为由 前一时刻估计出来的均方误差预估计值；0T为矩阵0的转

参考文献：置;G为系统控制矩阵;GT为矩阵G的转置；Q为过程噪声 [1] 段世红，姚翠，徐诚，等.传感网中UWB和IMU融合定位的性能评估

的均方误差矩阵。[J].计算机研究与发展，2018,55(11):2501-2510.第三步:计算滤波增益矩阵，见式(15)。[2] 申伟光.基UW技术的煤矿井下无线定位系统[J].煤矿安全,2018,48

K仗+1) = P 仗 +

x \\HP{k+ l\\k)HT (15)(10):131-134.式中：H为测量系统的参数，J/T为[3] 蔡赣飞，徐爱功，洪州，等.抗差容积卡尔曼滤波及其在UWB室内定

h的转置；K(〃+l)、Kg

位中的应用[J].测绘科学,2018,43(12):123-129.(Q称为系统的增益因子。[4] 刘韬,徐爱功，隋心，等.基于自适应抗差卡尔曼滤波的UWE室内定

第四步：状态更新，见式(16)。位[J].传感技术学报,2018,31(4):567-572.X(k + +1)=乂@ + 1|Q+K仗 +1)(Y 仗 +1)

。介、-HX(k+l\\k))[5] 曹祥红，张华.基于UWB应急标志灯具的火场定位系统设计[J].消防

科学与技术,2017,36(1)： 82-85.第五步：协方差更新，见式(17)。⑹张开生，王静.基于ZigBee和RFID的消防救援人员定位系统设计[J].

P仗 + l\\k+l)=[_In-K(k+ l)H]xP(^+ 川)

(17)实验技术与管理,2017.34(7):121-126.式中込为单位矩阵。[7]邹杰，李珊君，陈晓明.一种改进的室内无线定位算法[J].计算机工请防科学与技术2019年6月第38卷第6期869消防与应急救援基于近场声波定位的灾后搜救系统设计罗义军I,尹 棋■,李 劲2,陈 松I(1.武汉大学 电子信息学院，湖北武汉430072；2.武汉纺织大学 电子与电气工程学院，湖北武汉430200)摘要：针对自然灾害后受灾现场被困人员救援迅速、准确

场环境较差，障碍物错综复杂，传统直接探测类型搜救设 备很难捕捉到需要的物理量，间接探测设备也会因为各类

的需求，设计了一种基于声波定位的灾后搜救系统。对被困人员 发出的声音求救信号进行分析，利用同源离散信号的互相关特性 获取声波信号到达声音传感器阵列的时间差，结合三维空间中四

信号源的干扰失去对定位精度的控制。利用声波能够在

各类介质中无障碍传导的特性，对被困人员发出的声音进

点定位的方法，根据几何运算获取声源位置，快速准确地对声源进 行定位。竝设计为灾后被困人员的快速搜救提供了一种新的途

行定位来实现人员搜救会更加有效，利用声音信号到达传

感器阵列的时间差可以准确定位声音来源的位置。径，具有重要的现实意义。1系统原理灾后现场如果有人员被困且尚存意识，被困者会发出

关键词：自然灾害;搜救;声波定位;应急救援中图分类号：X924.4,TU99&1文献标志码：B文章编号：1009-0029(2019)06-0870-04声音求救。发出声音的频率一般在300〜3 000 Hz,通过 倒塌的建筑物或者泥土和岩石以及空气来传播，最终被施

救人员或者设备接收。但灾害现场情况错综复杂，接收到

自然灾害通常会造成人员伤亡、社会失稳、资源破坏、

的求救信号中会夹杂很多环境噪声，同时由于废墟中各种 障碍物的阻隔，求救信号会产生严重的衰减，使接收到的 信号强度很弱。这就需要对接收到的信号进行信号调理， 获取较纯净的有效信号。财产损失等。在有人员被困的情况下，如何快速、准确地 定位被困人员至关重要。要对被困人员进行定位，首先就 要确认生命迹象的存在。目前，国内外的生命探测技术主 要分为直接探测和间接探测。直接探测是探测由人的生 命迹象直接反映出的一些物理量，如辐射的红外线，从而

如图1所示，声波定位系统由信号接收和调理模块、 模数转换模块、FPGA信号处理模块、单片机显示模块四 部分组成。信号接收和调理模块包括4个声音传感器组

判断出是否有被困人员。间接探测是探测由人携带的一 些设备的信息，从而间接判断出是否有被困人员。灾害现

程,2011,(14):76-78.成的传感器阵列、小信号放大器、固定放大器、滤波器。声(Department of Wine Making Engineering and Automation,

...............'in,，”\",|1||1..-*>1||””\" ..............................inhid””\"in,””\"\"in ....io....in....in....in, ....mt.............................”'in”.“\"in, ................in”\"\"[8] 杨洲，汪云甲，陈国良，等.超宽带室内高精度定位技术研究[J].导航

定位学报,2014,20(4):31-35.Faculty of Moutai, Guizhou Zunyi 564500, China)Abstract: A fire rescue positioning system is designed by using

[9] 祖军，郝润科,杨光.UWB技术在消防救援人员位置定位系统研究与

应用[J].计算机系统应用,2012,21(8):156-159.UWB technology. The UWB positioning tag is detected at the per­

ception layer. The network layer transmits the ranging results to the UWB positioning server in the application layer for real-time positioning processing.This paper introduces the overall design of positioning system, the structure of UWB base station module and

[10] 杨洲，汪云甲，陈国良，等.超宽带室内高精度定位技术研究[J].导航

定位学报,2014,14(8):31-35.[11] 郭飞.超宽带室内高精度定位技术研究[D].青岛：中国海洋大学，

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[13] 张玉梅，康晓霞.救援队员室内定位技术分析[J].消防科学与技术， and the error is controlled within centimeters.Key words: fire protection； emergency rescue； UWB； positioning；

2012,31(6):637-639.[14] 张锋，梁步阁，容睿智，等.UWE雷达生命探测仪系统设计与试验 Kalman Filtering[J].消防科学与技术,2017,36(7)：967-969.[15] 白殿涛，张君娜,潘悦.室内定位导航逃生救援系统原理与技术探究

[J]•消防科学与技术，2018,37(11)： 1560-1563.作者简介:潘有顺(1977-),男，江苏淮安人，茅台学院 酿酒工程自动化系教研主任，副教授，高级工程师，主要从

The optimization design of fire rescue positioning system based on UWBPAN You-shun, PENG Tian-hao, KANG Wan-jie870事消防物联网研究，贵州省仁怀市鲁班大道,564500。通信作者：彭天昊(1983-).男，茅台学院酿酒工程自

动化系教师。收稿日期:2019-01-26

Fire Science and Technology.June 2019,Vol 38,No.6