基于WiFi的RFID室內消防定位方案研究[共5頁]

1、基于WiFi的RFID室內消防定位方案研究摘要 鑒于WiFi的抗干擾能力比較差,在實際生產生活中,獨立地使用WiFi技術進行室內定位已不足以滿足人們對實時準確定位的需求,特別是在處理城市消防問題中顯得尤為突出。本文提出了一種基于WiFi的RFID室內消防定位方案,該方案通過信息融合技術,同時利用WiFi和RFID實現(xiàn)更加精確地實時定位。本方案的實施,首先在不同時段利用終端對室內地理位置所接收AP結點的信號強度進行多次采集,并建立對應時段標準數(shù)據(jù)庫；其次通過將實時采集的終端信息與數(shù)據(jù)庫的標準值進行對比,推算出比較準確的定位方式；最后服務器通過定位算法對終端所反饋的實時數(shù)據(jù)進行處理,從而獲取更為準

2、確的位置信息。關鍵詞 WiFi；信息融合；RFID；火災預警；實時定位RFID Indoor Fire location Scheme based on WiFiYuchao Wang,Yiming Gu,Huizhen Jia,Kaiqiang WangAbstract In view of WiFis poor ability of anti-interference,in real life,just using the WiFi technology for indoor positioning can not satisfy peoples demand for real-time

3、and accuration. Especially in the process of city fire control problem,that kind of situation is particularly prominent.In this paper, a RFID indoor fire location scheme based on WiFi has been proposed. Through information fusion and using the technology of RFID and WiFi at the same time,the scheme

4、could realize real-time positioning accurately. There are several steps to carry out the scheme. Firstly, using terminal to indoor location collects the signal strength of the AP nodes for many times, averaging and establishing the standard database; Secondly, through comparing the information comes

5、 from terminal with a standard database, select the more accurate positioning approach; At last, Server through localization algorithm processes real-time data terminal feedbacks, so as to obtain more accurate location information. Keywords WiFi; Information fusion; RFID; Fire alarm; Real-time locat

6、ion引言目前,伴隨我國城鎮(zhèn)化建設的加速,城市高層建筑急速增多,大型商場突發(fā)火災已成為城市災害中最為常見的災害形式。在城市預防火災方面主要采用的是在商場內安裝火災自動報警系統(tǒng)及其聯(lián)動消防裝置。但是在這種消防設備管理和監(jiān)督體系下,由于無法及時地對商場內的消防設施進行檢查維修,導致很多火災自動報警系統(tǒng)故障頻發(fā),不能及時對已發(fā)災害進行及時準確地預警。加之消防員在滅火搶險救援過程中,很容易遭遇到各種突發(fā)性危險情況,甚至會出現(xiàn)傷亡。而在意外發(fā)生后,如何對參與救災的消防人員的具體位置進行實時準確的定位,如何成功處置災害事故,尤其是在火災現(xiàn)場出現(xiàn)消防人員被困的情況下盡快制定出合理的救援方案十分重要。因此,建

7、立基于WiFi1技術和RFID2技術的城市火災預警和室內人員定位方案具有很重要的現(xiàn)實意義。1 系統(tǒng)方案需求分析在消防人員搶險救災過程中,由于復雜環(huán)境以及電磁干擾,會對WiFi定位產生很大的影響,利用RFID的穩(wěn)定性、抗干擾性,以及WiFi覆蓋范圍廣、傳出速率高的優(yōu)點,實現(xiàn)彼此的互補,從而達到精確定位。1)準確定位：消防指揮中心在接到火災預警信號,準確確定受災地點,并根據(jù)WiFi和RFID采集的數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)對救災現(xiàn)場消防人員的精確定位,并對火災狀況有大概的了解。2）及時迅速：時間就是生命,如何在最短的時間內進行火災處理是至關重要的,利用該系統(tǒng)就可以就近調度消防人員并對其進行監(jiān)控和指揮 。3）現(xiàn)場

8、指揮：消防監(jiān)控指揮中心通過對消防人員的定位,準確觀察消防人員的周邊的狀況,實現(xiàn)指揮中心對消防人員的現(xiàn)場指揮。消防人員定位系統(tǒng)需要將消防人員的動態(tài)情況及時準確的反映到終端服務器,使管理員能夠隨時掌握消防員所處的具體位置、消防員的分布以及現(xiàn)場的情況,以便于遠程指導進行更加合理的救災行動,從而提高救援工作的效率。本系統(tǒng)方案主要應用在大型商場這樣一個人流比較多,容易發(fā)生火災的地方。根據(jù)對大型商場消防現(xiàn)狀的調查與分析,設計新系統(tǒng)時應充分利用RFID和WiFi的特點,以確保滿足設計的最終目的,在設計中需要注意一下幾個問題：1）實時性、準確性。本系統(tǒng)屬于遠程檢測系統(tǒng),實時性和準確性是最基本的要求,只有確保布

9、置在監(jiān)控區(qū)域的檢測裝置準確反饋經過該區(qū)域的消防人員信息,才能給消防領導為救活救災提供決策支持。2）可靠性、抗干擾性。系統(tǒng)中的RFID模塊與WiFi模塊同時工作,提供較強抗干擾能力以適應商場的各種復雜環(huán)境,保證系統(tǒng)連續(xù)可靠運行4。3)實用性。消防人員只需要通過標簽的位置來確定自己的位置,簡單可行。4)可擴展性。本系統(tǒng)能夠實現(xiàn)多種技術的融合,在應用該系統(tǒng)時,能夠將其移至到其他場合,并且能夠和其他無線技術融合,增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2 系統(tǒng)效用的實現(xiàn)1）信息讀取效用。將儲存在RFID標簽中的信息讀取出來,其中包括定位標簽所在的位置信息以及標簽的ID號及一些基本信息。2）報警信息采集效用。由火警檢測傳感器

10、,如煙霧傳感器、溫度傳感器等。當設備檢測到有火警信號出現(xiàn)時,會及時發(fā)送至WiFi接入點AP。3) 信息融合效用。利用WiFi和RFID的優(yōu)點,實現(xiàn)技術互補,通過將二者采集到的信息與數(shù)據(jù)庫中的參考值進行對比,確定最佳定位方案。4）無線傳輸效用。將從每一處獲取的消防員位置信息和通過煙霧傳感器和溫度傳感器獲取的周圍環(huán)境信息通過無線傳輸,發(fā)送至WiFi接入點AP。5）AP端信息采集5。由定位終端將接收到的數(shù)據(jù)信息進行發(fā)送給AP,AP把數(shù)據(jù)裝入一種特定的數(shù)據(jù)結構中,并將其通過以太網(wǎng)發(fā)送至地面監(jiān)控中心的定位服務器。6）信息數(shù)據(jù)處理。該部分工作由管理系統(tǒng)自動完成,該系統(tǒng)可以將搜集到的數(shù)據(jù)信息處理并與標準數(shù)據(jù)

11、庫中的參考值進行對比,將結果反饋給監(jiān)控指揮人員,其中包括： 各個消防人員攜帶的定位終端通過WiFi采集到的數(shù)據(jù)信息。 各個消防人員攜帶的定位終端通過RFID采集到的數(shù)據(jù)信息。3 系統(tǒng)設計方案基于WiFi的RFID室內消防定位系統(tǒng)主要用于大型商場發(fā)生火災時的預警和消防人員在處理火災時的定位跟蹤,該系統(tǒng)總共分為三個大的模塊,消防預警模塊、數(shù)據(jù)庫模塊和最佳定位模塊。這三個模塊只要實現(xiàn)兩大效用,即預警和跟蹤定位。每一個模塊都是根據(jù)方案的需求來劃分的,對于每一個模塊,都有該模塊多的性能指標,又由不同的小模塊構成。3.1消防預警模塊該模塊主要將多媒體技術、網(wǎng)絡技術、主動空氣采樣、空氣顆粒識別和煙霧濃度鑒別

12、和遠程報警系統(tǒng)相結合,用來監(jiān)測無線火災探測網(wǎng)絡范圍內的不同位置的溫度和煙霧濃度,當探測得到的數(shù)據(jù)超過報警閥值時,發(fā)出報警信號并顯示報警節(jié)點的位置。該消防預警模塊主要由信息采集、數(shù)據(jù)傳送和消防監(jiān)控三部分組成。模塊構成圖：圖1消防監(jiān)控處于該模塊的最高層,由計算機和相應的系統(tǒng)軟件構成,同時兼有GIS系統(tǒng),用于對數(shù)據(jù)信息進行處理,將其轉化為圖像信息。監(jiān)控人員通過對圖像的觀察分析,立即啟動消防預案,以達到及時、迅速處理的效果。數(shù)據(jù)傳輸主要由WiFi無線網(wǎng)絡和已有的以太網(wǎng)進行傳輸。在火災發(fā)生現(xiàn)場,有線網(wǎng)絡并不是非常可靠,很有可能發(fā)生故障。WiFi網(wǎng)絡接收器接收數(shù)據(jù)采集模塊集成的煙霧傳感器傳遞過來的數(shù)據(jù)信息

13、之后,通過AP節(jié)點進行自動組網(wǎng),最后再通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)信息傳遞到消防指揮中心。通過大量的實驗證明這種數(shù)據(jù)傳遞方式高速、及時、穩(wěn)定、有效。信息采集主要利用RFID標簽,將煙霧傳感器和RFID標簽集成到一起,然后按照樓層或者房間的設置,將集成好的帶有煙霧傳感器的標簽安置在墻壁的合適的位置。當商場某一處著火時,空中的煙霧含量會急劇增大,當傳感器感應到的空氣中煙霧的含量超過設置的閥值時,傳感器就會將檢測到的數(shù)據(jù)通過WiFi無線網(wǎng)絡傳輸?shù)紸P節(jié)點,進而通過以太網(wǎng)傳出到控制中心。3.2數(shù)據(jù)庫的模塊 鑒于室外無線定位的特點,要想實現(xiàn)精確定位,就必須提前對定位的地理環(huán)境進行信號強度樣點采集,將采集的信號強度信

14、息進行處理建立標準數(shù)據(jù)庫。在具體實時定位時,只要我們通過無線終端將搜集到的該地點的信號強度信息傳輸?shù)椒掌?跟標準數(shù)據(jù)庫中的參考值做匹配,根據(jù)差值不斷的進行調整,最后達到最佳值,對實施地點進行精確的定位。根據(jù)室外無線定位的原理,要想進行對室內的精確定位,我們同樣需要根據(jù)室內的布局對室內進行樣點采集,然后建立標準數(shù)據(jù)庫,在實時定位中作為參考進行定位。我們提出以下建立數(shù)據(jù)庫的方案：1) WiFi節(jié)點和RFID標簽的設置要想實現(xiàn)對一個大型商場進行精確的定位,WiFi節(jié)點和RFID標簽恰當合理的設置是進行室內精確定位的關鍵。首先對該大型商場進行勘測,根據(jù)商場的室內布局,對商場的布局和具體的物體擺放位置

15、進行測量,結合WiFi節(jié)點和RFID標簽的物理特性,計算出WiFi節(jié)點之間的距離以及RFID標簽之間的距離,在適當?shù)奈恢貌贾肳iFi節(jié)點和RFID標簽。2) 信號強度信息采集及處理在正常情況下,取商場內任意一點,檢測一天內不同時段的WiFi信號強度和RFID信號強度,并建立特定時段的標準數(shù)據(jù)庫作為實時定位的參考值。數(shù)據(jù)庫建立流程如圖2：圖23.3最佳定位模塊該模塊將WiFi和RFID定位技術相結合,利用RFID抗干擾性強的優(yōu)點來彌補WiFi的不足。（分為兩部分,一部分是后臺服務器,利于監(jiān)控人員去觀測現(xiàn)場,另一部分可以做到終端上,實時定位）定位服務器主要有計算機和相應的數(shù)據(jù)庫軟件組成,接受由以太

16、網(wǎng)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息,然后對數(shù)據(jù)進行相應的處理,主動的將處理過的信息發(fā)送到消防指揮中心。待定位區(qū)域內有很多固定的參考標簽,將此標簽的位置信息通過定位服務器送入數(shù)據(jù)庫集中的標準數(shù)據(jù)庫中,然后分別將WiFi和RFID單獨工作時的定位信息經由定位服務器送到數(shù)據(jù)庫集中的定位數(shù)據(jù)庫。將標準數(shù)據(jù)庫與定位數(shù)據(jù)庫中的位置信息進行比對,計算出誤差較小的一種定位方式,選取為最終定位方式。其中定位數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)每隔一段時間就會將參考標簽的位置信息更新一次,相應的分析處理部分就會對定位數(shù)據(jù)庫與標準數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行分析對比,以便能夠及時確定最優(yōu)的定位方式,增強系統(tǒng)的抗干擾性。信息融合流程圖如下： 圖3在消防實時定位時

17、,通過WiFi將消防員攜帶的定位終端采集的信息實時發(fā)送到服務器,利用最佳模塊選擇的最佳定位方式對采集到的實時數(shù)據(jù)進行處理,以獲取消防人員所處的準確位置,以實現(xiàn)指揮中心對消防人員的準確指導。系統(tǒng)示意圖如圖4：圖44 室內定位算法目前,無線定位技術發(fā)展的已經比較成熟,比如GPS定位技術,能夠非常準確的對室外的物體進行定位,但對于室內的定位來講,由于建筑物的阻擋以及多徑效應無法對室內的人或者物進行精確的定位。隨著技術的發(fā)展,人們逐漸研究出了可以實現(xiàn)室內定位的無線定位技術?；赗FID的無線定位技術縮小了定位的范圍,相對于GPS的定位的精確度已經大大的提高。在這里,我們主要運用到基于WiFi和RFID

18、結合的室內定位技術。WiFi是利用免費的2.4G頻段,實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的高效傳輸。WiFi的傳輸距離可以達到100m,具有很廣的覆蓋范圍。但是影響室內定位精度的不僅僅是定位技術的選測,定位算法的好壞也直接影響到室內精確定位的成敗。目前常見的定位算法基本上可以分為兩大類,即與距離無關的算法和基于測距技術的定位算法,如質心法、APIT算法、凸規(guī)劃算法等與距離無關的算法以及基于接收信號強度指示算法(RSSI)、到達角度算法(AOA)、到達時間算法 (TOA)等基于測距技術的算法7。在我們提出的基于WiFi和RFID的室內定位系統(tǒng)中,我們充分考慮了大型商場的地理環(huán)境,考慮到對消防工作人員位置的精確跟蹤定位,

19、結合電子標簽和定位終端的信號循環(huán)發(fā)射和接受,我們提出采用基于信號強度的算法和三邊定位算法。4.1 信號強度算法7經過大量的實驗研究,發(fā)現(xiàn)信號強度服從對數(shù)正態(tài)分布,通過信號在傳播過程中的衰減來估測節(jié)點之間的距離,實現(xiàn)精確定位。根據(jù)信道模型求解接收到待定位置的信號強度： 公式（1）式中：n為路徑損耗指數(shù),與周圍的環(huán)境有關；是標準差為的的正態(tài)隨機變量；式參考距離,在室內環(huán)境中通常取1m；為參考位置的信號強度。假設有n個AP,m個參考標簽,則AP點接收到待定標簽的強P=（）,采集到得第t個參考標簽的強度矢量為和參考標簽之間的歐氏距離為： 公式（2）然后通過比較不同E來尋找待定標簽位置最近的參考標簽,當由K個臨近的參考標簽來確定一個待測標簽的時候,即可計算出待定標簽坐標是： 公式（3）其中的和分別是第個臨近參考標簽的權重因子和坐標位置。根據(jù)經驗： 公式（4） 權重越大,E值越小。4.2 三邊定位算法三邊定位算法8：分別以已知位置的3個AP為圓心,以各個到待測標簽的距離最近參考標簽的距離為半徑作圓。所得到的3個圓的交點為D。該算法的示意圖如圖4:圖5設位置節(jié)點D(x,y),已知A、B、C三點坐標為,。它們到D的距離分別是,。則D的位置可以通過下列方程中的任意兩個求解。 公式（5） 公式（6） 公式（7） 我們在進行定位的時候采用了將信號強度算法和三邊