基于WiFi的RFID室內(nèi)消防定位方案研究

1、基于WiFi的RFID室內(nèi)消防定位方案研究摘要 鑒于WiFi的抗干擾能力比較差，在實(shí)際生產(chǎn)生活中，獨(dú)立地使用WiFi技術(shù)進(jìn)行室內(nèi)定位已不足以滿足人們對(duì)實(shí)時(shí)準(zhǔn)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(nèi)消防定位方案，該方案通過信息融合技術(shù)，同時(shí)利用WiFi和RFID實(shí)現(xiàn)更加精確地實(shí)時(shí)定位。本方案的實(shí)施，首先在不同時(shí)段利用終端對(duì)室內(nèi)地理位置所接收AP結(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行多次采集，并建立對(duì)應(yīng)時(shí)段標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)；其次通過將實(shí)時(shí)采集的終端信息與數(shù)據(jù)庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，推算出比較準(zhǔn)確的定位方式；最后服務(wù)器通過定位算法對(duì)終端所反饋的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而獲取更為準(zhǔn)

2、確的位置信息。關(guān)鍵詞 WiFi；信息融合；RFID；火災(zāi)預(yù)警；實(shí)時(shí)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(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的加速，城市高層建筑急速增多，大型商場(chǎng)突發(fā)火災(zāi)已成為城市災(zāi)害中最為常見的災(zāi)害形式。在城市預(yù)防火災(zāi)方面主要采用的是在商場(chǎng)內(nèi)安裝火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)及其聯(lián)動(dòng)消防裝置。但是在這種消防設(shè)備管理和監(jiān)督體系下，由于無法及時(shí)地對(duì)商場(chǎng)內(nèi)的消防設(shè)施進(jìn)行檢查維修，導(dǎo)致很多火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)故障頻發(fā)，不能及時(shí)對(duì)已發(fā)災(zāi)害進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)警。加之消防員在滅火搶險(xiǎn)救援過程中，很容易遭遇到各種突發(fā)性危險(xiǎn)情況，甚至?xí)霈F(xiàn)傷亡。而在意外發(fā)生后，如何對(duì)參與救災(zāi)的消防人員的具體位置進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的定位，如何成功處置災(zāi)害事故，尤其是在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)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(shù)和RFID2技術(shù)的城市火災(zāi)預(yù)警和室內(nèi)人員定位方案具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。1 系統(tǒng)方案需求分析在消防人員搶險(xiǎn)救災(zāi)過程中，由于復(fù)雜環(huán)境以及電磁干擾，會(huì)對(duì)WiFi定位產(chǎn)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(diǎn)，實(shí)現(xiàn)彼此的互補(bǔ)，從而達(dá)到精確定位。1)準(zhǔn)確定位：消防指揮中心在接到火災(zāi)預(yù)警信號(hào)，準(zhǔn)確確定受災(zāi)地點(diǎn)，并根據(jù)WiFi和RFID采集的數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)對(duì)救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)消防人員的精確定位，并對(duì)火災(zāi)狀況有大概的了解。2）及時(shí)迅速：時(shí)間就是生命，如何在最短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行火災(zāi)處理是至關(guān)重要的，利用該系統(tǒng)就可以就近調(diào)度消防人員并對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控和指揮 。3）現(xiàn)場(chǎng)

8、指揮：消防監(jiān)控指揮中心通過對(duì)消防人員的定位，準(zhǔn)確觀察消防人員的周邊的狀況，實(shí)現(xiàn)指揮中心對(duì)消防人員的現(xiàn)場(chǎng)指揮。消防人員定位系統(tǒng)需要將消防人員的動(dòng)態(tài)情況及時(shí)準(zhǔn)確的反映到終端服務(wù)器，使管理員能夠隨時(shí)掌握消防員所處的具體位置、消防員的分布以及現(xiàn)場(chǎng)的情況，以便于遠(yuǎn)程指導(dǎo)進(jìn)行更加合理的救災(zāi)行動(dòng)，從而提高救援工作的效率。本系統(tǒng)方案主要應(yīng)用在大型商場(chǎng)這樣一個(gè)人流比較多，容易發(fā)生火災(zāi)的地方。根據(jù)對(duì)大型商場(chǎng)消防現(xiàn)狀的調(diào)查與分析，設(shè)計(jì)新系統(tǒng)時(shí)應(yīng)充分利用RFID和WiFi的特點(diǎn)，以確保滿足設(shè)計(jì)的最終目的，在設(shè)計(jì)中需要注意一下幾個(gè)問題：1）實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性。本系統(tǒng)屬于遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)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(cè)裝置準(zhǔn)確反饋經(jīng)過該區(qū)域的消防人員信息，才能給消防領(lǐng)導(dǎo)為救活救災(zāi)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(shí)工作，提供較強(qiáng)抗干擾能力以適應(yīng)商場(chǎng)的各種復(fù)雜環(huán)境，保證系統(tǒng)連續(xù)可靠運(yùn)行4。3)實(shí)用性。消防人員只需要通過標(biāo)簽的位置來確定自己的位置，簡(jiǎn)單可行。4)可擴(kuò)展性。本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多種技術(shù)的融合，在應(yīng)用該系統(tǒng)時(shí)，能夠?qū)⑵湟浦恋狡渌麍?chǎng)合，并且能夠和其他無線技術(shù)融合，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)1）信息讀取功能。將儲(chǔ)存在RFID標(biāo)簽中的信息讀取出來，其中包括定位標(biāo)簽所在的位置信息以及標(biāo)簽的ID號(hào)及一些基本信息。2）報(bào)警信息采集功能。由火警檢測(cè)傳感器

10、，如煙霧傳感器、溫度傳感器等。當(dāng)設(shè)備檢測(cè)到有火警信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，會(huì)及時(shí)發(fā)送至WiFi接入點(diǎn)AP。3) 信息融合功能。利用WiFi和RFID的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)互補(bǔ)，通過將二者采集到的信息與數(shù)據(jù)庫(kù)中的參考值進(jìn)行對(duì)比，確定最佳定位方案。4）無線傳輸功能。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(diǎn)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(jìn)行發(fā)送給AP，AP把數(shù)據(jù)裝入一種特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(wù)器。6）信息數(shù)據(jù)處理。該部分工作由管理系統(tǒng)自動(dòng)完成，該系統(tǒng)可以將搜集到的數(shù)據(jù)信息處理并與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)

11、庫(kù)中的參考值進(jìn)行對(duì)比，將結(jié)果反饋給監(jiān)控指揮人員，其中包括： 各個(gè)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(gè)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(shè)計(jì)方案基于WiFi的RFID室內(nèi)消防定位系統(tǒng)主要用于大型商場(chǎng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)的預(yù)警和消防人員在處理火災(zāi)時(shí)的定位跟蹤，該系統(tǒng)總共分為三個(gè)大的模塊，消防預(yù)警模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊和最佳定位模塊。這三個(gè)模塊只要實(shí)現(xiàn)兩大功能，即預(yù)警和跟蹤定位。每一個(gè)模塊都是根據(jù)方案的需求來劃分的，對(duì)于每一個(gè)模塊，都有該模塊多的性能指標(biāo)，又由不同的小模塊構(gòu)成。3.1消防預(yù)警模塊該模塊主要將多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、主動(dòng)空氣采樣、空氣顆粒識(shí)別和煙霧濃度鑒別

12、和遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)相結(jié)合，用來監(jiān)測(cè)無線火災(zāi)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的不同位置的溫度和煙霧濃度，當(dāng)探測(cè)得到的數(shù)據(jù)超過報(bào)警閥值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)并顯示報(bào)警節(jié)點(diǎn)的位置。該消防預(yù)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(gòu)成圖：圖1消防監(jiān)控處于該模塊的最高層，由計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的系統(tǒng)軟件構(gòu)成，同時(shí)兼有GIS系統(tǒng)，用于對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)化為圖像信息。監(jiān)控人員通過對(duì)圖像的觀察分析，立即啟動(dòng)消防預(yù)案，以達(dá)到及時(shí)、迅速處理的效果。數(shù)據(jù)傳輸主要由WiFi無線網(wǎng)絡(luò)和已有的以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸。在火災(zāi)發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)，有線網(wǎng)絡(luò)并不是非?？煽浚苡锌赡馨l(fā)生故障。WiFi網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)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(shí)驗(yàn)證明這種數(shù)據(jù)傳遞方式高速、及時(shí)、穩(wěn)定、有效。信息采集主要利用RFID標(biāo)簽，將煙霧傳感器和RFID標(biāo)簽集成到一起，然后按照樓層或者房間的設(shè)置，將集成好的帶有煙霧傳感器的標(biāo)簽安置在墻壁的合適的位置。當(dāng)商場(chǎng)某一處著火時(shí)，空中的煙霧含量會(huì)急劇增大，當(dāng)傳感器感應(yīng)到的空氣中煙霧的含量超過設(shè)置的閥值時(shí)，傳感器就會(huì)將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過WiFi無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)紸P節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而通過以太網(wǎng)傳出到控制中心。3.2數(shù)據(jù)庫(kù)的模塊 鑒于室外無線定位的特點(diǎn)，要想實(shí)現(xiàn)精確定位，就必須提前對(duì)定位的地理環(huán)境進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度樣點(diǎn)采集，將采集的信號(hào)強(qiáng)度信

14、息進(jìn)行處理建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)。在具體實(shí)時(shí)定位時(shí)，只要我們通過無線終端將搜集到的該地點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度信息傳輸?shù)椒?wù)器，跟標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的參考值做匹配，根據(jù)差值不斷的進(jìn)行調(diào)整，最后達(dá)到最佳值，對(duì)實(shí)施地點(diǎn)進(jìn)行精確的定位。根據(jù)室外無線定位的原理，要想進(jìn)行對(duì)室內(nèi)的精確定位，我們同樣需要根據(jù)室內(nèi)的布局對(duì)室內(nèi)進(jìn)行樣點(diǎn)采集，然后建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，在實(shí)時(shí)定位中作為參考進(jìn)行定位。我們提出以下建立數(shù)據(jù)庫(kù)的方案：1) WiFi節(jié)點(diǎn)和RFID標(biāo)簽的設(shè)置要想實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)大型商場(chǎng)進(jìn)行精確的定位，WiFi節(jié)點(diǎn)和RFID標(biāo)簽恰當(dāng)合理的設(shè)置是進(jìn)行室內(nèi)精確定位的關(guān)鍵。首先對(duì)該大型商場(chǎng)進(jìn)行勘測(cè)，根據(jù)商場(chǎng)的室內(nèi)布局，對(duì)商場(chǎng)的布局和具體的物體擺放位置

15、進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合WiFi節(jié)點(diǎn)和RFID標(biāo)簽的物理特性，計(jì)算出WiFi節(jié)點(diǎn)之間的距離以及RFID標(biāo)簽之間的距離，在適當(dāng)?shù)奈恢貌贾肳iFi節(jié)點(diǎn)和RFID標(biāo)簽。2) 信號(hào)強(qiáng)度信息采集及處理在正常情況下，取商場(chǎng)內(nèi)任意一點(diǎn)，檢測(cè)一天內(nèi)不同時(shí)段的WiFi信號(hào)強(qiáng)度和RFID信號(hào)強(qiáng)度，并建立特定時(shí)段的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)作為實(shí)時(shí)定位的參考值。數(shù)據(jù)庫(kù)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(shù)相結(jié)合，利用RFID抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)來彌補(bǔ)WiFi的不足。（分為兩部分，一部分是后臺(tái)服務(wù)器，利于監(jiān)控人員去觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，另一部分可以做到終端上，實(shí)時(shí)定位）定位服務(wù)器主要有計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，主動(dòng)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(nèi)有很多固定的參考標(biāo)簽，將此標(biāo)簽的位置信息通過定位服務(wù)器送入數(shù)據(jù)庫(kù)集中的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后分別將WiFi和RFID單獨(dú)工作時(shí)的定位信息經(jīng)由定位服務(wù)器送到數(shù)據(jù)庫(kù)集中的定位數(shù)據(jù)庫(kù)。將標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)與定位數(shù)據(jù)庫(kù)中的位置信息進(jìn)行比對(duì)，計(jì)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(kù)中的數(shù)據(jù)每隔一段時(shí)間就會(huì)將參考標(biāo)簽的位置信息更新一次，相應(yīng)的分析處理部分就會(huì)對(duì)定位數(shù)據(jù)庫(kù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，以便能夠及時(shí)確定最優(yōu)的定位方式，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性。信息融合流程圖如下： 圖3在消防實(shí)時(shí)定位時(shí)

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

18、結(jié)合的室內(nèi)定位技術(shù)。WiFi是利用免費(fèi)的2.4G頻段，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的高效傳輸。WiFi的傳輸距離可以達(dá)到100m，具有很廣的覆蓋范圍。但是影響室內(nèi)定位精度的不僅僅是定位技術(shù)的選測(cè)，定位算法的好壞也直接影響到室內(nèi)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(guān)的算法和基于測(cè)距技術(shù)的定位算法，如質(zhì)心法、APIT算法、凸規(guī)劃算法等與距離無關(guān)的算法以及基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示算法(RSSI)、到達(dá)角度算法(AOA)、到達(dá)時(shí)間算法 (TOA)等基于測(cè)距技術(shù)的算法7。在我們提出的基于WiFi和RFID的室內(nèi)定位系統(tǒng)中，我們充分考慮了大型商場(chǎng)的地理環(huán)境，考慮到對(duì)消防工作人員位置的精確跟蹤定位，

19、結(jié)合電子標(biāo)簽和定位終端的信號(hào)循環(huán)發(fā)射和接受，我們提出采用基于信號(hào)強(qiáng)度的算法和三邊定位算法。4.1 信號(hào)強(qiáng)度算法7經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，通過信號(hào)在傳播過程中的衰減來估測(cè)節(jié)點(diǎn)之間的距離，實(shí)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(hào)強(qiáng)度： 公式（1）式中：n為路徑損耗指數(shù)，與周圍的環(huán)境有關(guān)；是標(biāo)準(zhǔn)差為的的正態(tài)隨機(jī)變量；式參考距離，在室內(nèi)環(huán)境中通常取1m；為參考位置的信號(hào)強(qiáng)度。假設(shè)有n個(gè)AP，m個(gè)參考標(biāo)簽，則AP點(diǎn)接收到待定標(biāo)簽的強(qiáng)P=（），采集到得第t個(gè)參考標(biāo)簽的強(qiáng)度矢量為和參考標(biāo)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(biāo)簽位置最近的參考標(biāo)簽，當(dāng)由K個(gè)臨近的參考標(biāo)簽來確定一個(gè)待測(cè)標(biāo)簽的時(shí)候，即可計(jì)算出待定標(biāo)簽坐標(biāo)是： 公式（3）其中的和分別是第個(gè)臨近參考標(biāo)簽的權(quán)重因子和坐標(biāo)位置。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)： 公式（4） 權(quán)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(gè)AP為圓心，以各個(gè)到待測(cè)標(biāo)簽的距離最近參考標(biāo)簽的距離為半徑作圓。所得到的3個(gè)圓的交點(diǎn)為D。該算法的示意圖如圖4:圖5設(shè)位置節(jié)點(diǎn)D(x,y),已知A、B、C三點(diǎn)坐標(biāo)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(gè)求解。 公式（5） 公式（6） 公式（7） 我們?cè)谶M(jìn)行定位的時(shí)候采用了將信