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基于物联网技术的消防救援系统设计与实现

发表时间：2021/6/17 来源：《基层建设》2021年第6期作者：焦岱峰

[导读] 摘要：本系统基于环境监测传感器、WiFi技术和ZigBee技术构建了消防救援系统，并基于粒子群算法实现了消防救援人员位置精确定位和智能调度，构建了高效的消防救援系统。

        济南市天桥区消防救援大队 250002
        摘要：本系统基于环境监测传感器、WiFi技术和ZigBee技术构建了消防救援系统，并基于粒子群算法实现了消防救援人员位置精确定位和智能调度，构建了高效的消防救援系统。
        关键词：物联网；WIFI；ZigBee；消防救援
        近年来，随着我国建筑行业的快速发展。大型建筑数量不断增加，且空间封闭性高，火灾风险上升，一旦发生火灾事故，可能面临救援难度大、伤亡人数高、火灾损失大等问题，因此，城市消防救援面临的日益严峻的新形势。随着信息技术的发展，物联网技术业已成为国内外研究的热点，将物联网技术应用于消防救援领域能够提高消防救援的技术性、安全性，有利于改善城市消防救援面临的痛点、难点问题。本文结合国内外研究，借助ZigBee技术进行定位和通信，从而实现物联网技术与消防救援领域的有效融合。
        1系统实现思路
        在建筑室内消防救援中，救援人员实时定位、救援现场信息反馈、救援路径智能调度是消防救援指挥的关键。本系统基于ZigBee技术和WIFI技术实现消防救援人员的定位，满足消防救援人员高精度定位要求。救援现场信息反馈时，传感器通过无线网线网络收集信息后并上传至上位机，构建消防火灾现场虚拟环境，并根据虚拟环境算法确定消防救援路径，以此实现消防救援信息化、智能化。
        2 系统实现技术具体研究
        本系统基于ZigBee、WIFI联合定位技术和智能调度系统实现，其技术原理如下：
        2.1 ZigBee与WIFI联合定位技术
        ZigBee技术的应用优势在于能耗低、成本低，劣势为可扩展性差，传输速率低，只能用于定位信息传输。WIFI技术优势在于易于安装、传输速率高、定位精度高，但稳定性差、能耗较高。通过将两者结合，能够实现两种技术的优势互补，确保消防救援现场信息准确、及时、全面收集，为消防救援决策提供有效依据。
        本系统中，充分发挥ZigBee技术能耗低、成本低的特点，对建筑内部空间进行咋密集布网，ZigBee节点与多种信息采集传感器相连，借助WIFI技术和ZigBee技术对消防人员进行定位，将ZigBee技术定位信息和传感器信息经WIFI传输至服务器。
        WIFI网络承载救援人员定位、语音通话、视频传输等信息。当救援人员进入火灾现场时，胸前佩戴绑定身份信息的AP终端，通过扫描RSSI值，与已布设的WIFI网络实现信息交互，并将收集到的信息通过无线网络传输至消防监控中心服务器，服务器借助指纹定位算法，确定消防人员在室内的准确定位信息。
        2.2 智能调度系统
        智能调度系统主要实现消防人员灭火救援路径优化和紧急逃生路线决策，以满足人身安全要求。智能调度系统通过生成虚拟成像，直观展示消防救援现场实时信息，为消防救援指挥中心可视化决策提供有效依据。
        智能调度系统功能实现流程为：消防救援人员定位—根据建筑内部结构图和定位信息计算最优救援路径——系统提示消防救援人员救援路线。智能调度系统由三部分组成，包括定位子系统、路径子系统和界面子系统。
        定位子系统基于ZigBee与WIFI联合定位技术进行定位，ZigBee节点用于定位信息采集，WIFI网络承载、传输交互数据；路径子系统基于粒子群优化算法计算出最优救援和逃生路径；界面子系统将确定的最优路径、位置和火情信息发送至消防救援人员终端。实现消防救援决策信息及时、准确传达。
        3系统设计方案
        本系统由四部分组成，包括联合定位模块、传感器模块、智能调度模块和虚拟现实呈现模块组成。
        3.1 联合定位模块
        在建筑室内消防救援时，由于火灾现场情况较为复杂，电磁干扰性强，ZigBee技术稳定性高、抗干扰性强，能够实现复杂环境下稳定工作。WIFI网络传输速率高，覆盖面广，能够实现两种技术优势互补。以某大型综合建筑为例，对其进行定位时，首先对其室内建筑布局进行勘测，采集消防救援数据，根据ZigBee和WIFI传输特性计算节点距离，以此合理布局节点。

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        节点布局设计完成后，借助综合体电子地图标记节点坐标，并对室内各时段WIFI和ZigBee信号强度进行检测，建立各时段节点信号强度和位置信息数据库，以此作为室内消防救援实时定位参考值。
        在联合定位时，WIFI模块定位借助RSSI定位算法，当终端接收到定位命令后，WIFI节点通过扫描周围RSSI值并将传感器信号通过AP节点发送至消防救援中心服务器，服务器将之前采集的WIFI RSSI值进行比较，以此作为消防人员定位依据，实现消防救援人员的精准定位。考虑到室内火灾现场环境较为复杂和信号衰减等影响，可通过对数距离衰减模型确定消防人员与WIFI节点的位置，从而实现消防人员定位。ZigBee节点定位时，通过扫描移动节点RSSI值，并与已知位置坐标的ZigBee节点位置对比，最终确定消防人员与已知ZigBee节点的相对距离，从而确定消防救援人员位置。本系统中，联合定位模块以WIFI节点为主，ZigBee定位为辅，改善建筑室内消防救援时的死角问题。
        经联合定位模块确定消防救援人员定位信息后，通过无线网传输至消防救援中心的定位服务器，服务器与定位数据库中位置坐标信息进行对比，并在消防救援人员移动过程中不断更新位置坐标信息，将对比处理后的数据信息发送至消防救援指挥中心和救援现场客户端，以此实现消防救援人员的精确定位和消防救援科学决策。
        3.2 传感器模块
        本系统中，传感器模块主要是烟感、温度传感器等，通过环境监测实现火情监测，以便于准确感知建筑室内救援和逃生路径。本系统中，选用内置ZigBee网络的传感器，可与ZigBee节点进行信息交互，包括烟感、火焰高度传感器、温湿度传感器等，当传感器检测到火灾并达到阈值时，自动向ZigBee节点发送报警信息和实时状态信息，经AP节点无线网络传输至服务器。
        3.3 智能调度模块
        本系统基于粒子群算法确定智能调度路径。粒子群算法具有收敛快、参数少等特点，适用于消防救援场景。本系统中，粒子群算法以传感器数据、节点位置数据、消防救援人员位置数据等数据作为输入信息，通过引入动态惯性权重控制消防救援人员行动范围精度，经迭代验算和种群数量控制构建消防救援智能调度模型，最大限度确保消防救援决策的科学性。
        3.4 虚拟现实模块
        该模块基于建筑室内场景素材和传感器收集的环境监测数据生成室内火灾模拟场景。由服务器负责火灾场景的生成。消防指挥中心和现场消防人员手持端实时显示消防救援人员位置数据和智能调度规划的救援逃生路线。
        服务器端根据提前勘察建筑物室内数据信息构建三维虚拟现实场景，当火灾发生后，根据各传感器监测的环境数据信息生成室内火灾数据信息，并根据消防救援人员位置数据，不断更新室内火灾现场模拟数据。消防指挥中心和消防现场需要决策确定救援路线和逃生路线时，基于智能调度模块生成最优路径信息反馈至终端。
        客户端可分为消防救援指挥中心和消防现场人员手持客户端。消防救援指挥中心根据服务器端生成的火情模拟场景和消防救援人员位置分布，为现场指挥、调度决策提供全局性信息，根据智能调度模块确定的优化救援和逃生路径进行消防指挥。现场手持客户端接收服务器端生成的建筑物简易电子地图，消防救援人员可根据手持终端进行自我定位和路径制定，确保消防救援指挥中心指令准确传达，为消防救援指挥和现场救援提供准确、可靠、全方位的数据支持。
        4 结语
        新时期背景下，物联网技术实现了万物互联，极大扩展了互联网信息来源边界，实现了环境信息、位置信息的全方位、实时收集和处理。将物联网技术融入消防救援中，能够改善以往消防救援中对火灾现场了解不全面、定位不准确、救援逃生路径规划不科学等问题。本系统基于WIFI技术和ZigBee技术联合定位模块精确定位，并基于粒子群算法确定消防救援人员位置和智能路径演算，通过无线网络进行信息传输，有效增强了消防救援指挥中心和现场救援人员实时互动和科学决策，提高了消防救援效率和人身安全。
        参考文献：
        [1]苏明占,於建峰,王光霞,赵耀,陈令羽.基于地图空间认知的室内消防救援地图设计[J].测绘地理信息,2021,46(01):58-61.
        [2]潘有顺,彭天昊,康万杰.基于UWB的消防救援定位系统优化设计[J].消防科学与技术,2019,38(06):867-870.
        [3]张仲. 基于惯性导航技术的消防救援定位系统设计[D].哈尔滨理工大学,2018.
        [4]郭峰. 太原机场消防应急救援指挥系统设计与实现[D].大连理工大学,2014.