薛彩姣

摘 要：火災(zāi)現(xiàn)場溫度高、煙霧濃、噪音大，空氣呼吸器的使用時間有限，有效獲取消防員的位置信息有助于提高滅火救援指揮效率和保障消防員的人身安全。為了提高現(xiàn)有消防員室內(nèi)定位技術(shù)的精度，滿足大量部署、長期部署的要求，采用現(xiàn)有定位技術(shù)優(yōu)缺點相比較的方法，可獲得精度高、造價低的RFID定位技術(shù)。文中同時論述了基于RFID的消防員室內(nèi)定位技術(shù)的可行性，提出了基于RFID的消防員室內(nèi)定位技術(shù)的實際應(yīng)用框架。

關(guān)鍵詞：消防；RFID；室內(nèi)；定位技術(shù)

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）07-00-03

0 引 言

定位問題是指確定一個目標（人、設(shè)備）在一個確定區(qū)域中具體位置的過程。位置可以表示為幾種不同的方式，取決于應(yīng)用需求和定位系統(tǒng)的指標。例如，絕對坐標、相對位置和符號位置都是可能使用的方式。位置信息在商業(yè)、醫(yī)療健康、公共安全和軍事領(lǐng)域都有著很重要的作用。

在城市火災(zāi)中，室內(nèi)火災(zāi)占較大比重，撲救這些室內(nèi)火災(zāi)時消防員就要進入室內(nèi)，進行火情偵察，搶救人員及財產(chǎn)。火災(zāi)撲救過程中，消防員的實時位置信息對于火場指揮人員實施科學(xué)指揮和保障消防員的安全起著至關(guān)重要的作用。消防員進入火災(zāi)現(xiàn)場以后，環(huán)境十分復(fù)雜，有大量的煙、霧、噪聲，常規(guī)通信電臺在噪聲的干擾下很難進行有效通信，特別是在建筑物快要坍塌，消防員迷路、受傷等情況下，消防員的位置信息顯得尤為重要。由于無法確切知道每個消防員的位置，曾經(jīng)發(fā)生過多起由于消防員無法接到撤退命令或者無法及時撤退而救援人員又不能及時找到并施救導(dǎo)致消防員犧牲的慘劇。

因此，如何把火場上消防員的室內(nèi)位置信息實時傳輸?shù)浆F(xiàn)場指揮部的管理系統(tǒng)中，從而為現(xiàn)場指揮提供直觀、可靠的依據(jù)；同時利用位置信息對被困、負傷消防員實施直接、快速地營救，這對于提高指揮效率，輔助指揮決策，保障消防員的人身安全具有十分重要的意義。

1 RFID技術(shù)概述

RFID（Radio Frequency Identification）即射頻識別技術(shù)，是一種非接觸式自動識別技術(shù)[1]。最基本的RFID系統(tǒng)由標簽、閱讀器和用來傳遞射頻信號的天線組成。標簽又可分為有源標簽和無源標簽，二者可適用于不同的應(yīng)用場所。

可根據(jù)電子標簽是否具有電源分為有源標簽、無源標簽和半有源標簽。有源標簽因其自身具有電源，可以提供遠距離自動識別功能。無源標簽的自動識別距離相對較近，但是該標簽無需電源，其成本較低而且可長時間工作。根據(jù)有源標簽和無源標簽的不同特性，可將其應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，以發(fā)揮各自的優(yōu)勢。半有源RFID產(chǎn)品利用低頻激活觸發(fā)的技術(shù)手段，兼?zhèn)溆性春蜔o源兩種標簽的優(yōu)勢。

RFID系統(tǒng)工作原理示意圖如圖1所示。不管標簽是有源還是無源，工作的基本原理都是當標簽進入閱讀器天線的感應(yīng)范圍時，閱讀器發(fā)送電磁波，激勵無線通信鏈路，標簽向閱讀器發(fā)送信息，閱讀器接收到信息后解碼，然后傳送給上位機，完成信息處理，從而實現(xiàn)自動識別目標或自動收集目標標志信息的功能[2]。

圖1 RFID系統(tǒng)工作原理示意圖

2 基于RFID的室內(nèi)定位技術(shù)可行性分析

2.1 現(xiàn)有室內(nèi)定位技術(shù)的比較分析

對于目標定位技術(shù)，市場上較成熟的室內(nèi)定位技術(shù)主要有以下幾種：

（1）GPS定位技術(shù)

GPS定位技術(shù)是目前應(yīng)用最為廣泛的定位技術(shù)。GPS定位技術(shù)的優(yōu)勢在于能夠全球范圍覆蓋，受天氣、地理條件影響小等，但由于GPS信號的傳輸要經(jīng)過衛(wèi)星進行，對于室內(nèi)定位還需要一些中轉(zhuǎn)設(shè)備，這樣就大大降低其在室內(nèi)的使用效能，同時其定位精度也難以達到消防員室內(nèi)定位的要求。

（2）紅外線室內(nèi)定位技術(shù)

紅外線室內(nèi)定位技術(shù)的優(yōu)勢在于具有相對較高的定位精度，但由于紅外光線不能穿過墻壁等障礙物，只能沿直線進行無障礙傳播，這樣對于位置不斷變化的消防員的室內(nèi)定位就難以實現(xiàn)。而通過在一些室內(nèi)拐角加裝中轉(zhuǎn)天線，可以部分解決問題，但造價相對較高，并且易被其他光源干擾，因此紅外線室內(nèi)定位技術(shù)只適合短距離的局部空間定位。

（3）藍牙室內(nèi)定位技術(shù)

藍牙室內(nèi)定位技術(shù)的優(yōu)勢在于設(shè)備的體積小、信號傳輸不受視距的影響，而且由于目前運用藍牙的設(shè)備較為普及，只要開啟這些設(shè)備的藍牙功能就可以利用手持終端來檢測其信號強度，根據(jù)信號強度來進行定位。但藍牙系統(tǒng)的信號也易受電磁波噪聲干擾，穩(wěn)定性差，同時設(shè)備的高昂造價限制了系統(tǒng)的發(fā)展和運用。

（4）ZigBee室內(nèi)定位技術(shù)

ZigBee室內(nèi)定位技術(shù)是利用多個微小傳感器之間的相互協(xié)調(diào)通信來實現(xiàn)定位的。ZigBee通信效率非常高，功耗低，成本低，但是需要專網(wǎng)專用，部署成本相對較高。

另外還有超聲波、超寬帶（UWB）等技術(shù)都可用于室內(nèi)定位，但都有各自的優(yōu)勢和缺點。

2.2 RFID定位技術(shù)的優(yōu)勢

無線射頻識別RFID定位技術(shù)與其它定位技術(shù)相比，因具有非接觸、高精度和低成本等優(yōu)點，可以作為消防員室內(nèi)定位的一種重要技術(shù)選擇。所謂非接觸就是標簽和閱讀器之間不需要二者直接接觸，就可以進行數(shù)據(jù)交換。閱讀器可以通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號。當射頻標簽進入發(fā)射天線工作區(qū)域時，就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使射頻標簽獲得能量被激活[3]。只要標簽和閱讀器之間的距離達到二者的感應(yīng)范圍，從另一個角度講就是電磁感應(yīng)強度只要達到了門限功率，標簽和閱讀器就算“握手”成功，可以實施信息交流了，這實際上就是一個“盲選”的過程。而這些特點對于災(zāi)害現(xiàn)場的消防員實時定位至關(guān)重要，由于災(zāi)害現(xiàn)場的消防員要進行火情偵察、火災(zāi)撲救等工作，根本無暇顧及其他情況，而基于RFID技術(shù)的定位通過“盲選”的“握手”方式很好地解決了這些問題。

基于RFID技術(shù)定位系統(tǒng)的價格，一般來說，無源標簽的比有源標簽更便宜[4]。有源標簽的單價介于10～500美元之間，集成有2 KB存儲器的高頻UHF4×6英寸的無源標簽在美國的通用單價在0.41～0.55美元之間，存儲器容量為256 b的高頻UHF4×6英寸的無源標簽的單價在0.37～0.52美元之間。而對于超高頻UHF4×6英寸的無源標簽其在美國的通用單價則在0.11～0.15美元之間，國內(nèi)生產(chǎn)的無源標簽在價格上更是低于美國。要實現(xiàn)對消防員的定位只需采集位于消防員附近的位置信息，其數(shù)據(jù)量較小，256 b的數(shù)據(jù)量就完全可滿足定位要求。

當然由于基于RFID技術(shù)的消防員室內(nèi)定位系統(tǒng)的標簽可以采用無源標簽，只有需要時閱讀器才通過空間電磁耦合的方式向其傳輸能量，激發(fā)其開始工作，而平時無源標簽一直處于“休眠”狀態(tài)。因此，從理論上講標簽的使用壽命可以是無限長。

2.3 RFID定位技術(shù)的算法及精度

定位算法是解決如何對目標具體定位的策略。目前，在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進行定位服務(wù)的定位模式有信號強度法、收信角度法、收信時間、收信時間差等[5]?；诮邮招盘枏姸仁荝FID定位系統(tǒng)普遍采用的策略，但由于目前的RFID閱讀器對信號強度識別的精度有限，只能將所接收到信號的相對信號強度進行相應(yīng)等級的劃分，通過檢測標簽不同的能量等級來大致判斷目標所處的坐標范圍。

為了實現(xiàn)基于RFID技術(shù)的高精度定位，可以從兩個方面來著手解決這個問題，一方面是對目標位置坐標的定位要以參考標簽坐標為基準來修正。即參考標簽坐標是已知的、確定的，通過對被測目標的參數(shù)與參考標簽的參數(shù)比較來修正目標的坐標，減少測量誤差，提高定位精度，這種方法類似于GPS的差分定位技術(shù)。另一方面是利用多次測量坐標的平均值來進行估算。如可以設(shè)Du為移動的讀卡器成功檢測到的參考標簽集，通過對所有參考標簽的坐標（xt，yt）求平均值的簡單定位算法來估算被測目標點的位置坐標，即公式（1）的算法：

（1）

由于RFID定位系統(tǒng)是一種基于接收信號強度來定位的系統(tǒng)，因此無線電波從發(fā)射到接收端的傳播損耗是研究的主要目標。由RFID定位系統(tǒng)的基本原理可知，作為無源的RFID標簽需要RFID讀卡器向其發(fā)射電磁波，通過電磁感應(yīng)獲得能量，而后再向讀卡器輻射電磁波，所以要經(jīng)過一個讀卡器到標簽和標簽到讀卡器的雙向鏈路。因此，這個雙向鏈路的路徑損耗可以表示為：

（2）

其中，d是RFID定位系統(tǒng)讀卡器和標簽之間的距離，d0為近地參考距離，一般取0.1m。LANDMARC定位系統(tǒng)就是一種基于接收信號強度指示的定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)將RFID閱讀器提供的信號強度分為0～8，九個等級，閱讀器每隔30 s檢測一次標簽的信號強度等級[6]，該系統(tǒng)對目標的定位最大誤差為2m，平均誤差為1m，誤差范圍在3 m以內(nèi)[7]。王瑞峰等人對這種算法進行了改進，采用了一種自適應(yīng)LANDMARC-K鄰居算法[8]，通過模擬實驗驗證得出RFID技術(shù)的定位精度基本能夠保障對室內(nèi)消防員的定位要求。

3 消防員室內(nèi)單兵RFID定位技術(shù)的應(yīng)用框架

對消防員室內(nèi)RFID定位技術(shù)應(yīng)用的基本設(shè)想是將無源標簽預(yù)先設(shè)置在重點單位的重要位置，無源標簽的具體位置可結(jié)合火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的探測器位置進行設(shè)置，也可根據(jù)建筑特點進行單獨布設(shè)，主要包括每個單獨的房間、走廊、拐角、樓梯口等。RFID定位標簽可與建筑火災(zāi)自動報警系統(tǒng)連用，將定位標簽嵌入火災(zāi)探測器內(nèi)，一方面可利用火災(zāi)探測器的位置信息來定位標簽的具體位置，直接利用傳統(tǒng)探測器的總線，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，避免建筑內(nèi)的線路過多而增加成本 [8]；另一方面定位系統(tǒng)也可以利用火災(zāi)探測器探測到的火災(zāi)信息提示消防員起火位置和撤退時不能選擇的出口。結(jié)合室內(nèi)地圖信息[9]和方向傳感模塊[4]，系統(tǒng)可以在通信不暢的情況下引導(dǎo)消防員原路返回或者尋找新的安全通道。

當攜帶閱讀器的救援人員通過感應(yīng)區(qū)時，閱讀器向定位標簽發(fā)送射頻信號，標簽接收到射頻信號后，產(chǎn)生電磁感應(yīng)激勵反向射頻信號，打通通信鏈路，反向射頻信號攜帶相應(yīng)標簽的位置信息，這些位置信息可以是房間號[10]，也可以是高度和經(jīng)緯度信息，還可以是其他位置的描述方式，這要結(jié)合實際來確定采用哪種位置的描述方式。RFID定位系統(tǒng)應(yīng)用示意圖如圖2所示。

圖2 RFID定位系統(tǒng)應(yīng)用示意圖

4 結(jié) 語

隨著社會的發(fā)展，搶險救援、社會救助工作日益繁重和復(fù)雜，災(zāi)害現(xiàn)場人員室內(nèi)定位技術(shù)必將在這些工作中得到越來越廣泛的應(yīng)用。在各種定位技術(shù)中，RFID技術(shù)對于消防員室內(nèi)定位是可行的，而且具有一定的優(yōu)勢。但文章只是從理論上對其進行了論述，要將RFID室內(nèi)定位技術(shù)實際應(yīng)用于滅火救援中，還有許多問題需要解決，例如，如何減小定位設(shè)備的體積和重量，如何進一步提高定位的精度，使其不僅能夠分辨樓層位置，甚至可以分辨出作戰(zhàn)小組中每名消防員的位置關(guān)系（達到亞米級定位精度）等。

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