專利名稱：基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高層建筑被困人員準確定位和疏導(dǎo)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于公共安全設(shè)施領(lǐng)域，特別是涉及到利用物聯(lián)網(wǎng)的核心科技-Zig Bee無線傳感技術(shù)及CAN總線技術(shù)構(gòu)建的整套公共安全設(shè)施，實現(xiàn)高層建筑被困人員的準確定位、跟蹤和疏導(dǎo)。
背景技術(shù)：
高層建筑具有人口相對集中、占地面積少等特點，很多房地產(chǎn)開發(fā)商和業(yè)主首選的方案之一。截止2009年，我國共有高層建筑近10萬幢，其中100米以上的超高層建筑1154幢。未來三年，平均每五天就有一座摩天大樓在中國封頂。與此同時，我國還在規(guī)劃超過300座摩天大樓，如果一切順利,五年后我國的摩天大樓總數(shù)將超過800座，達到現(xiàn)今美國總數(shù)的4倍，將成為全球第一高樓國。就因為高層建筑人員高度密集、結(jié)構(gòu)緊湊復(fù)雜等原因，當(dāng)高層建筑遭遇突發(fā)事件發(fā)生(如:火災(zāi)、地震、恐怖事件)時，給被困人員的及時疏散和救援人員的搜救工作都帶來了諸多困難，易造成群死群傷，會帶來嚴重的經(jīng)濟損失和社會問題。因此，高層建筑被困人員準確定位和正確疏導(dǎo)是突發(fā)事件問題上首要考慮和解決的問題，也備受人們的關(guān)注。目前，國內(nèi)外在目標(車載、航空航天、導(dǎo)彈等)定位技術(shù)上普遍采用GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)。此方法是利用定位目標接收空中至少三顆衛(wèi)星發(fā)來的信號來確定跟蹤目標的具體位置，而在高層建筑物內(nèi)部因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、很難找到GPS衛(wèi)星，不能用此方法進行樓內(nèi)人員的定位。高層建筑被困人員定位系統(tǒng)中普遍采用以下4種實時定位方式:第一種方式，就是利用超高層建筑中人人都要攜帶的“門卡”，通過預(yù)設(shè)的接收器來確定人員位置。但是采用這種方式，需要對高層建筑加裝接收器，不僅增加投資，而且對既有建筑還存在改建的難度；第二種方式是使用手機定位。使用手機定位，其覆蓋面很大、平面上較準確定位，但在高層建筑的垂直定位上還有困難，而且使用該方式還需要和運營商進行協(xié)調(diào)；第三種方式是利用地球磁場來進行人員定位。這種方式在非火災(zāi)情況下很好用，但是也需要人員攜帶“芯片”;第四種方式則是考慮利用RFID技術(shù)和火災(zāi)探測報警器結(jié)合來進行定位。但讀卡方位和傾斜角度等原因，定位和跟蹤精度并不聞，且很多關(guān)鍵技術(shù)有待解決和完善。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:利用物聯(lián)網(wǎng)科技的核心技術(shù)-Zig Bee無線傳感技術(shù)、CAN總線技術(shù)、消防廣播系統(tǒng)和智能疏散指示系統(tǒng)等實現(xiàn)高層建筑被困人員的準確定位、跟蹤和疏導(dǎo)，為救援人員第一時間內(nèi)進行撲救提供有利條件?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的高層建筑被困人員準確定位和疏導(dǎo)系統(tǒng)，其特征是:包括定位節(jié)點、參考節(jié)點、網(wǎng)關(guān)、控制中心服務(wù)器，
所述的定位節(jié)點包括DS18B20溫度傳感器、壓電傳感器、CC2431芯片、信號調(diào)理電路、倍頻電路、液晶顯示器，DS18B20溫度傳感器與CC2431芯片信息雙向傳輸連接，壓電傳感器通過信號調(diào)理電路、倍頻電路與CC2431芯片連接，液晶顯示器與CC2431芯片連接，且定位節(jié)點通過Zig Bee無線傳感網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)連接；
所述的參考節(jié)點包括DS18B20溫度傳感器、離子感煙傳感器、CC2430芯片、液晶顯示器，DS18B20溫度傳感器與CC2430芯片信息雙向傳輸連接，離子感煙傳感器與CC2430芯片連接并將信息傳輸給CC2430芯片，液晶顯示器與CC2430芯片連接，且參考節(jié)點通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)連接；
所述的網(wǎng)關(guān)包括輸入鍵盤、液晶顯示器、CC2430芯片、RS-232接口，輸入鍵盤與CC2430芯片連接，液晶顯示器與CC2430芯片連接，RS-232接口與CC2431芯片信息雙向傳輸連接，且網(wǎng)關(guān)通過CAN總線通信與控制中心服務(wù)器連接。所述的定位節(jié)點接收距離本定位節(jié)點最近的參考節(jié)點發(fā)送的信息包，即距離本定位節(jié)點最近的參考節(jié)點的位置坐標和RSSI值的信息包，RSSI值為CC2430/CC2431芯片的信號強度，單位為dBm，CC2431芯片根據(jù)該信息包計算該定位節(jié)點的位置坐標傳送至網(wǎng)關(guān)，CC2431芯片接收DS18B20溫度傳感器傳輸?shù)亩ㄎ还?jié)點被困人員的體溫信息傳送至網(wǎng)關(guān)，CC2431芯片接收壓電傳感器傳輸?shù)亩ㄎ还?jié)點被困人員的脈搏信息傳送至網(wǎng)關(guān)。所述的參考節(jié)點布置于每層的走廊內(nèi)，或布置于每層的房間內(nèi)，并將該參考節(jié)點位置坐標和RSSI值的信息包傳輸給定位節(jié)點，RSSI值為CC2430/CC2431芯片的信號強度，單位為dBm。所述的網(wǎng)關(guān)布置于每層樓內(nèi)，且每層樓內(nèi)的網(wǎng)關(guān)具有固定的一個ID號，每個網(wǎng)關(guān)之間通過CAN總線通信傳輸信息。本發(fā)明的有益效果
(I)各節(jié)點模塊的功耗低。在正常工作模式下，Zig Bee無線傳感技術(shù)傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量小，因此信號的收/發(fā)時間很短。在非工作模式下，Zig Bee所有節(jié)點(定位節(jié)點、參考節(jié)點、網(wǎng)關(guān))均處于休眠模式。每個節(jié)點搜索時延一般為30ms，休眠激活時延為15ms，活動設(shè)備信道接入時延為15ms。由于工作時間較短、收/發(fā)信息功耗較低、且采用了休眠模式，使得Zig Bee節(jié)點非常省電。Zig Bee節(jié)點的電池工作時間可以長達6個月到2年。(2)高度擴充性。Zig Bee無線傳感網(wǎng)絡(luò)支持的節(jié)點數(shù)多。一個Zig Bee無線傳感網(wǎng)絡(luò)最多包括有255個Zig Bee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其中一個主設(shè)備，其余則是從設(shè)備。如果通過Network Coordinator (網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器),則整體網(wǎng)絡(luò)最多可達65000個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，且每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點支持多達31個傳感器和受控設(shè)備。每個節(jié)點之間的距離可以從標準的75m擴展到幾公里。(3)可靠性高。Zig Bee無線傳感節(jié)點的媒體接入控制層采用talk-when -ready的碰撞避免機制。在這種完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制下，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳送需求時，則
立刻傳送，發(fā)送的每個數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息，并進行確認信息回復(fù)；若沒有得到確認信息的回復(fù)就表示發(fā)生了碰撞，將再傳送一次。采用這種方法可以提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃浴?4)對被困人員的定位精度很高。系統(tǒng)在每層的人員定位(也稱二維定位)采用參考節(jié)點和定位節(jié)點之間的信號強度衰減的平均值來計算。定位精度與參考節(jié)點數(shù)量有關(guān)，參考點數(shù)越多，定位精度為高。本系統(tǒng)采用一種三邊測量定位算法，最高定位精度可提高到
0.5m以內(nèi)；定位區(qū)域誤差小于3m ;系統(tǒng)響應(yīng)時間控制在40 μ S以內(nèi)。
(5)跟蹤速度快。對被困人員的定位固然很重要，而其后的跟蹤也非常必要和重要。被困人員的跟蹤采用自適應(yīng)變率粒子濾波算法。該算法通過比較某時刻粒子值與測量值的關(guān)系自適應(yīng)地調(diào)解采樣周期，即當(dāng)粒子值與測量值之間的統(tǒng)計分析值大于某閾值時，提高采樣頻率，否則降低采樣頻率。這種機制使系統(tǒng)根據(jù)實際軌跡的復(fù)雜度選擇適當(dāng)?shù)牟蓸又芷?，從而減少了計算量，降低了整個網(wǎng)絡(luò)的能耗，提高了跟蹤速度。
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的說明:


圖1為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)框圖。圖2為本發(fā)明定位節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖。圖3為本發(fā)明參考節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖。圖4為本發(fā)明網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)框圖。圖5為本發(fā)明定位引擎定位過程流程圖。圖6為本發(fā)明移動目標定位三邊測量法示意圖。
具體實施例方式系統(tǒng)設(shè)計主要考慮被困人員的定位精度、跟蹤速度、實時性和安全性等方面。設(shè)計方案主要包括定位節(jié)點(高層建筑所有人員需攜帶)、參考節(jié)點(布置在樓內(nèi)的走廊和工作室等)、網(wǎng)關(guān)(每層設(shè)置一個或多個)、控制中心和各模塊之間的通信網(wǎng)絡(luò)(Zig Bee通信網(wǎng)絡(luò)和CAN總線通信網(wǎng)絡(luò))。系統(tǒng)的工作原理如下:
當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件時，定位節(jié)點根據(jù)參考節(jié)點提供的固定坐標值(其坐標值是已知的)和RSSI (即接收到的信號強度)平均值，計算出自身的具體位置，并將該坐標值和每個定位節(jié)點標志號及定位節(jié)點(即被困人員)的生理特征(主要為體溫和脈搏)傳送至各樓層的網(wǎng)關(guān)上。網(wǎng)關(guān)接收各定位節(jié)點標志號和坐標及參考節(jié)點傳過來的環(huán)境溫度和煙濃度，并將這些數(shù)據(jù)和自身的ID號通過CAN總線傳送至控制中心(設(shè)在一樓消防控制中心)的服務(wù)器上?？刂浦行母鶕?jù)定位節(jié)點的坐標值、標志號及網(wǎng)關(guān)的ID號，就能準確定位被困人員所處的樓層和具體房間的位置，即實現(xiàn)三維定位。同時，結(jié)合消防廣播、聯(lián)動控制系統(tǒng)(防火卷簾門、消防泵、正壓送風(fēng)、排煙等)、智能疏散系統(tǒng)等，實現(xiàn)最優(yōu)逃生路徑規(guī)劃和搜救決策，并實時顯示被困人員所處的具體位置和動態(tài)信息。(I)系統(tǒng)總體設(shè)計方案
系統(tǒng)由定位節(jié)點、參考節(jié)點、網(wǎng)關(guān)、控制中心和各節(jié)點之間的通信網(wǎng)絡(luò)組成，總體結(jié)構(gòu)框見圖1?？傮w設(shè)計思路如下:
I)參考節(jié)點布置在每層的走廊或房間內(nèi)，其設(shè)置的相對平面坐標值是已知的。參考節(jié)點布置得越多，定位精度越高。同時，該節(jié)點能夠監(jiān)測周圍的環(huán)境溫度和煙霧濃度，并將這些數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)關(guān)上。2)定位節(jié)點與就近的參考節(jié)點(其相對坐標已知)之間進行通信，并利用功率衰減法來得到兩者之間的距離，最終用三邊測量法來能準確確定自身所處位置的坐標值。定位節(jié)點(被困人員)隨時將自己的方位和體溫、脈搏特征，通過Zig Bee無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳送至網(wǎng)關(guān)上。3) 一般每層設(shè)置一個網(wǎng)關(guān)，各樓層網(wǎng)關(guān)之間的通信采用CAN總線通信模式。其通信距離遠、抗干擾能力強，且每個網(wǎng)關(guān)的地址可以利用軟件編程來確定，保證每個網(wǎng)關(guān)具有固定的一個ID號。每層設(shè)置的網(wǎng)關(guān)將接收到的定位節(jié)點的信息和參考節(jié)點的信息，通過CAN總線通信發(fā)送至控制中心。4)當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件時，通過控制中心能實時監(jiān)視各樓層的消防安全狀況(參考節(jié)點具有煙霧探測功能)和被困人員的具體位置及生理特征，并結(jié)合消防廣播、聯(lián)動控制系統(tǒng)、智能疏散系統(tǒng)等，為被困人員提供最佳的逃生路徑。同時，為搜救人員在第一時間內(nèi)進行搜救，提供重要的線索和各種決策。(2)與定位相關(guān)的硬件電路設(shè)計 I)定位節(jié)點設(shè)計
定位節(jié)點能夠與離自己最近的參考節(jié)點進行通信，收集這些參考節(jié)點的X、Y坐標和RSSI (為CC2430/CC2431芯片的信號強度，單位為dBm)值。該節(jié)點將這些信息和輸入?yún)?shù)(A:為距離發(fā)射機Im遠的RSSI絕對值；N:為距離發(fā)射機每增加Im衰減的RSSI絕對值)進行結(jié)合，計算自己的坐標位置信息。同時，定位節(jié)點(即被困人員攜帶的節(jié)點模塊)的體溫和脈搏等生理特征信息一并傳送至網(wǎng)關(guān)。圖2中用DS18B20來檢測待定位的被困人員的體溫；用壓電傳感器來檢測被困人員的脈搏；用液晶顯示器來顯示相關(guān)數(shù)據(jù)信息。2)參考節(jié)點設(shè)計
圖3所示的參考節(jié)點是一個靜止的，其節(jié)點相對坐標值是已知的，本發(fā)明的參考節(jié)點采用CC2430芯片。參考節(jié)點必須正確地布置在定位區(qū)域中的相應(yīng)位置。它的任務(wù)是提供一個包含自己位置X、Y坐標和RSSI值的信息包傳遞給定位節(jié)點。3)網(wǎng)關(guān)設(shè)計
圖4所示網(wǎng)關(guān)部分在整個系統(tǒng)設(shè)計中起著承上啟下的作用，Zig Bee無線傳感芯片選擇CC2430模塊。網(wǎng)關(guān)在整個系統(tǒng)中有著至關(guān)重要的作用:首先它要接收由監(jiān)控軟件提供的各參考節(jié)點和定位節(jié)點的配置數(shù)據(jù)，并發(fā)送給相應(yīng)的節(jié)點；其次，還要接收各節(jié)點反饋的有效數(shù)據(jù)并傳輸給監(jiān)控軟件。各網(wǎng)關(guān)之間的通信及網(wǎng)關(guān)和各參考節(jié)點的通信，均采用CAN總線通信方式。(2)定位和跟蹤算法設(shè)計
I)定位引擎定位過程
從圖5中可以看出，定位節(jié)點首先讀取所有參考節(jié)點的坐標(X，Y)值，然后再讀取其他標準參數(shù)(A值，N值，RSSI值)。定位節(jié)點的CC2431讀取所有必要的參數(shù)后，就開始定位計算，然后確定定位節(jié)點的具體定位坐標值。與無線定位相關(guān)的CC2431芯片內(nèi)部寄存器有:L0CENG、REFC00RD、MEASPARM、LOCX, LOCY 以及 L0CMIN。2)移動目標的定位采用三邊測量法。具體方法如下:
如圖6所示，當(dāng)需定位的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中有η (η > 3)個參考節(jié)點時，根據(jù)每個參考節(jié)點的坐標值和距未知節(jié)點(即定位節(jié)點)的距離，可建立下列方程:
權(quán)利要求
1.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高層建筑被困人員準確定位和疏導(dǎo)系統(tǒng)，其特征是:包括定位節(jié)點、參考節(jié)點、網(wǎng)關(guān)、控制中心服務(wù)器， 所述的定位節(jié)點包括DS18B20溫度傳感器、壓電傳感器、CC2431芯片、信號調(diào)理電路、倍頻電路、液晶顯示器，DS18B20溫度傳感器與CC2431芯片信息雙向傳輸連接，壓電傳感器通過信號調(diào)理電路、倍頻電路與CC2431芯片連接，液晶顯示器與CC2431芯片連接，且定位節(jié)點通過Zig Bee無線傳感網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)連接； 所述的參考節(jié)點包括DS18B20溫度傳感器、離子感煙傳感器、CC2430芯片、液晶顯示器，DS18B20溫度傳感器與CC2430芯片信息雙向傳輸連接，離子感煙傳感器與CC2430芯片連接并將信息傳輸給CC2430芯片，液晶顯示器與CC2430芯片連接，且參考節(jié)點通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)連接； 所述的網(wǎng)關(guān)包括輸入鍵盤、液晶顯示器、CC2430芯片、RS-232接口，輸入鍵盤與CC2430芯片連接，液晶顯示器與CC2430芯片連接，RS-232接口與CC2431芯片信息雙向傳輸連接，且網(wǎng)關(guān)通過CAN總線通信與控制中心服務(wù)器連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高層建筑被困人員準確定位和疏導(dǎo)系統(tǒng)，其特征是:所述的定位節(jié)點接收距離本定位節(jié)點最近的參考節(jié)點發(fā)送的信息包，即距離本定位節(jié)點最近的參考節(jié)點的位置坐標和RSSI值的信息包，RSSI值為CC2430/CC2431芯片的信號強度，單位為dBm，CC2431芯片根據(jù)該信息包計算該定位節(jié)點的位置坐標傳送至網(wǎng)關(guān)，CC2431芯片接收DS18B20溫度傳感器傳輸?shù)亩ㄎ还?jié)點被困人員的體溫信息傳送至網(wǎng)關(guān)，CC2431芯片接收壓電傳感器傳輸?shù)亩ㄎ还?jié)點被困人員的脈搏信息傳送至網(wǎng)關(guān)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高層建筑被困人員準確定位和疏導(dǎo)系統(tǒng)，其特征是:所述的參考節(jié)點布置于每層的走廊內(nèi)，或布置于每層的房間內(nèi)，并將該參考節(jié)點位置坐標和RSSI值的信息包傳輸給定位節(jié)點，RSSI值為CC2430/CC2431芯片的信號強度，單位為dBm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高層建筑被困人員準確定位和疏導(dǎo)系統(tǒng)，其特征是:所述的網(wǎng)關(guān)布置于每層樓內(nèi)，且每層樓內(nèi)的網(wǎng)關(guān)具有固定的一個ID號，每個網(wǎng)關(guān)之間通過CAN總線通信傳輸信息。
全文摘要
基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高層建筑被困人員準確定位和疏導(dǎo)系統(tǒng)，屬于公共安全設(shè)施領(lǐng)域。包括定位節(jié)點等，溫度傳感器與芯片信息雙向傳輸連接，壓電傳感器通過信號調(diào)理電路、倍頻電路與芯片連接，液晶顯示器與芯片連接，且定位節(jié)點的通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)連接；溫度傳感器與芯片信息雙向傳輸連接，離子感煙傳感器與芯片連接并將信息傳輸給芯片，液晶顯示器與芯片連接，且參考節(jié)點通過線傳感網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)連接；輸入鍵盤與芯片連接，液晶顯示器與芯片連接，接口與芯片信息雙向傳輸連接，且網(wǎng)關(guān)通過總線通信與控制中心服務(wù)器連接。實現(xiàn)高層建筑被困人員的準確定位、跟蹤和疏導(dǎo)，最優(yōu)逃生路徑規(guī)劃和搜救決策，實時顯示人員所處的具體位置和動態(tài)信息。
文檔編號G01S5/02GK103152409SQ20131005924
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月26日
發(fā)明者韓成浩, 陳偉利, 賈雪, 魏立明, 于杰, 王銳, 劉偉, 姜宇紅 申請人:韓成浩