專利名稱:基于toa測距的消防應(yīng)急救援系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于TOA測距的消防應(yīng)急救援系統(tǒng)，它包括搜救器、手持終端機(jī)和服務(wù)器，搜救器和手持終端機(jī)之間采用TOA測距方法進(jìn)行精確定位，搜救器由MCU、LCD顯示屏、近距離測距TOA模塊、遠(yuǎn)距離無線通信模塊、近距離測距定向天線、遠(yuǎn)距離定向天線、揚(yáng)聲器、蜂鳴器構(gòu)成，手持終端機(jī)由MCU、近距離測距TOA模塊、遠(yuǎn)距離無線通信模塊、近距離測距全向天線、遠(yuǎn)距離無線通信全向天線構(gòu)成，服務(wù)器由便攜式計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)距離無線通信模塊、遠(yuǎn)距離無線通信全向天線構(gòu)成。本實(shí)用新型可以通過遠(yuǎn)距離無線通信模塊獲得RSSI信號(hào)強(qiáng)度用于確定手持終端機(jī)相對(duì)于搜救器的定位方向，再通過近距離測距TOA模塊計(jì)算得到手持終端機(jī)與搜救器之間的相對(duì)距離，從而幫助救援人員準(zhǔn)確定位被困消防員的具體位置。
【專利說明】基于TOA測距的消防應(yīng)急救援系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及無線射頻通信網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)急救援領(lǐng)域，具體涉及基于無線射頻網(wǎng)絡(luò)的消防搜救系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各種高層建筑和大跨度廠房不斷涌現(xiàn)，各種復(fù)雜的火災(zāi)和各種突發(fā)性事故也日益增多。消防部隊(duì)面臨的滅火救援形勢日趨嚴(yán)峻，各類事故處置的難度和危險(xiǎn)性越來越高。2013年以來全國發(fā)生的10起較大火災(zāi)中，就有20多名消防員犧牲在一線。面對(duì)建筑物坍塌、爆炸、轟燃、有毒氣體等復(fù)雜局面，消防員救援時(shí)容易出現(xiàn)分不清方向，也很難感知自身所處位置的情況，同時(shí)，場外指揮人員無法摸清火場中人員的行蹤狀態(tài)，也無法做出有效的判斷和指揮，因此，在滅火救援作業(yè)或訓(xùn)練中保護(hù)消防員自身安全成為亟待解決的問題。為了確保消防員能夠有效地逃生，如何準(zhǔn)確地確定被困消防員在火場中的位置成為當(dāng)前研宄重點(diǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對(duì)消防應(yīng)急救援安全問題，本實(shí)用新型實(shí)施例的目的是提供一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的消防應(yīng)急救援系統(tǒng)，便于確定消防員在火場中的位置，保證對(duì)火場中遇險(xiǎn)消防員的有效施救。
[0004]為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型提供如下技術(shù)方案:
[0005]一種基于無線通信網(wǎng)絡(luò)的消防應(yīng)急救援系統(tǒng)，其特征在于，包括:搜救器，手持終端機(jī)和服務(wù)器，搜救人員佩戴搜救器與服務(wù)器無線通信，消防人員攜帶手持終端機(jī)與服務(wù)器無線通信，指揮人員通過服務(wù)器與搜救器和手持終端機(jī)無線通信，搜救器由MCU、LCD顯示屏、近距離測距TOA模塊、遠(yuǎn)距離無線通信模塊、近距離測距定向天線、遠(yuǎn)距離定向天線、揚(yáng)聲器、蜂鳴器和按鍵構(gòu)成，手持終端機(jī)由MCU、近距離測距TOA模塊、遠(yuǎn)距離無線通信模塊、近距離測距定向天線、遠(yuǎn)距離無線通信定向天線和按鍵構(gòu)成，服務(wù)器由便攜式計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)距離無線通信模塊、遠(yuǎn)距離無線通信全向天線構(gòu)成，其中，搜救器的遠(yuǎn)距離無線通信模塊、近距離測距TOA模塊分別與遠(yuǎn)距離定向天線、近距離測距定向天線相連接，手持終端機(jī)的遠(yuǎn)距離無線通信模塊、近距離測距TOA模塊分別與遠(yuǎn)距離全向天線、近距離測距全向天線相連接。
[0006]作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述遠(yuǎn)距離無線通信模塊的頻率是900Mhz或者433Mhz，具有通信距離遠(yuǎn)，信號(hào)不易被遮擋，穿透能力強(qiáng)，所述近距離測距TOA模塊的頻率是2.4-2.483Ghz，通信距離較近，容易受環(huán)境遮擋，穿透能力弱。
[0007]作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述服務(wù)器具有用于存儲(chǔ)搜救器和手持終端機(jī)位置信息的數(shù)據(jù)庫。
[0008]作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述服務(wù)器通過遠(yuǎn)距離無線通信模塊與手持終端機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離無線通信，用于接收佩戴著手持終端機(jī)的被困消防員發(fā)出的求救指令。
[0009]作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述服務(wù)器通過遠(yuǎn)距離無線通信模塊與搜救器進(jìn)行遠(yuǎn)距離無線通信，用于操作服務(wù)器的指揮人員向搜救器發(fā)送搜救指令，救援人員攜帶搜救器進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場，通過與手持終端機(jī)的遠(yuǎn)距離無線通信模塊進(jìn)行定向通信，搜救器將從遠(yuǎn)距離無線通信模塊和近距離測距TOA模塊獲得RSSI信號(hào)強(qiáng)度，用于確定被困消防人員的大致方向，在此基礎(chǔ)上，通過與手持終端機(jī)的近距離測距模塊進(jìn)行測距通信，搜救器再從近距離測距模塊獲得與被困人員的測距值，用于確定與被困人員的距離，并顯示到搜救器LCD顯示屏，揚(yáng)聲器和蜂鳴器配合提醒和報(bào)警使用。搜救人員找到被困消防員后，通過搜救器遠(yuǎn)距離通信模塊向服務(wù)器發(fā)送救援成功指令，服務(wù)器接收救援成功指令后解除該消防員的被困狀態(tài)。

【附圖說明】

[0010]為了更清楚地說明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0011]圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例搜救器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例手持終端機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖3為本實(shí)用新型TOA測距的原理圖；
[0014]圖4為本實(shí)用新型搜救器和手持終端機(jī)測距的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0015]以上所述，僅為本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本實(shí)用新型揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)所述以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
[0016]基于TOA測距的消防應(yīng)急救援系統(tǒng)，消防人員攜帶手持終端進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場，出現(xiàn)緊急情況需要救援時(shí)，消防員通過手持終端機(jī)向服務(wù)器發(fā)出求救指令，服務(wù)器接收到求救指令之后，進(jìn)而向佩戴有搜救器的救援人員發(fā)出救援指令，通知搜救人員進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場尋找被困消防員，搜救器和手持終端機(jī)通過從遠(yuǎn)距離無線通信模塊和近距離測距TOA模塊獲得RSSI信號(hào)強(qiáng)度，以及通過近距離TOA測距模塊發(fā)送、接收數(shù)據(jù)包之間的時(shí)間延遲實(shí)現(xiàn)測距過程，根據(jù)手持式終端相對(duì)于搜救器的大致方向和距離信息，準(zhǔn)確地確定手持式終端相對(duì)于搜救器的位置信息；
[0017]圖1展示搜救器的結(jié)構(gòu)示意圖，搜救器是由MCU、IXD顯示屏、近距離測距TOA模塊、遠(yuǎn)距離無線通信模塊、近距離測距定向天線、遠(yuǎn)距離定向天線、揚(yáng)聲器、蜂鳴器和按鍵構(gòu)成；
[0018]所述遠(yuǎn)距離無線通信模塊與遠(yuǎn)距離定向天線連接，用于將控制數(shù)據(jù)通過定向天線發(fā)送出去，或者通過定向天線接收控制數(shù)據(jù)；
[0019]所述近距離測距TOA模塊與近距離測距定向天線連接，用于將測距數(shù)據(jù)通過定向天線發(fā)送出去，或者通過定向天線接收測距數(shù)據(jù)；
[0020]所述搜救器和手持終端機(jī)的近距離測距TOA模塊之間發(fā)送、接收測距數(shù)據(jù)，根據(jù)發(fā)送、接收數(shù)據(jù)之間的時(shí)間延遲，計(jì)算搜救器和手持終端機(jī)之間的距離；
[0021]所述搜救器和服務(wù)器的遠(yuǎn)距離無線通信模塊之間發(fā)送、接收控制命令，用于服務(wù)器向搜救器發(fā)送搜救命令，搜救器將測距得到的位置數(shù)據(jù)返回給服務(wù)器，或者將救援成功指令發(fā)送給服務(wù)器；
[0022]MCU處理器與近距離測距TOA模塊、遠(yuǎn)距離無線通信模塊、揚(yáng)聲器、蜂鳴器和按鍵協(xié)調(diào)工作，在搜救器接收到服務(wù)器發(fā)出的救援指令之后，MCU根據(jù)搜救器和手持終端機(jī)之間發(fā)送、接收數(shù)據(jù)的時(shí)間延遲，計(jì)算確定救援人員與被困消防員之間的距離，并將相對(duì)位置信息顯示在搜救器LCD顯示屏，觸發(fā)揚(yáng)聲器和蜂鳴器在收到救援命令時(shí)進(jìn)行鳴叫，向救援人員進(jìn)行提醒和報(bào)警。
[0023]為了方便使用，所述搜救器還可以設(shè)置有LED顯示屏、電源模塊和存儲(chǔ)模塊，LED顯示屏用于顯示測距數(shù)據(jù)信息；存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)方向、距離等信息并上傳給服務(wù)器。
[0024]找到被困消防員后，搜救人員按下按鍵，停止測距并通過遠(yuǎn)距離通信模塊發(fā)送搜救成功指令到服務(wù)器。
[0025]圖2展示手持終端機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，手持終端機(jī)是由MCU處理器、近距離測距TOA模塊、遠(yuǎn)距離無線通信模塊、近距離測距全向天線、遠(yuǎn)距離全向天線和按鍵構(gòu)成；
[0026]所述遠(yuǎn)距離無線通信模塊與遠(yuǎn)距離全向天線連接，用于將控制命令通過定向天線發(fā)送出去，或者通過全向天線接收控制命令；
[0027]所述近距離測距TOA模塊與近距離測距全向天線連接，用于將測距數(shù)據(jù)通過全向天線發(fā)送出去，或者通過全向天線接收測距數(shù)據(jù)；
[0028]所述手持終端機(jī)與搜救器之間通過近距離測距TOA模塊發(fā)送、接收測距數(shù)據(jù)，根據(jù)發(fā)送、接收數(shù)據(jù)之間的時(shí)間延遲，計(jì)算手持終端機(jī)和搜救器之間的距離；
[0029]所述手持終端機(jī)和服務(wù)器的遠(yuǎn)距離無線通信模塊之間發(fā)送、接收控制命令，用于向服務(wù)器發(fā)送求救命令，或者手持終端機(jī)接收搜救器發(fā)出的測距數(shù)據(jù)；
[0030]所述手持終端機(jī)的MCU處理器與近距離測距TOA模塊、遠(yuǎn)距離無線通信模塊協(xié)調(diào)工作，用于在手持終端機(jī)和搜救器之間發(fā)送、接收數(shù)據(jù)的時(shí)間延遲，計(jì)算確定救援人員與被困消防員之間的距離；
[0031]圖3展示TOA測距的原理圖，本實(shí)用新型的手持終端機(jī)和搜救器通過近距離測距TOA模塊共同實(shí)現(xiàn)精確定位，同時(shí)也可以接收、發(fā)送RFID格式數(shù)據(jù)包，與RFID射頻模塊共同實(shí)現(xiàn)RFID定位，本實(shí)用新型可以兼容TOA測距與RFID定位。
[0032]基于TOA測距的人員精確定位方法，具體步驟如下:
[0033]I)手持終端機(jī)向搜救器發(fā)送握手信息，搜救器觸發(fā)啟動(dòng)基于TOA精確定位過程；
[0034]2)搜救器向手持終端機(jī)發(fā)送第一次定位數(shù)據(jù)包的時(shí)間點(diǎn)，記為Tl，手持終端機(jī)接收到第一次定位數(shù)據(jù)包的時(shí)間點(diǎn)，記為T2 ；
[0035]3)手持終端機(jī)向搜救器發(fā)出第一次應(yīng)答消息的時(shí)間點(diǎn)為T3，搜救器接收到第一次應(yīng)答消息的時(shí)間點(diǎn)，記為T4;
[0036]4)根據(jù)T1、T2、T3和Τ4時(shí)間信息，從發(fā)送第一次定位數(shù)據(jù)包到接收第一次定位數(shù)據(jù)包的時(shí)間段為Τ2-Τ1，從發(fā)送第一次應(yīng)答消息到接收第一次應(yīng)答消息的時(shí)間段為Τ4-Τ3，手持終端機(jī)與搜救器之間的距離d=((T2-Tl)-(T4-T3))*C/2，其中，C為光速，計(jì)算得出手持終端機(jī)與搜救器之間的位置信息。
[0037]圖4展示本實(shí)用新型搜救器和手持終端機(jī)測距的示意圖，在手持終端機(jī)和搜救器之間的近距離測距TOA模塊的通信頻率是2.4Ghz，可以用來測得距離，但是通信距離較近，容易受環(huán)境遮擋，穿透能力強(qiáng)；在手持終端機(jī)和搜救器之間的遠(yuǎn)距離無線通信模塊的通信頻率是900Mhz或者433Mhz，具有通信距離遠(yuǎn)，信號(hào)不易被遮擋，穿透能力強(qiáng)。搜救人員首先通過遠(yuǎn)距離無線通信模塊的RSSI信號(hào)強(qiáng)度，測量在搜救人員所處位置的各個(gè)方向RSSI信號(hào)強(qiáng)度數(shù)值，選擇測得最大的RSSI信號(hào)強(qiáng)度作為搜救器搜尋被困人員的搜救方向，然后利用近距離測距TOA模塊獲得與被困人員間的距離，以搜救器所處當(dāng)前位置為圓心，以接收到RSSI信號(hào)強(qiáng)度最大值的方向作為搜救方向，以測距為半徑為搜救范圍，逐步接近攜帶有手持終端機(jī)的被困消防員的目標(biāo)位置。
[0038]具體地，手持終端機(jī)的遠(yuǎn)距離無線通信范圍和近距離測距檢測范圍是在以手持終端機(jī)為圓心，以遠(yuǎn)距離無線射頻模塊的通信距離和近距離測距TOA射頻模塊的通信距離為半徑的同心圓范圍以內(nèi)，同樣地，搜救器的遠(yuǎn)距離無線通信范圍和近距離測距檢測范圍是在以搜救器為圓心，以遠(yuǎn)距離無線射頻模塊的通信距離和近距離測距TOA射頻模塊的通信距離為半徑的同心圓范圍以內(nèi)。
[0039]在手持終端機(jī)和搜救器逐漸由遠(yuǎn)及近的過程中，當(dāng)手持終端機(jī)和搜救器都無法發(fā)送和接收到無線信號(hào)時(shí)，則表明手持終端機(jī)和搜救器處于遠(yuǎn)距離通信區(qū)域以外；當(dāng)手持終端機(jī)和搜救器能夠發(fā)送和接收無線信號(hào)時(shí)，則表明手持終端機(jī)和搜救器處于遠(yuǎn)距離通信區(qū)域以內(nèi)，同時(shí)處于近距離測距檢測區(qū)域以外，此時(shí)搜救人員通過900Mhz遠(yuǎn)距離通信模塊的RSSI信號(hào)強(qiáng)度能獲知被困人員大致方向，具體地，搜救人員檢測所處位置的不同方向的RSSI信號(hào)強(qiáng)度值，選擇RSSI信號(hào)強(qiáng)度最大值作為指引方向進(jìn)行搜救遍歷，如果測得RSSI信號(hào)強(qiáng)度值逐漸變小，說明搜救方向有誤差，則需要重新回到前次檢測RSSI信號(hào)強(qiáng)度的位置進(jìn)行其他方向的搜救遍歷；當(dāng)手持終端機(jī)和搜救器能夠相互傳輸TOA握手信息，則表明手持終端機(jī)和搜救器處于近距離測距檢測區(qū)域，使用TOA測距方法根據(jù)時(shí)間延遲計(jì)算出手持終端機(jī)和搜救器之間的測距數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述RSSI信號(hào)強(qiáng)度和測距數(shù)據(jù)確定方位信息，用于完成手持終端機(jī)和搜救器之間的相對(duì)方向和相對(duì)位置定位。進(jìn)一步地，若有兩臺(tái)以上的搜救器與被困消防員的無線終端機(jī)執(zhí)行測距過程，則分別以兩臺(tái)以上的搜救器為圓心，以各自搜救器測距得到的距離為半徑的圓圈所形成的相交區(qū)域，可以定位出被困消防員的位置區(qū)域，完成精確定位過程。
【權(quán)利要求】
1.一種基于TOA測距的消防應(yīng)急救援系統(tǒng)，其特征在于，該消防應(yīng)急救援系統(tǒng)包括:搜救器、手持終端機(jī)和服務(wù)器，指揮人員通過服務(wù)器控制搜救人員佩戴的搜救器和消防人員攜帶的手持終端機(jī)之間測距定位，所述搜救器由MCU處理器、IXD顯示屏、近距離測距TOA模塊、遠(yuǎn)距離無線通信模塊、近距離測距定向天線、遠(yuǎn)距離定向天線、揚(yáng)聲器、蜂鳴器和按鍵構(gòu)成，手持終端機(jī)由MCU處理器、近距離測距TOA模塊、遠(yuǎn)距離無線通信模塊、近距離測距全向天線、遠(yuǎn)距離全向天線和按鍵構(gòu)成，服務(wù)器由便攜式計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)距離無線通信模塊、遠(yuǎn)距離全向天線構(gòu)成，其中，搜救器的遠(yuǎn)距離無線通信模塊、近距離測距TOA模塊分別與遠(yuǎn)距離定向天線、近距離測距定向天線相連接，手持終端機(jī)的遠(yuǎn)距離無線通信模塊、近距離測距TOA模塊分別與遠(yuǎn)距離全向天線、近距離測距全向天線相連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于TOA測距的消防應(yīng)急救援系統(tǒng)，其特征在于，所述遠(yuǎn)距離無線通信模塊的通信頻率是900Mhz或者433Mhz，具有通信距離遠(yuǎn)，信號(hào)不易被遮擋，穿透能力強(qiáng)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于TOA測距的消防應(yīng)急救援系統(tǒng)，其特征在于，所述近距離測距TOA模塊的通信頻率是2.40-2.483Ghz，通信距離較近，容易受環(huán)境遮擋，穿透能力弱。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于TOA測距的消防應(yīng)急救援系統(tǒng)，其特征在于，所述服務(wù)器存儲(chǔ)有搜救器和手持終端機(jī)的位置信息的數(shù)據(jù)庫。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于TOA測距的消防應(yīng)急救援系統(tǒng)，其特征在于，所述服務(wù)器通過遠(yuǎn)距離無線通信模塊與手持終端機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離無線通信，用于接收佩戴手持終端機(jī)的被困消防員發(fā)出的求救指令，并將該消防員設(shè)置為被困狀態(tài)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于TOA測距的消防應(yīng)急救援系統(tǒng)，其特征在于，所述服務(wù)器通過遠(yuǎn)距離無線通信模塊與搜救器進(jìn)行遠(yuǎn)距離無線通信，指揮人員通過服務(wù)器向搜救器發(fā)出救援指令，用于命令攜帶搜救器的救援人員進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場，與被困消防員的手持終端機(jī)進(jìn)行無線射頻通信，搜救器從遠(yuǎn)距離無線通信模塊和近距離測距TOA模塊獲得RSSI信號(hào)強(qiáng)度，用于確定被困消防人員的搜尋方向，然后通過近距離測距模塊進(jìn)行TOA測距，得到搜救器與手持終端機(jī)之間的距離信息，并顯示在搜救器LCD顯示屏，觸發(fā)揚(yáng)聲器和蜂鳴器用于提醒和報(bào)警；搜救人員找到被困消防員后，通過搜救器遠(yuǎn)距離通信模塊向服務(wù)器發(fā)送救援成功指令，服務(wù)器接收救援成功指令后解除該消防員的被困狀態(tài)。
【文檔編號(hào)】H04W64-00GK204272385SQ201420621872
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