基于WiFi的RFID室内消防定位方案研究.docx

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基于WiFi的RFID室内消防定位方案研究

基于WiFi的RFID室内消防定位方案研究

摘要鉴于WiFi的抗干扰能力比较差，在实际生产生活中，独立地使用WiFi技术进行室内定位已不足以满足人们对实时准确定位的需求，特别是在处理城市消防问题中显得尤为突出。

本文提出了一种基于WiFi的RFID室内消防定位方案，该方案通过信息融合技术，同时利用WiFi和RFID实现更加精确地实时定位。

本方案的实施，首先在不同时段利用终端对室内地理位置所接收AP结点的信号强度进行多次采集，并建立对应时段标准数据库；其次通过将实时采集的终端信息与数据库的标准值进行对比，推算出比较准确的定位方式；最后服务器通过定位算法对终端所反馈的实时数据进行处理，从而获取更为准确的位置信息。

关键词WiFi；信息融合；RFID；火灾预警；实时定位

RFIDIndoorFirelocationSchemebasedonWiFi

YuchaoWang，YimingGu，HuizhenJia，KaiqiangWang

AbstractInviewofWiFi’spoorabilityofanti-interference,inreallife,justusingtheWiFitechnologyforindoorpositioningcannotsatisfypeople’sdemandforreal-timeandaccuration.Especiallyintheprocessofcityfirecontrolproblem，thatkindofsituationisparticularlyprominent.Inthispaper,aRFIDindoorfirelocationschemebasedonWiFihasbeenproposed.ThroughinformationfusionandusingthetechnologyofRFIDandWiFiatthesametime,theschemecouldrealizereal-timepositioningaccurately.Thereareseveralstepstocarryoutthescheme.Firstly,usingterminaltoindoorlocationcollectsthesignalstrengthoftheAPnodesformanytimes,averagingandestablishingthestandarddatabase;Secondly,throughcomparingtheinformationcomesfromterminalwithastandarddatabase,selectthemoreaccuratepositioningapproach;Atlast,Serverthroughlocalizationalgorithmprocessesreal-timedataterminalfeedbacks,soastoobtainmoreaccuratelocationinformation.

KeywordsWiFi;Informationfusion;RFID;Firealarm;Real-timelocation

引言

目前，伴随我国城镇化建设的加速，城市高层建筑急速增多，大型商场突发火灾已成为城市灾害中最为常见的灾害形式。

在城市预防火灾方面主要采用的是在商场内安装火灾自动报警系统及其联动消防装置。

但是在这种消防设备管理和监督体系下，由于无法及时地对商场内的消防设施进行检查维修，导致很多火灾自动报警系统故障频发，不能及时对已发灾害进行及时准确地预警。

加之消防员在灭火抢险救援过程中，很容易遭遇到各种突发性危险情况，甚至会出现伤亡。

而在意外发生后，如何对参与救灾的消防人员的具体位置进行实时准确的定位，如何成功处置灾害事故，尤其是在火灾现场出现消防人员被困的情况下尽快制定出合理的救援方案十分重要。

因此，建立基于WiFi[1]技术和RFID[2]技术的城市火灾预警和室内人员定位方案具有很重要的现实意义。

1系统方案需求分析

在消防人员抢险救灾过程中，由于复杂环境以及电磁干扰，会对WiFi定位产生很大的影响，利用RFID的稳定性、抗干扰性，以及WiFi覆盖范围广、传出速率高的优点，实现彼此的互补，从而达到精确定位。

1）准确定位：

消防指挥中心在接到火灾预警信号，准确确定受灾地点，并根据WiFi和RFID采集的数据信息实现对救灾现场消防人员的精确定位，并对火灾状况有大概的了解。

2）及时迅速：

时间就是生命，如何在最短的时间内进行火灾处理是至关重要的，利用该系统就可以就近调度消防人员并对其进行监控和指挥。

3）现场指挥：

消防监控指挥中心通过对消防人员的定位，准确观察消防人员的周边的状况，实现指挥中心对消防人员的现场指挥。

消防人员定位系统需要将消防人员的动态情况及时准确的反映到终端服务器，使管理员能够随时掌握消防员所处的具体位置、消防员的分布以及现场的情况，以便于远程指导进行更加合理的救灾行动，从而提高救援工作的效率。

本系统方案主要应用在大型商场这样一个人流比较多，容易发生火灾的地方。

根据对大型商场消防现状的调查与分析，设计新系统时应充分利用RFID和WiFi的特点，以确保满足设计的最终目的，在设计中需要注意一下几个问题：

1）实时性、准确性。

本系统属于远程检测系统，实时性和准确性是最基本的要求，只有确保布置在监控区域的检测装置准确反馈经过该区域的消防人员信息，才能给消防领导为救活救灾提供决策支持。

2）可靠性、抗干扰性。

系统中的RFID模块与WiFi模块同时工作，提供较强抗干扰能力以适应商场的各种复杂环境，保证系统连续可靠运行[4]。

3）实用性。

消防人员只需要通过标签的位置来确定自己的位置，简单可行。

4）可扩展性。

本系统能够实现多种技术的融合，在应用该系统时，能够将其移至到其他场合，并且能够和其他无线技术融合，增强系统的稳定性。

2系统功能的实现

1）信息读取功能。

将储存在RFID标签中的信息读取出来，其中包括定位标签所在的位置信息以及标签的ID号及一些基本信息。

2）报警信息采集功能。

由火警检测传感器，如烟雾传感器、温度传感器等。

当设备检测到有火警信号出现时，会及时发送至WiFi接入点AP。

3）信息融合功能。

利用WiFi和RFID的优点，实现技术互补，通过将二者采集到的信息与数据库中的参考值进行对比，确定最佳定位方案。

4）无线传输功能。

将从每一处获取的消防员位置信息和通过烟雾传感器和温度传感器获取的周围环境信息通过无线传输，发送至WiFi接入点AP。

5）AP端信息采集[5]。

由定位终端将接收到的数据信息进行发送给AP，AP把数据装入一种特定的数据结构中，并将其通过以太网发送至地面监控中心的定位服务器。

6）信息数据处理。

该部分工作由管理系统自动完成，该系统可以将搜集到的数据信息处理并与标准数据库中的参考值进行对比，将结果反馈给监控指挥人员，其中包括：

■各个消防人员携带的定位终端通过WiFi采集到的数据信息。

■各个消防人员携带的定位终端通过RFID采集到的数据信息。

3系统设计方案

基于WiFi的RFID室内消防定位系统主要用于大型商场发生火灾时的预警和消防人员在处理火灾时的定位跟踪，该系统总共分为三个大的模块，消防预警模块、数据库模块和最佳定位模块。

这三个模块只要实现两大功能，即预警和跟踪定位。

每一个模块都是根据方案的需求来划分的，对于每一个模块，都有该模块多的性能指标，又由不同的小模块构成。

3.1消防预警模块

该模块主要将多媒体技术、网络技术、主动空气采样、空气颗粒识别和烟雾浓度鉴别和远程报警系统相结合，用来监测无线火灾探测网络范围内的不同位置的温度和烟雾浓度，当探测得到的数据超过报警閥值时，发出报警信号并显示报警节点的位置。

该消防预警模块主要由信息采集、数据传送和消防监控三部分组成。

模块构成图：

图1

消防监控处于该模块的最高层，由计算机和相应的系统软件构成，同时兼有GIS系统，用于对数据信息进行处理，将其转化为图像信息。

监控人员通过对图像的观察分析，立即启动消防预案，以达到及时、迅速处理的效果。

数据传输主要由WiFi无线网络和已有的以太网进行传输。

在火灾发生现场，有线网络并不是非常可靠，很有可能发生故障。

WiFi网络接收器接收数据采集模块集成的烟雾传感器传递过来的数据信息之后，通过AP节点进行自动组网，最后再通过以太网将数据信息传递到消防指挥中心。

通过大量的实验证明这种数据传递方式高速、及时、稳定、有效。

信息采集主要利用RFID标签，将烟雾传感器和RFID标签集成到一起，然后按照楼层或者房间的设置，将集成好的带有烟雾传感器的标签安置在墙壁的合适的位置。

当商场某一处着火时，空中的烟雾含量会急剧增大，当传感器感应到的空气中烟雾的含量超过设置的閥值时，传感器就会将检测到的数据通过WiFi无线网络传输到AP节点，进而通过以太网传出到控制中心。

3.2数据库的模块

鉴于室外无线定位的特点，要想实现精确定位，就必须提前对定位的地理环境进行信号强度样点采集，将采集的信号强度信息进行处理建立标准数据库。

在具体实时定位时，只要我们通过无线终端将搜集到的该地点的信号强度信息传输到服务器，跟标准数据库中的参考值做匹配，根据差值不断的进行调整，最后达到最佳值，对实施地点进行精确的定位。

根据室外无线定位的原理，要想进行对室内的精确定位，我们同样需要根据室内的布局对室内进行样点采集，然后建立标准数据库，在实时定位中作为参考进行定位。

我们提出以下建立数据库的方案：

1）WiFi节点和RFID标签的设置

要想实现对一个大型商场进行精确的定位，WiFi节点和RFID标签恰当合理的设置是进行室内精确定位的关键。

首先对该大型商场进行勘测，根据商场的室内布局，对商场的布局和具体的物体摆放位置进行测量，结合WiFi节点和RFID标签的物理特性，计算出WiFi节点之间的距离以及RFID标签之间的距离，在适当的位置布置WiFi节点和RFID标签。

2）信号强度信息采集及处理

在正常情况下，取商场内任意一点，检测一天内不同时段的WiFi信号强度和RFID信号强度，并建立特定时段的标准数据库作为实时定位的参考值。

数据库建立流程如图2：

图2

3.3最佳定位模块

该模块将WiFi和RFID定位技术相结合，利用RFID抗干扰性强的优点来弥补WiFi的不足。

（分为两部分，一部分是后台服务器，利于监控人员去观测现场，另一部分可以做到终端上，实时定位）

定位服务器主要有计算机和相应的数据库软件组成，接受由以太网发送过来的数据信息，然后对数据进行相应的处理，主动的将处理过的信息发送到消防指挥中心。

待定位区域内有很多固定的参考标签，将此标签的位置信息通过定位服务器送入数据库集中的标准数据库中，然后分别将WiFi和RFID单独工作时的定位信息经由定位服务器送到数据库集中的定位数据库。

将标准数据库与定位数据库中的位置信息进行比对，计算出误差较小的一种定位方式，选取为最终定位方式。

其中定位数据库中的数据每隔一段时间就会将参考标签的位置信息更新一次，相应的分析处理部分就会对定位数据库与标准数据库中的数据进行分析对比，以便能够及时确定最优的定位方式，增强系统的抗干扰性。

信息融合流程图如下：

图3

在消防实时定位时，通过WiFi将消防员携带的定位终端采集的信息实时发送到服务器，利用最佳模块选择的最佳定位方式对采集到的实时数据进行处理，以获取消防人员所处的准确位置，以实现指挥中心对消防人员的准确指导。

系统示意图如图4：

图4

4室内定位算法

目前，无线定位技术发展的已经比较成熟，比如GPS定位技术，能够非常准确的对室外的物体进行定位，但对于室内的定位来讲，由于建筑物的阻挡以及多径效应无法对室内的人或者物进行精确的定位。

随着技术的发展，人们逐渐研究出了可以实现室内定位的无线定位技术。

基于RFID的无线定位技术缩小了定位的范围，相对于GPS的定位的精确度已经大大的提高。

在这里，我们主要运用到基于WiFi和RFID结合的室内定位技术。

WiFi是利用免费的2.4G频段，实现对数据的高效传输。

WiFi的传输距离可以达到100m，具有很广的覆盖范围。

但是影响室内定位精度的不仅仅是定位技术的选测，定位算法的好坏也直接影响到室内精确定位的成败。

目前常见的定位算法基本上可以分为两大类，即与距离无关的算法和基于测距技术的定位算法，如质心法、APIT算法、凸规划算法等与距离无关的算法以及基于接收信号强度指示算法（RSSI）、到达角度算法（AOA）、到达时间算法（TOA）等基于测距技术的算法[7]。

在我们提出的基于WiFi和RFID的室内定位系统中，我们充分考虑了大型商场的地理环境，考虑到对消防工作人员位置的精确跟踪定位，结合电子标签和定位终端的信号循环发射和接受，我们提出采用基于信号强度的算法和三边定位算法。

4.1信号强度算法[7]

经过大量的实验研究，发现信号强度服从对数正态分布，通过信号在传播过程中的衰减来估测节点之间的距离，实现精确定位。

根据信道模型求解接收到待定位置的信号强度：

公式

（1）

式中：

n为路径损耗指数，与周围的环境有关；

是标准差为

的的正态随机变量；

式参考距离，在室内环境中通常取1m；

为参考位置的信号强度。

假设有n个AP，m个参考标签，则AP点接收到待定标签的强P=（

），采集到得第t个参考标签的强度矢量为

和参考标签

之间的欧氏距离为：

公式

（2）

然后通过比较不同E来寻找待定标签位置最近的参考标签，当由K个临近的参考标签来确定一个待测标签的时候，即可计算出待定标签坐标是

：

公式（3）

其中的

和

分别是第

个临近参考标签的权重因子和坐标位置。

根据经验：

公式（4）

权重越大，E值越小。

4.2三边定位算法

三边定位算法[8]：

分别以已知位置的3个AP为圆心，以各个到待测标签的距离最近参考标签的距离为半径作圆。

所得到的3个圆的交点为D。

该算法的示意图如图4:

图5

设位置节点D（x,y）,已知A、B、C三点坐标为

，

，

。

它们到D的距离分别是

，

，

。

则D的位置可以通过下列方程中的任意两个求解。

公式（5）

公式（6）

公式（7）

我们在进行定位的时候采用了将信号强度算法和三边定位算法结合的方法，由于单独的利用基于信号强度的算法和基于三边定位的算法不是很精确，会出现很大的误差。

因此本文在实现定位算法的时候先利用信号强度算法进行计算，然后再利用三边定位算法定位计算，这样定位的精度会更高。

结语

本文基于WiFi和RFID技术提出了一种新型的火灾预警及室内定位解决方案，利用现有比较成熟的技术改善了当前城市火灾预警不稳定的现状，同时实现了对参与救灾的消防人员进行实时精确地室内定位，保证了对城市火灾的高效处置的同时也确保了消防人员的人身安全，具有非常高的推广价值。

在技术方面是可行的，系统实现起来比较容易，城市里商场中系统器件的安置也是非常方便，更重要的是，该系统具有很好的推广性，在办公楼、停车场、大型娱乐商场等都可以成功地应用该系统。

参考文献：

[1]丁莹.浅谈WiFi技术[J].科技世界，2012,24.

[2]李俊.基于RFID的室内定位系统的研究和实现[J].电子科技大学，2009,05.

[3]王珏.基于ZigBee技术的消防报警及定位系统[J].太原理工大学，2012,05.

[4]杨柳.煤矿井下新型人员定位方案研究设计[J].西安科技大学，2012,05.

[5]张璐阳.基于WiFi的RFID定位方案讨论[J].科技资讯，2011，10.

[6]沈茂东.GIS和3G技术在移动应急指挥系统中的设计与应用[J].中国高新技术企业，2012，06,66-68.

[7]刘敏.基于WiFi的电子标签定位算法[J].单片机与嵌入式系统应用，2012，06.

[8]朱剑，赵海.基于RSSI均值的等边三角形定位算法[J].东北大学学报，2007，08.