基于RFID的消防員室內(nèi)定位技術(shù)研究

薛彩姣

摘 要：火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)溫度高、煙霧濃、噪音大，空氣呼吸器的使用時(shí)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(mǎn)足大量部署、長(zhǎng)期部署的要求，采用現(xiàn)有定位技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)相比較的方法，可獲得精度高、造價(jià)低的RFID定位技術(shù)。文中同時(shí)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(shí)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(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）07-00-03

0 引 言

定位問(wèn)題是指確定一個(gè)目標(biāo)（人、設(shè)備）在一個(gè)確定區(qū)域中具體位置的過(guò)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(biāo)。例如，絕對(duì)坐標(biāo)、相對(duì)位置和符號(hào)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(shí)消防員就要進(jìn)入室內(nèi)，進(jìn)行火情偵察，搶救人員及財(cái)產(chǎn)?；馂?zāi)撲救過(guò)程中，消防員的實(shí)時(shí)位置信息對(duì)于火場(chǎng)指揮人員實(shí)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(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)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(tái)在噪聲的干擾下很難進(jìn)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(wú)法確切知道每個(gè)消防員的位置，曾經(jīng)發(fā)生過(guò)多起由于消防員無(wú)法接到撤退命令或者無(wú)法及時(shí)撤退而救援人員又不能及時(shí)找到并施救導(dǎo)致消防員犧牲的慘劇。

因此，如何把火場(chǎng)上消防員的室內(nèi)位置信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)指揮部的管理系統(tǒng)中，從而為現(xiàn)場(chǎng)指揮提供直觀(guān)、可靠的依據(jù)；同時(shí)利用位置信息對(duì)被困、負(fù)傷消防員實(shí)施直接、快速地營(yíng)救，這對(duì)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(shí)別技術(shù)，是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)[1]。最基本的RFID系統(tǒng)由標(biāo)簽、閱讀器和用來(lái)傳遞射頻信號(hào)的天線(xiàn)組成。標(biāo)簽又可分為有源標(biāo)簽和無(wú)源標(biāo)簽，二者可適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)所。

可根據(jù)電子標(biāo)簽是否具有電源分為有源標(biāo)簽、無(wú)源標(biāo)簽和半有源標(biāo)簽。有源標(biāo)簽因其自身具有電源，可以提供遠(yuǎn)距離自動(dòng)識(shí)別功能。無(wú)源標(biāo)簽的自動(dòng)識(shí)別距離相對(duì)較近，但是該標(biāo)簽無(wú)需電源，其成本較低而且可長(zhǎng)時(shí)間工作。根據(jù)有源標(biāo)簽和無(wú)源標(biāo)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(shì)。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(wú)源兩種標(biāo)簽的優(yōu)勢(shì)。

RFID系統(tǒng)工作原理示意圖如圖1所示。不管標(biāo)簽是有源還是無(wú)源，工作的基本原理都是當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器天線(xiàn)的感應(yīng)范圍時(shí)，閱讀器發(fā)送電磁波，激勵(lì)無(wú)線(xiàn)通信鏈路，標(biāo)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(jī)，完成信息處理，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)或自動(dòng)收集目標(biāo)標(biāo)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(duì)于目標(biāo)定位技術(shù)，市場(chǎng)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(shì)在于能夠全球范圍覆蓋，受天氣、地理?xiàng)l件影響小等，但由于GPS信號(hào)的傳輸要經(jīng)過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行，對(duì)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(shí)其定位精度也難以達(dá)到消防員室內(nèi)定位的要求。

（2）紅外線(xiàn)室內(nèi)定位技術(shù)

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

（3）藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)

藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于設(shè)備的體積小、信號(hào)傳輸不受視距的影響，而且由于目前運(yùn)用藍(lán)牙的設(shè)備較為普及，只要開(kāi)啟這些設(shè)備的藍(lán)牙功能就可以利用手持終端來(lái)檢測(cè)其信號(hào)強(qiáng)度，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行定位。但藍(lán)牙系統(tǒng)的信號(hào)也易受電磁波噪聲干擾，穩(wěn)定性差，同時(shí)設(shè)備的高昂造價(jià)限制了系統(tǒng)的發(fā)展和運(yùn)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(gè)微小傳感器之間的相互協(xié)調(diào)通信來(lái)實(shí)現(xiàn)定位的。ZigBee通信效率非常高，功耗低，成本低，但是需要專(zhuān)網(wǎng)專(zhuān)用，部署成本相對(duì)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(shì)和缺點(diǎn)。

2.2 RFID定位技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)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(diǎn)，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(biāo)簽和閱讀器之間不需要二者直接接觸，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。閱讀器可以通過(guò)發(fā)射天線(xiàn)發(fā)送一定頻率的射頻信號(hào)。當(dāng)射頻標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)射天線(xiàn)工作區(qū)域時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使射頻標(biāo)簽獲得能量被激活[3]。只要標(biāo)簽和閱讀器之間的距離達(dá)到二者的感應(yīng)范圍，從另一個(gè)角度講就是電磁感應(yīng)強(qiáng)度只要達(dá)到了門(mén)限功率，標(biāo)簽和閱讀器就算“握手”成功，可以實(shí)施信息交流了，這實(shí)際上就是一個(gè)“盲選”的過(guò)程。而這些特點(diǎn)對(duì)于災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的消防員實(shí)時(shí)定位至關(guān)重要，由于災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的消防員要進(jìn)行火情偵察、火災(zāi)撲救等工作，根本無(wú)暇顧及其他情況，而基于RFID技術(shù)的定位通過(guò)“盲選”的“握手”方式很好地解決了這些問(wèn)題。

基于RFID技術(shù)定位系統(tǒng)的價(jià)格，一般來(lái)說(shuō)，無(wú)源標(biāo)簽的比有源標(biāo)簽更便宜[4]。有源標(biāo)簽的單價(jià)介于10～500美元之間，集成有2 KB存儲(chǔ)器的高頻UHF4×6英寸的無(wú)源標(biāo)簽在美國(guó)的通用單價(jià)在0.41～0.55美元之間，存儲(chǔ)器容量為256 b的高頻UHF4×6英寸的無(wú)源標(biāo)簽的單價(jià)在0.37～0.52美元之間。而對(duì)于超高頻UHF4×6英寸的無(wú)源標(biāo)簽其在美國(guó)的通用單價(jià)則在0.11～0.15美元之間，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的無(wú)源標(biāo)簽在價(jià)格上更是低于美國(guó)。要實(shí)現(xiàn)對(duì)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(mǎn)足定位要求。

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

2.3 RFID定位技術(shù)的算法及精度

定位算法是解決如何對(duì)目標(biāo)具體定位的策略。目前，在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行定位服務(wù)的定位模式有信號(hào)強(qiáng)度法、收信角度法、收信時(shí)間、收信時(shí)間差等[5]?；诮邮招盘?hào)強(qiáng)度是RFID定位系統(tǒng)普遍采用的策略，但由于目前的RFID閱讀器對(duì)信號(hào)強(qiáng)度識(shí)別的精度有限，只能將所接收到信號(hào)的相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行相應(yīng)等級(jí)的劃分，通過(guò)檢測(cè)標(biāo)簽不同的能量等級(jí)來(lái)大致判斷目標(biāo)所處的坐標(biāo)范圍。

為了實(shí)現(xiàn)基于RFID技術(shù)的高精度定位，可以從兩個(gè)方面來(lái)著手解決這個(gè)問(wèn)題，一方面是對(duì)目標(biāo)位置坐標(biāo)的定位要以參考標(biāo)簽坐標(biāo)為基準(zhǔn)來(lái)修正。即參考標(biāo)簽坐標(biāo)是已知的、確定的，通過(guò)對(duì)被測(cè)目標(biāo)的參數(shù)與參考標(biāo)簽的參數(shù)比較來(lái)修正目標(biāo)的坐標(biāo)，減少測(cè)量誤差，提高定位精度，這種方法類(lèi)似于GPS的差分定位技術(shù)。另一方面是利用多次測(cè)量坐標(biāo)的平均值來(lái)進(jìn)行估算。如可以設(shè)Du為移動(dòng)的讀卡器成功檢測(cè)到的參考標(biāo)簽集，通過(guò)對(duì)所有參考標(biāo)簽的坐標(biāo)（xt，yt）求平均值的簡(jiǎn)單定位算法來(lái)估算被測(cè)目標(biāo)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，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(hào)強(qiáng)度來(lái)定位的系統(tǒng)，因此無(wú)線(xiàn)電波從發(fā)射到接收端的傳播損耗是研究的主要目標(biāo)。由RFID定位系統(tǒng)的基本原理可知，作為無(wú)源的RFID標(biāo)簽需要RFID讀卡器向其發(fā)射電磁波，通過(guò)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(guò)一個(gè)讀卡器到標(biāo)簽和標(biāo)簽到讀卡器的雙向鏈路。因此，這個(gè)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(biāo)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(hào)強(qiáng)度指示的定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)將RFID閱讀器提供的信號(hào)強(qiáng)度分為0～8，九個(gè)等級(jí)，閱讀器每隔30 s檢測(cè)一次標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)[6]，該系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的定位最大誤差為2m，平均誤差為1m，誤差范圍在3 m以?xún)?nèi)[7]。王瑞峰等人對(duì)這種算法進(jìn)行了改進(jìn)，采用了一種自適應(yīng)LANDMARC-K鄰居算法[8]，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出RFID技術(shù)的定位精度基本能夠保障對(duì)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(duì)消防員室內(nèi)RFID定位技術(shù)應(yīng)用的基本設(shè)想是將無(wú)源標(biāo)簽預(yù)先設(shè)置在重點(diǎn)單位的重要位置，無(wú)源標(biāo)簽的具體位置可結(jié)合火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的探測(cè)器位置進(jìn)行設(shè)置，也可根據(jù)建筑特點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)布設(shè)，主要包括每個(gè)單獨(dú)的房間、走廊、拐角、樓梯口等。RFID定位標(biāo)簽可與建筑火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)連用，將定位標(biāo)簽嵌入火災(zāi)探測(cè)器內(nèi)，一方面可利用火災(zāi)探測(cè)器的位置信息來(lái)定位標(biāo)簽的具體位置，直接利用傳統(tǒng)探測(cè)器的總線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，避免建筑內(nèi)的線(xiàn)路過(guò)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(cè)器探測(cè)到的火災(zāi)信息提示消防員起火位置和撤退時(shí)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(dāng)攜帶閱讀器的救援人員通過(guò)感應(yīng)區(qū)時(shí)，閱讀器向定位標(biāo)簽發(fā)送射頻信號(hào)，標(biāo)簽接收到射頻信號(hào)后，產(chǎn)生電磁感應(yīng)激勵(lì)反向射頻信號(hào)，打通通信鏈路，反向射頻信號(hào)攜帶相應(yīng)標(biāo)簽的位置信息，這些位置信息可以是房間號(hào)[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(shí)際來(lái)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(yǔ)

隨著社會(huì)的發(fā)展，搶險(xiǎn)救援、社會(huì)救助工作日益繁重和復(fù)雜，災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)人員室內(nèi)定位技術(shù)必將在這些工作中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在各種定位技術(shù)中，RFID技術(shù)對(duì)于消防員室內(nèi)定位是可行的，而且具有一定的優(yōu)勢(shì)。但文章只是從理論上對(duì)其進(jìn)行了論述，要將RFID室內(nèi)定位技術(shù)實(shí)際應(yīng)用于滅火救援中，還有許多問(wèn)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(jìn)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(dá)到亞米級(jí)定位精度）等。

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