基于uwb的消防人员安全定位系统及定位方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及消防安全以及UWB无线传感网络技术领域，特别是一种基于UWB的消防人员安全定位系统及定位方法。
【背景技术】
[0002]随着城市化的进一步推进，我国的城市高层建筑以及大型娱乐场所不断增加，火灾隐患也随之大大增加，对于关乎到人民群众生命财产安全的消防安全系统的要求也日益提高。当建筑内发生火灾时，往往需要消防人员进入楼宇内部进行火情的控制。
[0003]在现有的消防系统中，消防员进入发生火灾的建筑后，往往会由于火情引起的烟雾而造成人员能见度差，无法辨认自身所处的位置，有可能误入火情危险的区域而对消防人员的人身安全造成威胁。若发生消防人员因为高温或者火灾产生的烟雾而晕倒时，更需要对消防人员在火灾中的实时位置信息以及人员动作信息进行采集，保证消防员的人身安全。
【发明内容】
[0004]为了解决上述问题，本发明提出了一种基于UWB的消防人员安全定位系统及定位方法，使指挥中心根据实时位置信息判断消防员是否发生险情，同时对于发生火灾建筑的实时火情进行实时掌握，防止消防人员进入危险性较大的区域而发生危险。
[0005]本发明采取的技术方案是:
一种基于UWB的消防人员安全定位系统，其特征是，包括在建筑物每个房间中设置的若干个子锚节点和一个主锚节点、定位手环、路由器和指挥中心，所述路由器通过网络连接至所述指挥中心，所述主锚节点通过所述路由器连接到所述网络，所述子锚节点连接至所述主锚节点，所述手环与所述子锚节点之间通过UWB通信连接，所述子锚节点监测房间中的火情信息以及所述定位手环的位置信息传送至所述主锚节点，所述主锚节点将上述信息通过路由器传送至所述指挥中心，所述指挥中心将信息处理判断后，通过所述主锚节点和子锚节点反馈给所述定位手环。
[0006]进一步，所述的定位手环包含手环MCU、手环电源模块、手环UWB模块和警示模块，所述手环UWB模块和警示模块连接至所述手环MCU，所述手环UWB模块通过UWB无线通信实现所述定位手环的定位以及与各个子锚节点的数据通信。
[0007]进一步，所述定位手环还包括射频天线模块，所述射频天线模块连接所述手环UWB模块，使所述手环UWB模块的无线信号加强。
[0008]进一步，所述警示模块包括LED指示灯、振动电机和蜂鸣器。
[0009]进一步，所述的主锚节点主要包含主锚MCU、主锚电源模块、主锚UWB模块、网络模块、感烟传感器、感温传感器、AD模块，所述主锚UWB模块、网络模块、感烟传感器、感温传感器和AD模块连接所述主锚MCU，所述感烟传感器、感温传感器监测所述主锚节点附近的烟度和温度信息，所述AD模块将所述烟度和温度信息转换成数字信号，所述主锚MCU将所述数字信号通过所述网络模块与所述指挥中心进行数据通信。
[0010]进一步，所述的子锚节点主要包含子锚MCU、子锚电源模块、子锚UWB模块、感烟传感器、感温传感器、AD模块，所述子锚UWB模块、感烟传感器、感温传感器和AD模块连接所述子锚MCU，所述感烟传感器、感温传感器监测所述子锚节点附近的烟度和温度信息，所述AD模块将所述烟度和温度信息转换成数字信号，所述子锚MCU将所述数字信号通过子锚UWB模块发送至所述主锚MCU。
[0011]进一步，所述主锚节点包含GPRS模块，所述主锚节点和子锚节点均包含备用电源丰旲块。
[0012]进一步，所述路由器位于建筑物内，所述路由器将所述建筑物内多个房间中的主锚节点接入所述网络。
[0013]进一步，所述指挥中心包括了服务器和监控主机，所述服务器负责接收各主锚节点上传的火情信息以及手环定位信息并进行分析，通过所述监控主机进行火情信息进行可视化预警处理。
[0014]一种应用上述基于UWB的消防人员安全定位系统的定位方法，其特征是，包括如下步骤:
(1)每个房间的所述子锚节点和主锚节点定时采集周围的温度以及烟度数据；
(2)所述主锚节点和子锚节点同时检测是否收到所述定位手环所发出的UWB信号，若收到信号则判断有人进入该房间，并根据所述UWB信号进行人员的距离检测，所述子锚节点将距离数据发送至所述主锚节点进行汇总；
(3)完成步骤(I)后，各子锚节和主锚节点分别判断其烟度以及温度数据是否超过了第一阀值，所述第一阀值为判断是否发生火灾的所述感烟传感器、感温传感器的阀值，
若不超过第一阀值，则各子锚节点将各传感器数据发至主锚节点进行汇总上传；
若超过第一阀值，则进一步判断是否超过第二阀值，所述第二阀值为火情是否适合消防人员进入房间；
若不超过第二阀值，则生成第一报警信息，则各子锚节点向主锚节点进行消防传感数据以及报警信息的汇总；所述第一报警信息为发生了火灾；
若超过第二阀值，则根据步骤(2)中的判断结果获知是否有人员进入；
若无人员进入，则直接生成第二报警信息，并且各子锚节点向主锚节点进行消防传感数据以及报警信息的汇总，所述第二报警信息为该房间不适合消防人员进入；
若有人员进入，则向定位手环UWB模块发送报警信息，警告消防人员该房间存在危险，不适合消防人员进入，并发出第三报警信息，并且各子锚节点向主锚节点进行消防传感数据以及报警信息的汇总，所述第三报警信息为该房间不适合消防人员进入且有消防员已进入；
(4)主锚节点将上述的各锚节点与消防人员的距离信息、传感器所采集的消防数据以及生成的报警信息进行汇总，并通过所述网络将数据上传至所述指挥中心；
(5)所述指挥中心接收到各个房间的主锚节点的数据之后，首先根据数据获取是否有报警信息；若发现报警信息，则进行报警信息的处理，然后对上传的消防人员距离信息进行处理，确定其在该房间内的具体位置信息，并结合预先建立的建筑模型，显示人员的位置信息以及消防传感器的各数据信息； (6)根据获取的人员定位信息以及各房间的报警信息、消防数据信息，判断进入各房间的消防员是否安全，若不安全，则通过无线电进行联系，警告，结合人员的定位信息，若所述指挥中心监测到消防员的位置信息在一分钟以内没有任何变动，则发出紧急报警，进行紧急救援，防止人员因过热以及烟雾造成的危险。
[0015]本发明的有益效果是:
(1)采用UWB节点进行消防人员的定位，精度高，能够判断消防员在房间中的具体位置信息；且能够进一步根据其位置是否长时间未变化而判断人员是否发生晕倒等险情，进一步保障消防人员的安全；
(2)实现了人员定位与火情感知的结合。UWB锚节点在作为定位方式使用的同时，在其硬件模块中添加感温以及感烟传感器，使各UWB锚节点能够获取火灾信息，判断其危险程度，若过于危险，不适合消防员进入，则通过消防手环的振动马达以及蜂鸣器提醒消防员危险，不仅实现了人员定位，也实现了危险的预警；
(3 )结合楼宇的模型，通过各锚节点采集到的消防数据，获取该建筑各房间各主要位置的火情信息，对于该建筑内的火情信息能够进行总体上的了解，通过这种方式，能够实现对消防人员进行合理安全引导，防止其进入火情高危区域；
(4)各UWB锚节点均采用了完善的备用方案来应对火灾出现时的各种故障情况。此用备用电源以及多种网络通信模式，大幅提高了系统的可用性以及可靠性，进一步保障了火灾情况下人员的安全。
【附图说明】
[0016]附图1为消防定位手环的硬件模块图；
附图2为UWB主锚节点的硬件模块图；
附图3为UWB子锚节点的硬件模块图；
附图4为系统总体结构图；
附图5为系统流程图。
【具体实施方式】
[0017]下面对本发明基于UWB的消防人员安全定位系统及定位方法的【具体实施方式】作详细说明。
[0018]UffB (UltraWideband)是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。UWB技术的脉冲式的数据传输方式，在时间上具有极高的分辨力，能够较好的适用于高精度的定位。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，UffB能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率。UWB的抗干扰性能强，传输速率高，系统容量大发送功率非常小。UWB系统发射功率非常小，通信设备可以用小于ImW的发射功率就能实现通信。低发射功率大大延长系统电源工作时间。而且，发射功率小，其电磁波辐射对人体的影响也会很小，应用面就广。
[0019]基于UWB的消防人员安全定位系统包括消防员所携带消防定位手环、UffB主锚节点、UWB