CN108413967A - 一种消防员室内定位装置及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消防员室内定位装置及定位方法，属于定位装置与通信设备开发技术领域。本发明定位装置由NB‑IoT窄带通信定位装置端、云服务器端和消防作战指挥端组成。NB‑IoT窄带通信定位装置端包括主控模块、NB‑IoT无线通讯/路由模块等部分；云服务器端包括定位算法模块、室内微地图模块等部分。定位方法首先由本发明的定位装置进行微惯导定位，并将采集到的实时室内地磁数据上传到云服务器；云服务器端将室内地磁数据匹配地磁信号指纹库，然后通过室内地磁定位算法分析模块完成定位，最后关联地磁信号与微地图的坐标实现可视化定位；消防作战指挥端实现人员的位置监控及警报。本发明的主要用途是在无电无网络条件下消防员室内救援时的定位与可视化指挥。

Description

一种消防员室内定位装置及定位方法

技术领域

本发明涉及定位装置与通信设备开发领域技术领域，更具体地说，涉及一种应用在无电无网络条件下消防员室内救援时的定位与可视化指挥时使用的通信定位装置和定位方法。

背景技术

在专利号为CN201110047495，申请日期为2011.02.28，名称为“消防员现场导航装置”专利中，该申请提供了一种用于火灾现场的，可进行三维定位，并协助消防员迅速实施灭火救援行动的消防员现场导航装置，包括：中央控制模块、三维定位模块、外部存储模块、通讯模块、输入输出模块和保护外壳几个核心模块，通过这几个核心模块的协同工作，确定消防员在火灾现场的三维位置，并以清晰直观的语音或图像模式告知消防员，同时向消防员指示各种消防设施的方位，为消防员提供导航服务。该装置可以使每个消防员在火场中都如同增强了眼、耳的功能，同时该装置结合配套的指挥***，使得指挥员能够更清晰直观的指挥灭火救援行动，这也就在一定程度上增强了消防员在火场中的战斗力和防护力，对提高消防部队的灭火救援能力有很大的帮助。其不足之处在于使用GPS定位技术无法在室内达到定位效果，定位精度极差。

在专利号为CN201110416874，申请日期为2011.12.14，名称为“一种利用室内无线定位技术的消防救援方法”，该申请公开了“一种利用室内无线定位技术的消防救援方法”，该发明涉及一种利用室内无线定位技术的消防救援方法。当发生火警时，每个受困人员利用手中的智能手机或保存在办公室内的配制移动终端，连通安装在大楼内的无线通信基站，通过智能手机或移动终端与无线通信基站之间的双向通讯来确定智能手机或移动终端的物理位置，然后将智能手机或移动终端的位置信息及身份信息通过无线通信基站接收并发送到监控主机，监控主机利用无线通信基站收集消防员的位置信息，监控主机同时收集布设在大楼中的所有烟雾传感器和防火门的传感器的信息，将相关信息发送到火场里的受困人员和救援人员手中。本发明的优点是受困人员和消防员对于火场形式双向透明，可以极大程度提高消防救援的成功率及受困人员的逃生机率。其不足之处在于未考虑失火大楼断电导致大楼内放置的通信基站无法使用的情况。

在专利号为CN201210580902，申请日期为2012.12.27，名称为“一种消防员室内外3D无缝定位及姿态检测***及方法”专利中，该申请提供了一种消防员室内外3D无缝定位及姿态检测***及方法，包括：一基于STM32单片机的主控制电路板，一基于Sim-900的GPRS数据传输模块，一GPS定位模块，一远程监控客户端以及惯性导航模块I和惯性导航模块II；主控制电路板通过串口分别与GPRS数据传输模块、GPS定位模块以及惯性导航模块I和惯性导航模块II相连；GPRS数据传输模块利用GPRS网络与绑定的远程监控客户端连接通信。本发明实现了消防员室内外3D无缝定位及姿态检测，可准确的对消防员的运动状态进行识别判断，同时可以实现对消防员的室内外3D无缝定位，针对消防人员的应用场合，***可以扩展有毒气体传感器、烟雾、温度等传感器。其不足之处在于使用GPS定位技术无法在室内达到定位效果，定位精度极差。

在专利号为CN201220356804，申请日期为2012.07.20，名称为“一种智能头盔”专利中，该申请公开一种智能头盔，包括：射频标签装置、LED照明装置、微处理器、以及分别与微处理器连接的通信装置、传感器阵列模块、摄像装置、头盔显示器、麦克风、扬声器、GPS装置、存储装置以及电源装置。采用本实用新型的技术方案，可以实现对交警人员、公安警察、消防员以及井下采矿矿工的无线识别定位、装备跟踪，对交警人员、公安警察、消防员以及井下采矿矿工的周围环境和自身人体条件的检测、多媒体监控、无线通信、免提语音通信、实时定位以及投影显示的功能。其不足之处在于没有对消防员火场作战时的室内定位技术，对消防员的生命安全的保障不够全面。

在专利号为CN201420586359，申请日期为2014.10.11，名称为“消防员呼救通讯头盔”专利中，该申请提供了一个消防员呼救通讯头盔，解决现有消防头盔不具备呼救功能，使用不方便和不易被发现的问题，包括：头盔体、语音通讯主板、呼救模块、方位信号灯和防爆电池，所述语音通讯主板与呼救模块联接，呼救模块与方位信号灯联接，防爆电池依次与语音通讯主板、呼救模块和方位信号灯联接；本实用新型结构新颖独特，消防员呼救通讯头盔具有语音通话、及时呼救和快速定位的功能，使用方便。其不足之处在于使用的通讯技术与传统的对讲机使用的技术及频段相同，通信信号极易受高温浓烟的影响，导致信号不稳定，消防员的生命安全依旧得不到保障。

在专利号为CN201510241697，申请日期为2015.05.13，名称为“消防员智能战斗头盔”专利中，该申请提供消防员智能战斗头盔，解决了抗干扰能力差、操作复杂和佩戴不便的问题，包括：头盔，所述头盔采用新型复合材料一体化模压成型；所述头盔左侧安装有电路板和开关，头盔右侧安装有防爆电源，头盔的顶部安装有骨传导装置，头盔内部有连接线，用来连接电路板、开关、防爆电源和骨传导装置；头盔重量减轻60％，坚硬度增加；智能战斗头盔集群呼、收听、对讲、调频和视频多种功能为一体，穿戴方便，操作简便；利用骨振动传声技术有效的利用消防员说话时，头骨的振动来替代传统利用声音高低频率传送的传话器，抗干扰性强；可将火灾现场情况及时反馈到指挥中心，从而指挥中心可及时有效的做出应对突变救灾方案。其不足之处在于使用的通讯技术与传统的对讲机使用的技术及频段相同，通信信号极易受高温浓烟的影响，导致信号不稳定。

在专利号为CN204374427U，申请日期为2015.01.30，名称为“一种基于复合定位***的消防员室内定位装置”专利中，该申请提供了一种基于复合定位***的消防员室内定位装置，包括：中央处理模块、卫星收发模块、基站收发模块、wifi收发模块、高度传感模块、存储模块及电源模块:所述中央处理模块分别与所述电源模块及所述存储模块联接；所述卫星收发模块、基站收发模块、wifi收发模块及高度传感模块分别与所述中央处理模块联接。本实用新型通过获取定位***内各模块的定位信息进行综合分析处理，在消防员进入室内扑救时能够实时精准的定位到其位置；同时卫星定位信息的各维度的数据以毫秒为单位进行有效存储，使得外部的数据服务中心能够实时的监测到消防员在室内扑救工作的轨迹。其不足之处在于在浓烟环境下GPRS无法使用时，采用WIFI模块回传数据，其没有考虑到火场断电情况，一旦断电WIFI将无法接入网络，则无法将数据回传。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中不足，提供一种不依赖于物理的定位基础设施的消防员用定位装置和定位方法。本发明解决了火灾时，建筑物无电、无网络的环境下，通过一种具有高可穿透性通信方式的定位装置和定位方法实现远距离将消防员室内位置发送给后场指挥人员的问题。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：一种消防员室内定位装置，由NB-IoT窄带通信定位装置端、云服务器端和消防作战指挥端组成，其中，NB-IoT窄带通信定位装置端的主要功能是实现对当前位置的室内地磁信号的采集，并通过NB-IoT通信模块将数据发送到到云服务器；云服务器端与NB-IoT窄带通信定位装置端和消防作战指挥端实现互联，为消防员和后端的指挥人员提供定位以及指挥服务；消防作战指挥端主要实现对消防员位置的查看功能，并根据消防员是否处于危险区域制订相应的指挥预案。

NB-IoT窄带通信定位装置端包括主控模块、NB-IoT无线通讯/路由模块、内置天线、室内地磁定位模块、微惯导定位模块、内置电源、蜂鸣器、输入输出模块、防爆保护电路、外部存储模块组成。

NB-IoT窄带通信定位装置端中，主控模块包括MCU和RAM，主要实现通信以及对室内地磁定位信号以及微惯导信号的采集和控制；NB-IoT无线通讯/路由模块和内置天线嵌入到主控模块中；装置采用内置锂电池方式进行供电；蜂鸣器通过不同的声音频率向消防员传达后场指挥人员发来的指令；防爆保护电路采用熔断式电容保护电路，当该装置出现高压高流的情况时，自动切断装置的电源供电；输入输出设备实现数据的初始化以及调试功能，采用串口方式实现。

消防员室内定位装置云服务器端保存定位用的基础地图数据、地磁信号指纹库，并实现定位算法模块，云服务器端与NB-IoT窄带通信定位装置端和消防作战指挥端实现互联，为消防员和后端的指挥人员提供定位以及指挥服务。

消防员室内定位装置消防作战指挥端，在该端主要实现对消防员位置的查看功能。

一种使用本发明定位装置进行消防员室内定位的方法，包括如下步骤：

步骤1，定位装置NB-IoT窄带通信定位装置进行微惯导定位，并实时的将采集的到的室内地磁数据上传到定位装置云服务器；

步骤2，定位装置云服务器端首先将上传的室内地磁数据匹配地磁信号指纹库，然后通过室内地磁定位算法分析模块完成定位，最后关联地磁信号坐标与微地图的坐标，从而实现可视化定位；

步骤3，在定位装置消防作战指挥端首先登录微地图平台模块，然后选择要查看的室内区域查询该区域的人员定位情况，如果被监控人员处理危险区域，则发出警报。

消防员室内定位方法步骤2包括一种消防用室内微地图建模层次方法，方法包括以下步骤：

步骤1、使用属性数据实现室内地磁数据与位置信息的关联，属性数据包括组织机构管理数据、所在单位数据、建筑物信息、楼层数据、分区数据、分类数据、组距数据、地磁样本数据；

步骤2、使用GIS空间数据格式建立图层数据模型，图层数据模型包括底图、路径分析图层、房间/走廊图层、楼层图层、危险源图层、灭火器图层、防火门图层、楼梯图层、电梯图层；

步骤3、将属性数据中的分区数据与图层数据模型中建筑物房间、走廊图层一一对应。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明通过微惯导辅助室内地磁定位方法实现消防员的室内定位，装置通过室内地磁定位模块对微惯导模块的室内位置进行修正，两种方式双向弥补提高了定位精度。

(2)本发明装置中的NB-IoT无线通讯/路由模块采用的NB-IoT窄带通信方式，适用于火灾时室内建筑可能会停电、无网络等情况，该通信方式具有穿透能力强的特点，可以直接和电信的基站进行通信，无需其它辅助通信手段。

(3)本发明装置中的消防作战指挥端，实现了可视化的消防员位置信息监控，具有直观，信息量大的优点，可以极高的提高指挥效率，并方便指挥员全面的掌握消防员的位置情况。

(4)本发明中提出的消防员定位方法不依赖于建筑物的物理基础设施，不需要提前安装其它硬件设备，定位方法所采用的通信方式具有穿透能力强，功耗小，不依赖于室内电源，长距离传输的优点。

附图说明

图1为消防员室内定位装置的整体结构图

图2为NB-IoT窄带通信定位装置内部结构图。

图中的标号说明：1-主控模块；2-无线通讯/路由模块；3-内置天线；4-室内地磁定位模块；5-微惯导定位模块；6-内置电源；7-蜂鸣器；8-输入输出模块；9-防爆保护电路；10-外部存储模块；1A-MCU；1B-RAM。

图3为本发明的消防员室内定位方法说明图。

图4为本发明的可视化室内定位情况分析和显示方法说明图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。

如图1所示，消防员室内定位装置由NB-IoT窄带通信定位装置端、云服务器端、消防作战指挥端三个部分构成。

NB-IoT窄带通信定位装置端，该装置的主要功能是实现对当前位置的室内地磁信号的采集，并通过NB-IoT通信模块将数据发送到云服务器。

云服务器端，其主要功能是保存定位用的基础地图数据、地磁信号指纹库，并实现定位算法模块，云服务器端与NB-IoT窄带通信定位装置端和消防作战指挥端实现互联，为消防员和后端的指挥人员提供定位以及指挥服务。

消防作战指挥端，在该端主要实现对消防员位置的查看功能，并根据消防员是否处于危险区域制订相应的指挥预案。

如图2所示，NB-IoT窄带通信定位装置端由主控模块1、无线通讯/路由模块2、内置天线3、室内地磁定位模块4、微惯导定位模块5、内置电源6、蜂鸣器7、输入输出模块8、防爆保护电路9、外部存储模块组成10。主控模块包括MCU(1A)和RAM(1B)。

NB-IoT窄带通信定位装置在采集模式下采集室内地磁定位所用的指纹数据，由于异常磁场的磁信号的变化与大气的变化周期类似，并且在不同的室内空间其地磁特征不同，因此可以用于室内定位的证据之一加以利用，因此，首先对室内空间进行区域划分，然后在室内进行随机的游走，并尽量的覆盖该空间所有位置，采集到的室内地磁信号将会通过主控模块1和无线通信/路由模块2上传到云服务器，保存到地磁指纹库中，并将室内地磁的指纹信息与室内微地图的地理位置进行关联。

NB-IoT窄带通信定位装置在定位模式下首先利用室内地磁定位模块4提取到当前位置的地磁信号实现定位，再通过图2中的微惯导定位模块5实现短距离的室内定位，并且不断的通过室内地磁定位模块4对微惯导模块5的室内位置进行修正，双向弥补从而提高定位的精度。

本装置的通信方式采用NB-IoT窄带通信方式，适用于火灾时室内建筑可能会停电、无网络等情况，NB-IoT窄带通信具有穿透能力强的特点，可以直接和电信的基站进行通信，无需其它辅助通信手段。NB-IoT窄带通信定位装置中，无线通信/路由模块2和内置天线3嵌入到主控模块1中，该主控模块包括MCU(1A)和RAM(1B)。主控模块1除了完成通信功能以外，还负责实现对室内地磁定位信号以及微惯导信号的采集和控制。其中MCU(1A)采用2MB32位MCU，片外RAM(1B)用于待计算数据的缓存。

NB-IoT窄带通信定位装置中，内置电源6采用锂电池方式进行供电；蜂鸣器7通过不同的声音频率向消防员传达后场指挥人员发来的指令；输入输出设备8实现数据的初始化以及调试功能，采用串口方式实现；防爆保护电路9采用熔断式电容保护电路，当装置出现高压高流的情况时，自动切断装置的电源供电。

使用本发明定位装置进行消防员室内定位的方法，包括如下步骤：

步骤1、首先由本发明的定位装置进行微惯导定位，并实时的将采集的到的室内地磁数据上传到云服务器。

步骤2、云服务器端将上传的室内地磁数据首先匹配地磁信号指纹库，然后通过室内地磁定位算法分析模块完成定位，最后将位置关联到室内微地图的坐标，从而实现可视化定位。

步骤3、消防作战指挥端，后场指挥人员首先登录微地图平台模块，接下来选择要查看的室内区域，接下来可以查询到该区域的人员定位情况，如果被监控人员处理危险区域，则发出警报。

在步骤2关联地磁信号与微地图坐标中包含了一种消防用室内微地图建模层次方法，方法包括以下步骤：

步骤1、使用属性数据实现室内地磁数据与位置信息的关联，属性数据包括组织机构管理数据、所在单位数据、建筑物信息、楼层数据、分区数据、分类数据、组距数据、地磁样本数据；

步骤2、使用GIS空间数据格式建立图层数据模型，图层数据模型包括底图、路径分析图层、房间/走廊图层、楼层图层、危险源图层、灭火器图层、防火门图层、楼梯图层、电梯图层；

步骤3、将属性数据中的分区数据与图层数据模型中建筑物房间、走廊图层一一对应。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (17)

1.一种消防员室内定位装置，其特征在于，由NB-IoT窄带通信定位装置端、云服务器端和消防作战指挥端组成。

2.根据权利要求1所述的消防员室内定位装置，其特征在于：所述的NB-IoT窄带通信定位装置端包括主控模块、NB-IoT无线通讯/路由模块、内置天线、室内地磁定位模块、微惯导定位模块、内置电源、蜂鸣器、输入输出模块、防爆保护电路、外部存储模块组成。

3.根据权利要求2所述的消防员室内定位装置，其特征在于，所述主控模块包括MCU和RAM。

4.根据权利要求2所述的消防员室内定位装置，其特征在于，所述NB-IoT无线通讯/路由模块和内置天线嵌入到所述主控模块中。

5.根据权利要求2所述的消防员室内定位装置，其特征在于，所述内置电源为内置锂电池。

6.根据权利要求2所述的消防员室内定位装置，其特征在于，所述蜂鸣器具有多种声音频率。

7.根据权利要求2所述的消防员室内定位装置，其特征在于，所述防爆保护电路为熔断式电容保护电路。

8.根据权利要求2所述的消防员室内定位装置，其特征在于，所述输入输出模块为串口方式。

9.根据权利要求1所述的消防员室内定位装置，其特征在于，所述云服务器端包括定位算法模块、室内微地图模块和地磁信号指纹库。

10.一种消防员室内定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，定位装置NB-IoT窄带通信定位装置进行微惯导定位，并实时的将采集的到的室内地磁数据上传到定位装置云服务器；

步骤2，定位装置云服务器端首先将上传的室内地磁数据匹配地磁信号指纹库，然后通过室内地磁定位算法分析模块完成定位，最后将位置关联到室内微地图的坐标，从而实现可视化定位；

步骤3，在定位装置消防作战指挥端首先登录微地图平台模块，然后选择要查看的室内区域查询该区域的人员定位情况，如果被监控人员处理危险区域，则发出警报。

11.如权利要求10所述消防员室内定位方法，其特征在于，所述步骤2包括一种可视化室内定位情况分析和显示方法。

12.如权利要求11所述消防员室内定位方法，其特征在于，所述可视化室内定位情况分析和显示方法包括以下步骤：

步骤1、使用属性数据实现室内地磁数据与位置信息的关联；

步骤2、使用GIS空间数据格式建立图层数据模型；

步骤3、将属性数据与图层数据模型一一对应。

13.如权利要求12所述消防员室内定位方法，其特征在于，所述可视化室内定位情况分析和显示方法步骤1中属性数据包括组织机构管理数据、所在单位数据、建筑物信息、楼层数据、分区数据、分类数据、组距数据、地磁样本数据。

14.如权利要求12所述消防员室内定位方法，其特征在于，所述可视化室内定位情况分析和显示方法步骤1中地磁数据为地磁样本数据，位置信息为组距数据。

15.如权利要求12所述消防员室内定位方法，其特征在于，所述可视化室内定位情况分析和显示方法步骤2中图层数据模型包括底图、路径分析图层、房间/走廊图层、楼层图层、危险源图层、灭火器图层、防火门图层、楼梯图层、电梯图层。

16.如权利要求12所述消防员室内定位方法，其特征在于，所述可视化室内定位情况分析和显示方法步骤3中属性数据为分区数据。

17.如权利要求12所述消防员室内定位方法，其特征在于，所述可视化室内定位情况分析和显示方法步骤3中图层数据模型为房间/走廊图层。