基于RFID的消防员室内定位技术研究

薛彩姣

摘 要：火灾现场温度高、烟雾浓、噪音大，空气呼吸器的使用时间有限，有效获取消防员的位置信息有助于提高灭火救援指挥效率和保障消防员的人身安全。为了提高现有消防员室内定位技术的精度，满足大量部署、长期部署的要求，采用现有定位技术优缺点相比较的方法，可获得精度高、造价低的RFID定位技术。文中同时论述了基于RFID的消防员室内定位技术的可行性，提出了基于RFID的消防员室内定位技术的实际应用框架。

关键词：消防；RFID；室内；定位技术

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）07-00-03

0 引 言

定位问题是指确定一个目标（人、设备）在一个确定区域中具体位置的过程。位置可以表示为几种不同的方式，取决于应用需求和定位系统的指标。例如，绝对坐标、相对位置和符号位置都是可能使用的方式。位置信息在商业、医疗健康、公共安全和军事领域都有着很重要的作用。

在城市火灾中，室内火灾占较大比重，扑救这些室内火灾时消防员就要进入室内，进行火情侦察，抢救人员及财产。火灾扑救过程中，消防员的实时位置信息对于火场指挥人员实施科学指挥和保障消防员的安全起着至关重要的作用。消防员进入火灾现场以后，环境十分复杂，有大量的烟、雾、噪声，常规通信电台在噪声的干扰下很难进行有效通信，特别是在建筑物快要坍塌，消防员迷路、受伤等情况下，消防员的位置信息显得尤为重要。由于无法确切知道每个消防员的位置，曾经发生过多起由于消防员无法接到撤退命令或者无法及时撤退而救援人员又不能及时找到并施救导致消防员牺牲的惨剧。

因此，如何把火场上消防员的室内位置信息实时传输到现场指挥部的管理系统中，从而为现场指挥提供直观、可靠的依据；同时利用位置信息对被困、负伤消防员实施直接、快速地营救，这对于提高指挥效率，辅助指挥决策，保障消防员的人身安全具有十分重要的意义。

1 RFID技术概述

RFID（Radio Frequency Identification）即射频识别技术，是一种非接触式自动识别技术[1]。最基本的RFID系统由标签、阅读器和用来传递射频信号的天线组成。标签又可分为有源标签和无源标签，二者可适用于不同的应用场所。

可根据电子标签是否具有电源分为有源标签、无源标签和半有源标签。有源标签因其自身具有电源，可以提供远距离自动识别功能。无源标签的自动识别距离相对较近，但是该标签无需电源，其成本较低而且可长时间工作。根据有源标签和无源标签的不同特性，可将其应用于不同的领域，以发挥各自的优势。半有源RFID产品利用低频激活触发的技术手段，兼备有源和无源两种标签的优势。

RFID系统工作原理示意图如图1所示。不管标签是有源还是无源，工作的基本原理都是当标签进入阅读器天线的感应范围时，阅读器发送电磁波，激励无线通信链路，标签向阅读器发送信息，阅读器接收到信息后解码，然后传送给上位机，完成信息处理，从而实现自动识别目标或自动收集目标标志信息的功能[2]。

图1 RFID系统工作原理示意图

2 基于RFID的室内定位技术可行性分析

2.1 现有室内定位技术的比较分析

对于目标定位技术，市场上较成熟的室内定位技术主要有以下几种：

（1）GPS定位技术

GPS定位技术是目前应用最为广泛的定位技术。GPS定位技术的优势在于能够全球范围覆盖，受天气、地理条件影响小等，但由于GPS信号的传输要经过卫星进行，对于室内定位还需要一些中转设备，这样就大大降低其在室内的使用效能，同时其定位精度也难以达到消防员室内定位的要求。

（2）红外线室内定位技术

红外线室内定位技术的优势在于具有相对较高的定位精度，但由于红外光线不能穿过墙壁等障碍物，只能沿直线进行无障碍传播，这样对于位置不断变化的消防员的室内定位就难以实现。而通过在一些室内拐角加装中转天线，可以部分解决问题，但造价相对较高，并且易被其他光源干扰，因此红外线室内定位技术只适合短距离的局部空间定位。

（3）蓝牙室内定位技术

蓝牙室内定位技术的优势在于设备的体积小、信号传输不受视距的影响，而且由于目前运用蓝牙的设备较为普及，只要开启这些设备的蓝牙功能就可以利用手持终端来检测其信号强度，根据信号强度来进行定位。但蓝牙系统的信号也易受电磁波噪声干扰，稳定性差，同时设备的高昂造价限制了系统的发展和运用。

（4）ZigBee室内定位技术

ZigBee室内定位技术是利用多个微小传感器之间的相互协调通信来实现定位的。ZigBee通信效率非常高，功耗低，成本低，但是需要专网专用，部署成本相对较高。

另外还有超声波、超宽带（UWB）等技术都可用于室内定位，但都有各自的优势和缺点。

2.2 RFID定位技术的优势

无线射频识别RFID定位技术与其它定位技术相比，因具有非接触、高精度和低成本等优点，可以作为消防员室内定位的一种重要技术选择。所谓非接触就是标签和阅读器之间不需要二者直接接触，就可以进行数据交换。阅读器可以通过发射天线发送一定频率的射频信号。当射频标签进入发射天线工作区域时，就会产生感应电流，从而使射频标签获得能量被激活[3]。只要标签和阅读器之间的距离达到二者的感应范围，从另一个角度讲就是电磁感应强度只要达到了门限功率，标签和阅读器就算“握手”成功，可以实施信息交流了，这实际上就是一个“盲选”的过程。而这些特点对于灾害现场的消防员实时定位至关重要，由于灾害现场的消防员要进行火情侦察、火灾扑救等工作，根本无暇顾及其他情况，而基于RFID技术的定位通过“盲选”的“握手”方式很好地解决了这些问题。

基于RFID技术定位系统的价格，一般来说，无源标签的比有源标签更便宜[4]。有源标签的单价介于10～500美元之间，集成有2 KB存储器的高频UHF4×6英寸的无源标签在美国的通用单价在0.41～0.55美元之间，存储器容量为256 b的高频UHF4×6英寸的无源标签的单价在0.37～0.52美元之间。而对于超高频UHF4×6英寸的无源标签其在美国的通用单价则在0.11～0.15美元之间，国内生产的无源标签在价格上更是低于美国。要实现对消防员的定位只需采集位于消防员附近的位置信息，其数据量较小，256 b的数据量就完全可满足定位要求。

当然由于基于RFID技术的消防员室内定位系统的标签可以采用无源标签，只有需要时阅读器才通过空间电磁耦合的方式向其传输能量，激发其开始工作，而平时无源标签一直处于“休眠”状态。因此，从理论上讲标签的使用寿命可以是无限长。

2.3 RFID定位技术的算法及精度

定位算法是解决如何对目标具体定位的策略。目前，在无线网络环境下进行定位服务的定位模式有信号强度法、收信角度法、收信时间、收信时间差等[5]。基于接收信号强度是RFID定位系统普遍采用的策略，但由于目前的RFID阅读器对信号强度识别的精度有限，只能将所接收到信号的相对信号强度进行相应等级的划分，通过检测标签不同的能量等级来大致判断目标所处的坐标范围。

为了实现基于RFID技术的高精度定位，可以从两个方面来着手解决这个问题，一方面是对目标位置坐标的定位要以参考标签坐标为基准来修正。即参考标签坐标是已知的、确定的，通过对被测目标的参数与参考标签的参数比较来修正目标的坐标，减少测量误差，提高定位精度，这种方法类似于GPS的差分定位技术。另一方面是利用多次测量坐标的平均值来进行估算。如可以设Du为移动的读卡器成功检测到的参考标签集，通过对所有参考标签的坐标（xt，yt）求平均值的简单定位算法来估算被测目标点的位置坐标，即公式（1）的算法：

（1）

由于RFID定位系统是一种基于接收信号强度来定位的系统，因此无线电波从发射到接收端的传播损耗是研究的主要目标。由RFID定位系统的基本原理可知，作为无源的RFID标签需要RFID读卡器向其发射电磁波，通过电磁感应获得能量，而后再向读卡器辐射电磁波，所以要经过一个读卡器到标签和标签到读卡器的双向链路。因此，这个双向链路的路径损耗可以表示为：

（2）

其中，d是RFID定位系统读卡器和标签之间的距离，d0为近地参考距离，一般取0.1m。LANDMARC定位系统就是一种基于接收信号强度指示的定位系统。该系统将RFID阅读器提供的信号强度分为0～8，九个等级，阅读器每隔30 s检测一次标签的信号强度等级[6]，该系统对目标的定位最大误差为2m，平均误差为1m，误差范围在3 m以内[7]。王瑞峰等人对这种算法进行了改进，采用了一种自适应LANDMARC-K邻居算法[8]，通过模拟实验验证得出RFID技术的定位精度基本能够保障对室内消防员的定位要求。

3 消防员室内单兵RFID定位技术的应用框架

对消防员室内RFID定位技术应用的基本设想是将无源标签预先设置在重点单位的重要位置，无源标签的具体位置可结合火灾自动报警系统的探测器位置进行设置，也可根据建筑特点进行单独布设，主要包括每个单独的房间、走廊、拐角、楼梯口等。RFID定位标签可与建筑火灾自动报警系统连用，将定位标签嵌入火灾探测器内，一方面可利用火灾探测器的位置信息来定位标签的具体位置，直接利用传统探测器的总线，实现数据传输，避免建筑内的线路过多而增加成本 [8]；另一方面定位系统也可以利用火灾探测器探测到的火灾信息提示消防员起火位置和撤退时不能选择的出口。结合室内地图信息[9]和方向传感模块[4]，系统可以在通信不畅的情况下引导消防员原路返回或者寻找新的安全通道。

当携带阅读器的救援人员通过感应区时，阅读器向定位标签发送射频信号，标签接收到射频信号后，产生电磁感应激励反向射频信号，打通通信链路，反向射频信号携带相应标签的位置信息，这些位置信息可以是房间号[10]，也可以是高度和经纬度信息，还可以是其他位置的描述方式，这要结合实际来确定采用哪种位置的描述方式。RFID定位系统应用示意图如图2所示。

图2 RFID定位系统应用示意图

4 结 语

随着社会的发展，抢险救援、社会救助工作日益繁重和复杂，灾害现场人员室内定位技术必将在这些工作中得到越来越广泛的应用。在各种定位技术中，RFID技术对于消防员室内定位是可行的，而且具有一定的优势。但文章只是从理论上对其进行了论述，要将RFID室内定位技术实际应用于灭火救援中，还有许多问题需要解决，例如，如何减小定位设备的体积和重量，如何进一步提高定位的精度，使其不仅能够分辨楼层位置，甚至可以分辨出作战小组中每名消防员的位置关系（达到亚米级定位精度）等。

参考文献

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[2]周晓光，王晓华.射频识别（RFID）技术原理与应用实例[M].北京：人民邮电出版社，2006.

[3]刘潇，刘幸，吴胜华.基于RFID的智能家居用户识别定位技术分析[J].物联网技术，2011，1（11）： 60-62.

[4]施连兴.一种基于无源射频识别标签的消防员室内定位系统[J].电子设计工程，2014，22（6）： 134-136.

[5]肖颖.基于RFID技术的无线定位系统[J].物联网技术，2012，2（6）： 23-24.

[6]李兴鹤，胡咏梅，宋吉波，等.基于LANDMARC系统的室内定位仿真研究[J].计算机工程与应用，2008，44（27）： 209-212.

[7] HU Yang. Improvement of location algorithm based on RFID technology and its application in libraries [J]. Computer System Applications， 2010， 19（5）：151-154.

[8]王瑞峰，马学霞，王彦快.RFID技术的定位改进算法在铁路隧道人员定位中的应用[J].铁道学报，2012，34（10）：68-71.

[9] 宇林军，杨玉琴，池天河，等.基于室内外定位技术的消防应急指挥平台的设计与实现[J].物联网技术，2014，4（3）： 14-17.

[10]马丽.火灾救援中建筑内的人员定位方法探讨[J].消防科学与技术，2011，30（5）： 416-418.