基于蓝牙和UWB融合定位的建筑火灾精准救援系统

黄刚　候乐乐　梅诗远　欧阳子樱　牟霜

摘  要：确定被困人员位置和保护救援人员安全是建筑火灾救援中的关键，但目前火灾内部依然存在难探查、难搜寻等问题。文章基于蓝牙和UWB融合定位及5G实时网络传输技术，在建筑物内部使用蓝牙Beacon进行部署，并将被困人员的智能手机作为定位终端，利用蓝牙和UWB融合定位技术测量时间差、信号到达角度等数据，采用AOA、AOD等算法进行计算，实现了建筑火灾的精准定位和救援。

关键词：蓝牙和UWB融合定位；火灾救援；AOA算法

中圖分类号：TN925；TP311.5  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）11-0093-04

Precise Rescue System for Building Fires Based on Bluetooth and UWB Fusion Positioning

HUANG Gang， HOU Lele， MEI Shiyuan， OUYANG Ziying， MU Shuang

（Chongqing Jiaotong University， Chongqing  400074， China）

Abstract： Determining the location of trapped personnel and protecting the safety of rescue personnel is crucial in building fire rescue， but currently there are still problems such as difficult to detect and search inside the fire. This paper is based on Bluetooth and UWB fusion positioning and 5G real-time network transmission technology， Bluetooth Beacon is used for deployment in buildings， and the trapped person's smartphone is used as the positioning terminal. Bluetooth and UWB fusion positioning technology is used to measure time difference， signal arrival angle and other data. AOA， AOD and other algorithms are used for calculating to achieve accurate positioning and rescue of building fires.

Keywords： Bluetooth and UWB fusion positioning; fire rescue; AOA algorithm

0  引  言

与其他类型的火灾不同，建筑火灾[1]主要有以下四个特点：人员密度高、疏散通道相对狭窄、火势蔓延迅速、火灾扑救困难。当城市中高层建筑发生火灾时，由于楼层多达二三十层，利用楼梯下降至地面或者是其他空旷区域所需时间比较长；同时因为住宅楼中人口密集，其应急疏散通道相对较小，再加上高层建筑基本上以电梯等竖向井道为主要通道，火灾发生后烟雾迅速蔓延。这样会导致被困人员数量多，位置分布随机性强，搜索难度大，黄金救援时间短等问题。

根据大型建筑发生火灾时救援行动的耗时情况，将建筑火灾中被困人员的搜救分为首次搜救和再次搜救。在首次搜救阶段，因为此时火势还没有得到有效的控制仍在发展之中，建筑内的危险程度还在进一步加重，需要在6分钟[2]甚至是更短的时间内将被困人员救出。再次搜救是指搜救时火势已发展到较为严重的程度，并且建筑内被烧毁的物品具有一定的危险性，救援人员和被困人员面临着十分严重的威胁。然而，在实际的救援主要是通过询问火灾现场周边知情者来获知火场内的信息，或者是等待被困者主动发出明显的求救信号和呼救声，进而展开搜救行动。在现场周边没有知情者或者被困人员因烟雾、高温或是在密闭空间中无法主动呼救的情况下，便大大增加了救援的风险，也耽误了最佳的救援时机。因此利用本系统提供的精准定位功能，能够在最短的时间内精准地锁定被困人员位置，进而迅速开展高效的救援行动，在6分钟甚至更短的时间内救出更多乃至所有的被困人员[3]。

1  系统功能介绍

本系统主要包括UWB和蓝牙两种信号的融合定位网络、5G传输网络和微信小程序系统。蓝牙和UWB融合定位技术兼具蓝牙定位的低功耗、低成本特点和UWB定位的高精度特点，实现了蓝牙AOA定位与UWB定位的数据级融合，便于实现高精度、低延迟的定位监测。将蓝牙定位与UWB定位相融合可以更加精准地获取被困人员的位置数据，被困人员即可借助手机将自己的定位信息与求救信号通过5G网络及时发送到云端数据中心，并自动发送至119救援指挥中心，救援指挥中心不仅可以获得被困人员的被困位置，还可以通过建筑内部署的5G微基站与救援人员进行交互，救援人员通过救援平台可以得知最近的救援路线，以便迅速展开针对性救援，缩短救援时间。

2  系统整体设计及主要技术

2.1  系统整体结构

如图1所示，系统由兼容UWB[4，5]和蓝牙两种信号的定位网络、5G传输网络、云端后台三个关键部分组成。被困人员的手机及救援人员的定位装置和定位网络交互完成定位。5G传输网络将定位信息上传到云端数据库，云端与消防调度中心通过因特网完成数据通信。现场救援人员可通过5G网络连接云端查看被困人员的定位信息，还可以看到自己与被困人员之间的距离。

2.2  技术支持

深入研究蓝牙5.1协议[6]和UWB协议，掌握蓝牙和UWB技术的工作原理及应用技巧。在此基础上通过AOA算法实现蓝牙定位和UWB定位技术相融合的精准定位。搭建蓝牙和UWB定位系统，完成蓝牙定位、UWB定位以及蓝牙与UWB融合定位的功能实现，提高系统定位精度。设计微信小程序的被困人员程序、救援人员程序和后台信息管理系统。被困人员可通过该微信小程序实现一键报警、附近人员查询、自身定位三种功能，救援人员可使用被困人员查询、自身位置信息查询两个功能。而在后台信息管理系统中，系统细分为被困人员子系统和救援人员子系统两个部分，分别提供被困人员定位信息显示、救援人员个人基本信息及其定位信息显示以及救援信息发送功能。将所设计的微信小程序与定位系统相结合，实现报警功能和被困人员与救援人员的定位功能。通过利用5G实时网络传输技术，采用软件定义网络（SDN）架构，保证大量被困人员的位置信息低时延传输。基于物联网云端数据处理与管理的知识构建云端数据库，实现对定位数据的有效管理，便于救援人员查看被困人员的定位信息。建立如图2所示的系统，在整个系统设计搭建完毕后，不断地进行测试，采集信息，分析系统处理的数据，在测试中不断地进行改进，完善优化整个系统。

2.3  系统运行流程

如图3所示，当火场有人员被困时，打开手机蓝牙，使用APP连接最近的蓝牙锚点与UWB信标接入定位网络，通过手机APP一键发送求救信号。蓝牙锚点与UWB同时接收手机发送的信号并进行定位参数的测量，将得出的定位参数透传给手机。

手机APP接收到定位参数后，通过内嵌的AOA算法[7]计算出自身的准确定位信息，然后通过移动数据网络将定位信息发送至云端数据中心。云端后台向消防调度中心发送险情信号与被困人员定位信息，调度中心派遣的救援人员到达现场后可通过手持终端查看云端服务器中被困人员的定位信息。

2.4  系统设计

2.4.1  蓝牙Beacon

蓝牙Beacon即蓝牙信标，也可以说是蓝牙基站，它是以BLE协议为基础的一种广播协议。相较于之前的蓝牙版本，蓝牙技术联盟最新推出的5.1版本协议信息传输速率提高1倍，可达到2 Mbit/s，并且增加了寻向功能。原有蓝牙定位方案是根据信标相对于定位锚点的信号强度来估算出信标距锚点间的距离，但却无法获取具体方位。

蓝牙5.1基于多天线阵列通过计算信标所发射信号到达接收点的相位差，利用AOA、AOD等算法推算出信标相对于锚点的方位角，再结合之前的距离定位，即可定位信标的准确位置，且蓝牙5.1可兼容低版本蓝牙，目前市场上的智能手机所使用的藍牙均可作为定位设备。

本系统将蓝牙5.1的寻向定位功能与智能手机相结合，在手机接收到定位参数后，根据AOA算法计算出自己的位置，并通过移动数据网络将定位信息发送到云端数据中心，救援人员即可在终端查看被困人员的具体位置，有针对性地开展救援工作。

2.4.2  超宽带定位（UWB）

UWB定位技术主要是通过无线定位算法判断出目标对象的具体位置，主要算法有AOA算法（接收到的角度信息）、TOA算法（接收到的信号时间差）、类似的TOF、TDOA算法等。UWB定位系统主要由发射机、信道、接收机组成，其中发射机主要用于信号的发射，以及接收接收机传输的定位数据，信道是模拟传播信息的路径，而接收机负责接收信号的分析处理，包括判断所接收信号的衰减程度、到达时间等，利用定位算法进行分析即可，最终实现了对接收端的定位。

实际上，目前的技术特征主要是利用各种信息复用技术，多径干扰、多普勒频移、信道衰落、信号穿透都是定位技术中较为常见的问题。建筑内部存在的各种器件导致信号之间相互干扰，并且建筑内部的信号传播路径较为复杂，因此多径干扰问题尤为突出。超宽带定位本身发射信号脉冲的时间对其余信号来说相对较短，而且多径分辨率较高，因此UWB信号抗干扰抗衰落的能力极低。

本系统将UWB定位作为蓝牙定位固有缺陷的一个补充，UWB定位拥有极强的穿透性和极高的定位精度，能够在蓝牙被干扰、信号较弱的复杂场景下，以极高的精度定位被困人员的位置，并通过移动数据网络将定位信息发送到云端数据中心，帮助救援人员及时无干扰地获取被困人员的位置信息，进而快速地开展救援行动。

2.4.3  AOA定位技术

在工业、科学和医疗（Industrial， Scientific and Medical， ISM）领域，蓝牙信号的工作频段是2.40 GHz到2.41 GHz，带宽为2 MHz。蓝牙分为三个广播信道37、38、39。在蓝牙5.x规范当中，Bluetooth LE部分的扩展广播信道可以为0～39中的任意信道，也就是说蓝牙信标可以工作在任何蓝牙频道。

蓝牙AOA室内定位技术是一种两基站定位方法，通过接收传感器传输的位置信息（包括到达时间、到达角度、到达位置），利用定位算法即可实现精准定位。因为AOA是纯方位定位算法，所以根据三角定理即可计算出节点位置。

AOA定位具体是通过计算目标发射的信号到达AP（Access Point）的角度，推测出以基站为起点的射线斜率，射线必定经过目标点，由两个或两个以上的基站即可得到目标点的位置。

无线信号在空中的传播是连续的，RX接收机通常接受该频段内整个周期内的无线信号，并通过信号的传输时间将信号解调，如果两个接收机处于相同发送端相同半径上，在某一时刻t，接收机接收到的相位差理应为0，但如果接收机处于半径不一致的位置，在某一时刻t，接收机的相位会产生一个差值，如图4所示。

如图5所示，在二维平面上，接收端AP装有天线阵列，理论上两根天线即可计算相位差，但加装天线阵列可以提高计算精度消除误差，天线阵列通过算法计算出发送信号到达接收天线的相位差，进而计算出发射信号到达天线的角度，即可计算出定位点的二维平面位置信息，具体高度位置信息由锚节点的ID及位置坐标确定，每个锚节点的ID表示其所在楼层与房间编号。

2.5  系统部署

本系统主要应用于覆盖范围大、内部结构复杂、人员流动大的建筑内部[8]，如体育场馆、中大型展馆、居民楼、办公楼等。根据实际建筑中住房的特点，将室内地图中心作为定位原点，之后确定横纵轴，根据建图信息安装基站即可[9]。科学的部署融合UWB的蓝牙Beacon，当上述场所发生火灾时，本系统会将室内所有被困人员（未被转移到室外）的位置信息实时上传到云端，救援人员可根据云端发回的信息快速精确地确定被困人员的具体位置，展开精准救援，不必逐块排查，从而缩短救援时间，大大降低救援风险。

3  实物测试

因为UWB模块在以STM32F4芯片为处理芯片的基础上，通过连接串口，将实验程序烧录到实验板中，该程序实现在以AOA算法为基础的框架中，将各个模块和对应供电模块连接，以信标节点为移动点，不断改变信標的位置，观察信标所在模块显示屏幕的坐标，如图6所示。

以基站一为坐标原点，基站一和基站二所在直线为x轴，基站二与基站三所在直线为y轴，建立二维坐标，这个就是信标在这个二维坐标中的位置，与实际设计的位置信息只有略微误差，定位效果较好。

4  结  论

该精准救援系统可在火灾紧急情况下，有效减少被困人员搜索时间，实现快速营救，可大大降低被救人员和救援人员的伤亡。将蓝牙定位和UWB定位技术相融合，可实现高精度、低功耗、低成本定位，火灾发生时可及时为救援人员提供被困人员的定位信息，是火灾救援的好帮手。

参考文献：

[1] 张宗强.UWB定位技术在矿井下的应用 [J].新型工业化，2021，11（2）：122-123.

[2] 蒋智明，刘晋军，于炳辰，等.智能化背景下利用物联网与大数据的消防救援系统——以商羊系统为例 [J].今日消防，2021，6（1）：4-6.

[3] 于力.建筑火灾被困人员搜索策略研究 [J].武警学院学报，2020，36（12）：28-33.

[4] 黄叶超.基于蓝牙技术的室内定位算法研究 [D].西安：西安电子科技大学，2017.

[5] 刘启智.基于5G超实时的网络传输技术探析 [J].信息通信，2020，208（4）：198-199.

[6] 刘国伟.高层建筑的火灾特点及消防设计和安全管理 [J].安全与健康，2009，295（7）：26-27.

[7] 李培刚.高层建筑安全疏散设计初探 [J].安全，2009，30（7）：15-17.

[8] 彭霞.高层建筑火灾的特点及预防措施 [J].科技风，2011，166（4）：155.

[9] 杨明明，解江，杨志恒. 浅谈现代社会高层建筑火灾特点及处置 [J].价值工程，2010，29（9）：163-164.

作者简介：黄刚（2002.07—），男，汉族，重庆荣昌人，本科在读，研究方向：通信工程。

收稿日期：2023-02-03

基金项目：重庆交通大学国家级大学生创新创业训练计划资助项目（202210618018）