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基于toa測距的消防應(yīng)急救援系統(tǒng)的制作方法

文檔序號:16136閱讀:318來源:國知局
專利名稱:基于toa測距的消防應(yīng)急救援系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于TOA測距的消防應(yīng)急救援系統(tǒng),它包括搜救器、手持終端機(jī)和服務(wù)器,搜救器和手持終端機(jī)之間采用TOA測距方法進(jìn)行精確定位,搜救器由MCU、LCD顯示屏、近距離測距TOA模塊、遠(yuǎn)距離無線通信模塊、近距離測距定向天線、遠(yuǎn)距離定向天線、揚聲器、蜂鳴器構(gòu)成,手持終端機(jī)由MCU、近距離測距TOA模塊、遠(yuǎn)距離無線通信模塊、近距離測距全向天線、遠(yuǎn)距離無線通信全向天線構(gòu)成,服務(wù)器由便攜式計算機(jī)、遠(yuǎn)距離無線通信模塊、遠(yuǎn)距離無線通信全向天線構(gòu)成。本實用新型可以通過遠(yuǎn)距離無線通信模塊獲得RSSI信號強度用于確定手持終端機(jī)相對于搜救器的定位方向,再通過近距離測距TOA模塊計算得到手持終端機(jī)與搜救器之間的相對距離,從而幫助救援人員準(zhǔn)確定位被困消防員的具體位置。
【專利說明】基于TOA測距的消防應(yīng)急救援系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及無線射頻通信網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)急救援領(lǐng)域,具體涉及基于無線射頻網(wǎng)絡(luò)的消防搜救系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,各種高層建筑和大跨度廠房不斷涌現(xiàn),各種復(fù)雜的火災(zāi)和各種突發(fā)性事故也日益增多。消防部隊面臨的滅火救援形勢日趨嚴(yán)峻,各類事故處置的難度和危險性越來越高。2013年以來全國發(fā)生的10起較大火災(zāi)中,就有20多名消防員犧牲在一線。面對建筑物坍塌、爆炸、轟燃、有毒氣體等復(fù)雜局面,消防員救援時容易出現(xiàn)分不清方向,也很難感知自身所處位置的情況,同時,場外指揮人員無法摸清火場中人員的行蹤狀態(tài),也無法做出有效的判斷和指揮,因此,在滅火救援作業(yè)或訓(xùn)練中保護(hù)消防員自身安全成為亟待解決的問題。為了確保消防員能夠有效地逃生,如何準(zhǔn)確地確定被困消防員在火場中的位置成為當(dāng)前研宄重點。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對消防應(yīng)急救援安全問題,本實用新型實施例的目的是提供一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的消防應(yīng)急救援系統(tǒng),便于確定消防員在火場中的位置,保證對火場中遇險消防員的有效施救。
[0004]為了達(dá)到上述目的,本實用新型提供如下技術(shù)方案:
[0005]一種基于無線通信網(wǎng)絡(luò)的消防應(yīng)急救援系統(tǒng),其特征在于,包括:搜救器,手持終端機(jī)和服務(wù)器,搜救人員佩戴搜救器與服務(wù)器無線通信,消防人員攜帶手持終端機(jī)與服務(wù)器無線通信,指揮人員通過服務(wù)器與搜救器和手持終端機(jī)無線通信,搜救器由MCU、LCD顯示屏、近距離測距TOA模塊、遠(yuǎn)距離無線通信模塊、近距離測距定向天線、遠(yuǎn)距離定向天線、揚聲器、蜂鳴器和按鍵構(gòu)成,手持終端機(jī)由MCU、近距離測距TOA模塊、遠(yuǎn)距離無線通信模塊、近距離測距定向天線、遠(yuǎn)距離無線通信定向天線和按鍵構(gòu)成,服務(wù)器由便攜式計算機(jī)、遠(yuǎn)距離無線通信模塊、遠(yuǎn)距離無線通信全向天線構(gòu)成,其中,搜救器的遠(yuǎn)距離無線通信模塊、近距離測距TOA模塊分別與遠(yuǎn)距離定向天線、近距離測距定向天線相連接,手持終端機(jī)的遠(yuǎn)距離無線通信模塊、近距離測距TOA模塊分別與遠(yuǎn)距離全向天線、近距離測距全向天線相連接。
[0006]作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選,所述遠(yuǎn)距離無線通信模塊的頻率是900Mhz或者433Mhz,具有通信距離遠(yuǎn),信號不易被遮擋,穿透能力強,所述近距離測距TOA模塊的頻率是2.4-2.483Ghz,通信距離較近,容易受環(huán)境遮擋,穿透能力弱。
[0007]作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選,所述服務(wù)器具有用于存儲搜救器和手持終端機(jī)位置信息的數(shù)據(jù)庫。
[0008]作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選,所述服務(wù)器通過遠(yuǎn)距離無線通信模塊與手持終端機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離無線通信,用于接收佩戴著手持終端機(jī)的被困消防員發(fā)出的求救指令。
[0009]作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選,所述服務(wù)器通過遠(yuǎn)距離無線通信模塊與搜救器進(jìn)行遠(yuǎn)距離無線通信,用于操作服務(wù)器的指揮人員向搜救器發(fā)送搜救指令,救援人員攜帶搜救器進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場,通過與手持終端機(jī)的遠(yuǎn)距離無線通信模塊進(jìn)行定向通信,搜救器將從遠(yuǎn)距離無線通信模塊和近距離測距TOA模塊獲得RSSI信號強度,用于確定被困消防人員的大致方向,在此基礎(chǔ)上,通過與手持終端機(jī)的近距離測距模塊進(jìn)行測距通信,搜救器再從近距離測距模塊獲得與被困人員的測距值,用于確定與被困人員的距離,并顯示到搜救器LCD顯示屏,揚聲器和蜂鳴器配合提醒和報警使用。搜救人員找到被困消防員后,通過搜救器遠(yuǎn)距離通信模塊向服務(wù)器發(fā)送救援成功指令,服務(wù)器接收救援成功指令后解除該消防員的被困狀態(tài)。

【附圖說明】

[0010]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案,下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹,顯而易見地,下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例,對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講,在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下,還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0011]圖1為本實用新型實施例搜救器的結(jié)構(gòu)示意圖;
[0012]圖2為本實用新型實施例手持終端機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖;
[0013]圖3為本實用新型TOA測距的原理圖;
[0014]圖4為本實用新型搜救器和手持終端機(jī)測距的示意圖。

【具體實施方式】
[0015]以上所述,僅為本實用新型的【具體實施方式】,但本實用新型的保護(hù)范圍并不局限于此,任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本實用新型揭露的技術(shù)范圍內(nèi),可輕易想到變化或替換,都應(yīng)涵蓋在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此,本實用新型的保護(hù)范圍應(yīng)所述以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
[0016]基于TOA測距的消防應(yīng)急救援系統(tǒng),消防人員攜帶手持終端進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場,出現(xiàn)緊急情況需要救援時,消防員通過手持終端機(jī)向服務(wù)器發(fā)出求救指令,服務(wù)器接收到求救指令之后,進(jìn)而向佩戴有搜救器的救援人員發(fā)出救援指令,通知搜救人員進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場尋找被困消防員,搜救器和手持終端機(jī)通過從遠(yuǎn)距離無線通信模塊和近距離測距TOA模塊獲得RSSI信號強度,以及通過近距離TOA測距模塊發(fā)送、接收數(shù)據(jù)包之間的時間延遲實現(xiàn)測距過程,根據(jù)手持式終端相對于搜救器的大致方向和距離信息,準(zhǔn)確地確定手持式終端相對于搜救器的位置信息;
[0017]圖1展示搜救器的結(jié)構(gòu)示意圖,搜救器是由MCU、IXD顯示屏、近距離測距TOA模塊、遠(yuǎn)距離無線通信模塊、近距離測距定向天線、遠(yuǎn)距離定向天線、揚聲器、蜂鳴器和按鍵構(gòu)成;
[0018]所述遠(yuǎn)距離無線通信模塊與遠(yuǎn)距離定向天線連接,用于將控制數(shù)據(jù)通過定向天線發(fā)送出去,或者通過定向天線接收控制數(shù)據(jù);
[0019]所述近距離測距TOA模塊與近距離測距定向天線連接,用于將測距數(shù)據(jù)通過定向天線發(fā)送出去,或者通過定向天線接收測距數(shù)據(jù);
[0020]所述搜救器和手持終端機(jī)的近距離測距TOA模塊之間發(fā)送、接收測距數(shù)據(jù),根據(jù)發(fā)送、接收數(shù)據(jù)之間的時間延遲,計算搜救器和手持終端機(jī)之間的距離;
[0021]所述搜救器和服務(wù)器的遠(yuǎn)距離無線通信模塊之間發(fā)送、接收控制命令,用于服務(wù)器向搜救器發(fā)送搜救命令,搜救器將測距得到的位置數(shù)據(jù)返回給服務(wù)器,或者將救援成功指令發(fā)送給服務(wù)器;
[0022]MCU處理器與近距離測距TOA模塊、遠(yuǎn)距離無線通信模塊、揚聲器、蜂鳴器和按鍵協(xié)調(diào)工作,在搜救器接收到服務(wù)器發(fā)出的救援指令之后,MCU根據(jù)搜救器和手持終端機(jī)之間發(fā)送、接收數(shù)據(jù)的時間延遲,計算確定救援人員與被困消防員之間的距離,并將相對位置信息顯示在搜救器LCD顯示屏,觸發(fā)揚聲器和蜂鳴器在收到救援命令時進(jìn)行鳴叫,向救援人員進(jìn)行提醒和報警。
[0023]為了方便使用,所述搜救器還可以設(shè)置有LED顯示屏、電源模塊和存儲模塊,LED顯示屏用于顯示測距數(shù)據(jù)信息;存儲模塊用于存儲方向、距離等信息并上傳給服務(wù)器。
[0024]找到被困消防員后,搜救人員按下按鍵,停止測距并通過遠(yuǎn)距離通信模塊發(fā)送搜救成功指令到服務(wù)器。
[0025]圖2展示手持終端機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖,手持終端機(jī)是由MCU處理器、近距離測距TOA模塊、遠(yuǎn)距離無線通信模塊、近距離測距全向天線、遠(yuǎn)距離全向天線和按鍵構(gòu)成;
[0026]所述遠(yuǎn)距離無線通信模塊與遠(yuǎn)距離全向天線連接,用于將控制命令通過定向天線發(fā)送出去,或者通過全向天線接收控制命令;
[0027]所述近距離測距TOA模塊與近距離測距全向天線連接,用于將測距數(shù)據(jù)通過全向天線發(fā)送出去,或者通過全向天線接收測距數(shù)據(jù);
[0028]所述手持終端機(jī)與搜救器之間通過近距離測距TOA模塊發(fā)送、接收測距數(shù)據(jù),根據(jù)發(fā)送、接收數(shù)據(jù)之間的時間延遲,計算手持終端機(jī)和搜救器之間的距離;
[0029]所述手持終端機(jī)和服務(wù)器的遠(yuǎn)距離無線通信模塊之間發(fā)送、接收控制命令,用于向服務(wù)器發(fā)送求救命令,或者手持終端機(jī)接收搜救器發(fā)出的測距數(shù)據(jù);
[0030]所述手持終端機(jī)的MCU處理器與近距離測距TOA模塊、遠(yuǎn)距離無線通信模塊協(xié)調(diào)工作,用于在手持終端機(jī)和搜救器之間發(fā)送、接收數(shù)據(jù)的時間延遲,計算確定救援人員與被困消防員之間的距離;
[0031]圖3展示TOA測距的原理圖,本實用新型的手持終端機(jī)和搜救器通過近距離測距TOA模塊共同實現(xiàn)精確定位,同時也可以接收、發(fā)送RFID格式數(shù)據(jù)包,與RFID射頻模塊共同實現(xiàn)RFID定位,本實用新型可以兼容TOA測距與RFID定位。
[0032]基于TOA測距的人員精確定位方法,具體步驟如下:
[0033]I)手持終端機(jī)向搜救器發(fā)送握手信息,搜救器觸發(fā)啟動基于TOA精確定位過程;
[0034]2)搜救器向手持終端機(jī)發(fā)送第一次定位數(shù)據(jù)包的時間點,記為Tl,手持終端機(jī)接收到第一次定位數(shù)據(jù)包的時間點,記為T2 ;
[0035]3)手持終端機(jī)向搜救器發(fā)出第一次應(yīng)答消息的時間點為T3,搜救器接收到第一次應(yīng)答消息的時間點,記為T4;
[0036]4)根據(jù)T1、T2、T3和Τ4時間信息,從發(fā)送第一次定位數(shù)據(jù)包到接收第一次定位數(shù)據(jù)包的時間段為Τ2-Τ1,從發(fā)送第一次應(yīng)答消息到接收第一次應(yīng)答消息的時間段為Τ4-Τ3,手持終端機(jī)與搜救器之間的距離d=((T2-Tl)-(T4-T3))*C/2,其中,C為光速,計算得出手持終端機(jī)與搜救器之間的位置信息。
[0037]圖4展示本實用新型搜救器和手持終端機(jī)測距的示意圖,在手持終端機(jī)和搜救器之間的近距離測距TOA模塊的通信頻率是2.4Ghz,可以用來測得距離,但是通信距離較近,容易受環(huán)境遮擋,穿透能力強;在手持終端機(jī)和搜救器之間的遠(yuǎn)距離無線通信模塊的通信頻率是900Mhz或者433Mhz,具有通信距離遠(yuǎn),信號不易被遮擋,穿透能力強。搜救人員首先通過遠(yuǎn)距離無線通信模塊的RSSI信號強度,測量在搜救人員所處位置的各個方向RSSI信號強度數(shù)值,選擇測得最大的RSSI信號強度作為搜救器搜尋被困人員的搜救方向,然后利用近距離測距TOA模塊獲得與被困人員間的距離,以搜救器所處當(dāng)前位置為圓心,以接收到RSSI信號強度最大值的方向作為搜救方向,以測距為半徑為搜救范圍,逐步接近攜帶有手持終端機(jī)的被困消防員的目標(biāo)位置。
[0038]具體地,手持終端機(jī)的遠(yuǎn)距離無線通信范圍和近距離測距檢測范圍是在以手持終端機(jī)為圓心,以遠(yuǎn)距離無線射頻模塊的通信距離和近距離測距TOA射頻模塊的通信距離為半徑的同心圓范圍以內(nèi),同樣地,搜救器的遠(yuǎn)距離無線通信范圍和近距離測距檢測范圍是在以搜救器為圓心,以遠(yuǎn)距離無線射頻模塊的通信距離和近距離測距TOA射頻模塊的通信距離為半徑的同心圓范圍以內(nèi)。
[0039]在手持終端機(jī)和搜救器逐漸由遠(yuǎn)及近的過程中,當(dāng)手持終端機(jī)和搜救器都無法發(fā)送和接收到無線信號時,則表明手持終端機(jī)和搜救器處于遠(yuǎn)距離通信區(qū)域以外;當(dāng)手持終端機(jī)和搜救器能夠發(fā)送和接收無線信號時,則表明手持終端機(jī)和搜救器處于遠(yuǎn)距離通信區(qū)域以內(nèi),同時處于近距離測距檢測區(qū)域以外,此時搜救人員通過900Mhz遠(yuǎn)距離通信模塊的RSSI信號強度能獲知被困人員大致方向,具體地,搜救人員檢測所處位置的不同方向的RSSI信號強度值,選擇RSSI信號強度最大值作為指引方向進(jìn)行搜救遍歷,如果測得RSSI信號強度值逐漸變小,說明搜救方向有誤差,則需要重新回到前次檢測RSSI信號強度的位置進(jìn)行其他方向的搜救遍歷;當(dāng)手持終端機(jī)和搜救器能夠相互傳輸TOA握手信息,則表明手持終端機(jī)和搜救器處于近距離測距檢測區(qū)域,使用TOA測距方法根據(jù)時間延遲計算出手持終端機(jī)和搜救器之間的測距數(shù)據(jù),并根據(jù)所述RSSI信號強度和測距數(shù)據(jù)確定方位信息,用于完成手持終端機(jī)和搜救器之間的相對方向和相對位置定位。進(jìn)一步地,若有兩臺以上的搜救器與被困消防員的無線終端機(jī)執(zhí)行測距過程,則分別以兩臺以上的搜救器為圓心,以各自搜救器測距得到的距離為半徑的圓圈所形成的相交區(qū)域,可以定位出被困消防員的位置區(qū)域,完成精確定位過程。
【權(quán)利要求】
1.一種基于TOA測距的消防應(yīng)急救援系統(tǒng),其特征在于,該消防應(yīng)急救援系統(tǒng)包括:搜救器、手持終端機(jī)和服務(wù)器,指揮人員通過服務(wù)器控制搜救人員佩戴的搜救器和消防人員攜帶的手持終端機(jī)之間測距定位,所述搜救器由MCU處理器、IXD顯示屏、近距離測距TOA模塊、遠(yuǎn)距離無線通信模塊、近距離測距定向天線、遠(yuǎn)距離定向天線、揚聲器、蜂鳴器和按鍵構(gòu)成,手持終端機(jī)由MCU處理器、近距離測距TOA模塊、遠(yuǎn)距離無線通信模塊、近距離測距全向天線、遠(yuǎn)距離全向天線和按鍵構(gòu)成,服務(wù)器由便攜式計算機(jī)、遠(yuǎn)距離無線通信模塊、遠(yuǎn)距離全向天線構(gòu)成,其中,搜救器的遠(yuǎn)距離無線通信模塊、近距離測距TOA模塊分別與遠(yuǎn)距離定向天線、近距離測距定向天線相連接,手持終端機(jī)的遠(yuǎn)距離無線通信模塊、近距離測距TOA模塊分別與遠(yuǎn)距離全向天線、近距離測距全向天線相連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于TOA測距的消防應(yīng)急救援系統(tǒng),其特征在于,所述遠(yuǎn)距離無線通信模塊的通信頻率是900Mhz或者433Mhz,具有通信距離遠(yuǎn),信號不易被遮擋,穿透能力強。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于TOA測距的消防應(yīng)急救援系統(tǒng),其特征在于,所述近距離測距TOA模塊的通信頻率是2.40-2.483Ghz,通信距離較近,容易受環(huán)境遮擋,穿透能力弱。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于TOA測距的消防應(yīng)急救援系統(tǒng),其特征在于,所述服務(wù)器存儲有搜救器和手持終端機(jī)的位置信息的數(shù)據(jù)庫。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于TOA測距的消防應(yīng)急救援系統(tǒng),其特征在于,所述服務(wù)器通過遠(yuǎn)距離無線通信模塊與手持終端機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離無線通信,用于接收佩戴手持終端機(jī)的被困消防員發(fā)出的求救指令,并將該消防員設(shè)置為被困狀態(tài)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于TOA測距的消防應(yīng)急救援系統(tǒng),其特征在于,所述服務(wù)器通過遠(yuǎn)距離無線通信模塊與搜救器進(jìn)行遠(yuǎn)距離無線通信,指揮人員通過服務(wù)器向搜救器發(fā)出救援指令,用于命令攜帶搜救器的救援人員進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場,與被困消防員的手持終端機(jī)進(jìn)行無線射頻通信,搜救器從遠(yuǎn)距離無線通信模塊和近距離測距TOA模塊獲得RSSI信號強度,用于確定被困消防人員的搜尋方向,然后通過近距離測距模塊進(jìn)行TOA測距,得到搜救器與手持終端機(jī)之間的距離信息,并顯示在搜救器LCD顯示屏,觸發(fā)揚聲器和蜂鳴器用于提醒和報警;搜救人員找到被困消防員后,通過搜救器遠(yuǎn)距離通信模塊向服務(wù)器發(fā)送救援成功指令,服務(wù)器接收救援成功指令后解除該消防員的被困狀態(tài)。
【文檔編號】H04W64-00GK204272385SQ201420621872
【發(fā)明者】姚戈, 何杰 [申請人]天津市天安興導(dǎo)航技術(shù)有限公司, 姚戈, 何杰
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