CN103994767A - 一种救援人员室内协同定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种救援人员室内协同定位装置及方法，该系统包括至少3个惯导定位装置、多个单片机、多个ZigBee无线传感器网络节点、多个GPRS模块和远程服务器；各惯导定位装置分别安置在至少3个救援人员身上，所有救援人员身上均安置有单片机、ZigBee无线传感器网络节点和GPRS模块。本发明由部分救援人员携带惯导定位装置实现室内定位，通过ZigBee无线传感器网络构成实时定位网，在救援现场中为其他未携带惯导定位装置的救援人员提供位置数据。救援人员能够确认自身位置时可修正位置信息，修正动态定位网络的精度。指挥部可以实时掌握现场救援人员的位置和分布，且救援人员也能互相掌握自己及队友的位置信息，提高灾难救援效率以保证人身安全。

Description

一种救援人员室内协同定位装置及方法

技术领域

本发明涉及室内定位、无线传感器网络和灾难救援领域，具体涉及一种救援人员室内协同定位装置及方法。

背景技术

在灾难救援活动中，冲锋在第一线的救援人员经常处于危险境地，其生命安全难以得到有效保障。救援人员无法了解自己和队员在室内的位置等信息，在出现危急情况的时候不能及时有效地相互支援，很容易导致伤亡。同时，指挥员和现场人员不能掌握救援人员的实施状况，无法立即对救援人员面对的情况做出正确判断和合理的指挥，严重影响了指挥效率。因此，对救援人员进行室内定位并使救援人员了解附近队员的情况是十分必要的。传统的GPS定位有效覆盖范围大，且定位导航信号免费。然而在实际环境中，GPS无法穿透建筑物的屋顶，室内往往无法收到GPS信号，从而无法使用GPS准确定位救援人员在室内的具体位置。惯导定位利用陀螺仪和加速度计，能够准确输出移动目标的位置和姿态信息。利用惯性导航设备进行室内定位精度较高，但是惯导设备成本较高，在使用数量上受限制。传感器网络具有自组织特点，可以构成实时定位网络，目前广泛应用于室内网络通信部署。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种救援人员室内协同定位装置及方法。

本发明的技术方案是：

一种救援人员室内协同定位装置，包括至少3个惯导定位装置、多个单片机、多个ZigBee无线传感器网络节点、多个GPRS模块和远程服务器；

各惯导定位装置分别安置在至少3个救援人员身上，所有救援人员身上均安置有单片机、ZigBee无线传感器网络节点和GPRS模块，惯导定位装置的输出端连接单片机的输入端；

各ZigBee无线传感器网络节点形成ZigBee无线传感器网络，单片机通过GPRS模块与远程服务器建立无线通讯。

所述ZigBee无线传感器网络节点用于通过ZigBee无线传感器网络实时发送其对应的救援人员所在的位置信息至其他救援人员的ZigBee无线传感器网络节点和实时接收其他救援人员的位置信息。

所述惯导定位装置用于实时获取其对应救援人员运动的三轴加速度和三轴角速度并发送至单片机。

所述单片机用于根据惯导定位装置获取的对应救援人员运动的三轴加速度和三轴角速度进行定位计算得到救援人员位置信息，或者根据ZigBee无线传感器网络节点传来的携带惯导定位装置的各救援人员的位置信息进行自身定位。

所述GPRS模块用于将单片机传来的救援人员位置信息发送至远程服务器。

所述远程服务器用于接收GPRS模块传来的救援人员位置信息并存至数据库。

所述单片机连接有液晶显示模块，用于将救援现场的室内环境以室内建筑物平面图形式进行显示，并将各救援人员所在位置以坐标的形式显示在该室内建筑物平面图上并实时更新。

所述单片机连接有操作按键模块，用于在现场救援过程中救援人员将其确定的位置信息手动输入单片机，对计算的位置信息进行修正。

采用所述的一种救援人员室内协同定位装置进行救援人员室内协同定位的方法，包括如下步骤:

步骤1：所有救援人员携带单片机、ZigBee无线传感器网络节点和GPRS模块，其中三名以上救援人员还携带有惯导定位装置；

步骤2：对携带有惯导定位装置的救援人员进行初始定位，并通过测量该救援人员在当前位置的救援人员的三轴加速度得到重力加速度方向和大小；

步骤3：将救援现场的室内环境以室内建筑物平面图形式通过液晶显示模块进行显示；

步骤4：所有救援人员进入救援现场室内，惯导定位装置实时获取其对应救援人员运动的三轴加速度和三轴角速度并发送至单片机；

步骤5：单片机根据惯导定位装置发送的三轴加速度和三轴角速度计算携带惯导定位装置的救援人员相对于初始定位位置坐标的位移，进而得到携带有惯导定位装置的救援人员当前位置；

步骤6：通过GPRS模块将携带有惯导定位装置的救援人员当前位置信息发送至远程服务器，同时通过ZigBee无线传感器网络节点将携带有惯导定位装置的救援人员当前位置信息发送至其他救援人员；

步骤7：未携带惯导定位装置的救援人员的ZigBee无线传感器网络节点实时获取三名携带有惯导定位装置的救援人员的RSSI数据，ZigBee无线传感器网络节点将该RSSI数据发送至其对应的单片机；

步骤8：单片机根据获取的RSSI数据分别计算该未携带惯导定位装置的救援人员与该三名携带有惯导定位装置的救援人员的距离，并根据计算出的该未携带惯导定位装置的救援人员与该三名携带有惯导定位装置的救援人员的距离和该三名携带有惯导定位装置的救援人员的当前位置信息，采用三边定位方法计算自身的当前位置；

步骤9：救援人员在现场救援过程中如确定其自身位置时，通过操作按键模块将其位置信息手动输入单片机，对计算的位置信息进行修正，将各救援人员所在位置以坐标的形式通过液晶显示模块显示在室内建筑物平面图上并实时更新。

有益效果：

本发明的救援人员室内协同定位装置及方法是由部分救援人员携带惯导定位装置实现室内定位，通过ZigBee无线传感器网络构成实时定位网，在救援现场中为其他未携带惯导定位装置的救援人员提供位置数据。当救援人员能够确认自身位置时，可以通过操作按键修正位置信息，使自己成为新的定位源，修正动态定位网络的精度。在此基础上，指挥部可以实时掌握现场救援人员的位置和分布，并且救援人员也能够互相了解和掌握自己及队友的位置信息，从而提高灾难救援效率以保证人身安全。通过少量的ZigBee无线传感器网络锚节点和信号强度测距，降低了昂贵的惯导定位装置的使用数量以节省成本。而且，由于ZigBee无线传感器网络能够动态自组织构成信息网络，不需要事先在建筑内安装设备，使本发明对于突发灾难救援具有很强的实际使用价值。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的救援人员室内协同定位装置结构示意图；

图2为本发明具体实施方式的单片机及其外围电路结构框图；

图3为本发明具体实施方式的单片机电路原理图；

图4为本发明具体实施方式的电压转换电路原理图；

图5为本发明具体实施方式的液晶显示模块电路原理图；

图6为本发明具体实施方式的操作按键模块电路原理图；

图7为本发明具体实施方式的通讯电路原理图；

图8为本发明具体实施方式的携带惯导定位装置的救援人员工作流程图；

图9为本发明具体实施方式的未携带惯导定位装置的救援人员工作流程图；

图10为本发明具体实施方式的救援人员室内协同定位方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

救援人员室内协同定位装置，包括至少3个惯导定位装置、多个单片机、多个ZigBee无线传感器网络节点、多个GPRS模块和远程服务器；

各惯导定位装置分别安置在至少3个救援人员身上，所有救援人员身上均安置有单片机、ZigBee无线传感器网络节点和GPRS模块，惯导定位装置的输出端连接单片机的输入端。

如图1所示，本实施方式中，有3个救援人员身上安置有惯导定位装置，将这三个救援人员设为救援人员A，其余救援人员为救援人员B。

各ZigBee无线传感器网络节点形成ZigBee无线传感器网络，单片机通过GPRS模块与远程服务器建立无线通讯。

ZigBee无线传感器网络节点用于通过ZigBee无线传感器网络实时发送其对应的救援人员所在的位置信息至其他救援人员的ZigBee无线传感器网络节点和实时接收其他救援人员的位置信息。

本实施方式中，ZigBee无线传感器网络节点采用STM32W108CBU64，基于32位的ARMCortex-M3处理器内核，内部集成通信模块，信号更加稳定，同时满足低能耗特性。STM32W108CBU64支持IEEE802.15.4Zigbee协议，集成SimpleMac协议栈。STM32W108CBU64接收单片机的位置数据，并作为移动锚节点通过位置洪泛传播，为ZigBee无线传感器网络的其它节点提供位置数据。同时接收其他节点发送的位置信息，送到单片机进行数据处理。ZigBee无线传感器网络节点通过串口与单片机连接。

单片机用于根据惯导定位装置获取的对应救援人员运动的三轴加速度和三轴角速度进行定位计算得到救援人员位置信息，或者根据ZigBee无线传感器网络节点传来的携带惯导定位装置的各救援人员的位置信息进行自身定位。

如图3所示，单片机选用的型号为STM32F103，是ARM32位Cortex-M3CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz。单周期乘法和硬件除法，具有较快的处理运算速度。支持3种低功耗模式，从而在低功耗、短启动时间和可用唤醒源之间达到一个最好的平衡点。

如图8所示，对于携带惯导定位装置的救援人员A，单片机通过初始定位，获得当前环境下的重力加速度，并实时接收惯导定位装置测量的三轴加速度和三轴角速度，进行坐标转换将获得的数据从载体坐标系变换到地理坐标系上，然后通过对离散数据进行二次积分变换后得出物体的位置信息，将当前位置在室内建筑结构平面图上进行更新，并通过GPRS模块和ZigBee无线传感器网络节点分别发送给远程服务器和其他的ZigBee无线传感器网络节点，最终显示在其所携带的液晶显示模块上。ZigBee无线传感器网络节点发送自己的位置信息的同时接收其他ZigBee无线传感器网络节点的位置信息并通过液晶显示模块显示。

如图9所示，对于未携带惯导定位装置的救援人员B，单片机将获取的无线数据进行分析与处理，其中位置数据通过液晶显示模块进行显示输出，通过信号的RSSI值，根据RSSI定位方法计算与锚节点的距离。在得到三个锚节点的位置和距离信息后，根据三边定位法计算出自身的位置。最终通过液晶显示模块显示输出，同时将自身的位置信息通过数据广播传送给其他节点，并通过GPRS将位置信息发送至远程服务器。

单片机连接有通讯电路，如图7所示，该电路包括两个MAX3232CSE芯片和3个RS232串口，单片机通过RS232串口与惯导定位装置、GPRS模块和ZigBee无线传感器网络节点进行串口通讯，可以实现短距离全双工数据传输。

惯导定位装置通过RS232串口与单片机的PA2、PA3、GND相连，将数据发送给单片机。ZigBee无线传感器网络节点通过串口与单片机的PA9、PA10、GND相连。GPRS模块经串口与单片机的PB10、PB11、GND相连。液晶显示模块通过PB口与单片机交换数据。电源模块的输出经过电压转换后与单片机、ZigBee无线传感器网络节点、GPRS模块以及液晶显示模块的3v3、GND相连。操作按键模块通过PA口与单片机相连。

单片机及其外围电路如图2所示。

单片机还连接有如图5所示的液晶显示模块，用于将救援现场的室内环境以室内建筑物平面图形式进行显示，并将各救援人员所在位置以坐标的形式显示在该室内建筑物平面图上并实时更新。

单片机还连接有如图6所示的操作按键模块，用于在现场救援过程中救援人员将其确定的位置信息手动输入单片机，对计算的位置信息进行修正。

惯导定位装置用于实时获取其对应救援人员运动的三轴加速度和三轴角速度并发送至单片机。惯导定位装置采用XSENS公司MTi-G惯性导航模块，它具有陀螺仪、加速度计等传感器，可以连续输出惯性导航模块的运动三轴加速度和角速度。惯性导航模块通过串口线与STM32F103相连，将数据连续发送给STM32F103。

GPRS模块用于将单片机传来的救援人员位置信息发送至远程服务器。GPRS模块采用SIM300芯片，与单片机采用串行通信。

远程服务器用于接收GPRS模块传来的救援人员位置信息并存至数据库。

本实施方式的救援人员室内定位与信息协同系统的电源模块为单片机、ZigBee无线传感器网络节点、GPRS无线模块、液晶显示模块供电。锂电池输出口通过电源模块分别与单片机3v3、GND连接。电源模块包括锂电池和电压转换电路，其中，电压转换电路的主要芯片型号为LM1117-3v3，如图4所示。

采用所述的救援人员室内协同定位装置进行救援人员室内协同定位的方法，如图10所示，包括如下步骤：

步骤1：所有救援人员携带单片机、ZigBee无线传感器网络节点和GPRS模块，其中三名救援人员A携带有惯导定位装置；

步骤2：对携带有惯导定位装置的救援人员进行初始定位，并通过测量该救援人员在当前位置的救援人员的三轴加速度得到重力加速度方向和大小；

在进入救援现场前，救援人员A启动惯导定位装置并静止站立数秒，在此时间内设置救援人员在室内建筑物平面图中的位置，并测量当前位置的重力加速度方向及大小，为后续的定位提供依据。

步骤3：将救援现场的室内环境以室内建筑物平面图形式通过液晶显示模块进行显示；

室内建筑物平面图指准确刻画的救援现场二维平面图，通常由消防局备案，在实施救援活动时可以合法取得。将该平面图设置为背景，在该背景上绘制运动曲线，即可得出救援人员A或B在室内的位置及运动轨迹。设置救援人员位置，是在启动惯导时自动调取建筑物的室内建筑物平面图，并将当前的经纬度与映射在地图上，从而实现室外地图与室内平面图的切换。

步骤4：所有救援人员进入救援现场室内，惯导定位装置实时获取其对应救援人员A运动的三轴加速度和三轴角速度并发送至单片机；

步骤5：单片机根据惯导定位装置发送的三轴加速度和三轴角速度计算携带惯导定位装置的救援人员相对于初始定位位置坐标的位移，进而得到携带有惯导定位装置的救援人员当前位置；

进入室内后，单片机连续从惯导定位装置中获得当前救援人员运动状态的三轴加速度和三轴角速度，通过坐标变换和积分变换计算当前救援人员相对起始坐标的位移。将该位置在室内建筑结构平面图上进行更新，并绘制运动轨迹。

步骤6：通过GPRS模块将携带有惯导定位装置的救援人员A当前位置信息发送至远程服务器与其他救援人员进行位置信息共享，同时通过ZigBee无线传感器网络节点将携带有惯导定位装置的救援人员当前位置信息发送至其他救援人员；

携带有惯导定位装置的救援人员A作为移动锚节点通过位置洪泛传播，为ZigBee无线传感器网络的其它节点提供位置数据，位置洪泛传播指源节点通过无线网络将数据传送给它的每个邻居节点，每个邻居节点再将数据传送给各自的除发送数据来的节点之外的其他节点，以此实现所有节点都能获得该数据。未携带惯导定位装置的救援人员B携带ZigBee无线传感器网络节点，与救援人员A组成现场动态信息协同网络，接收救援人员A发出的位置数据广播。

步骤7：未携带惯导定位装置的救援人员B的ZigBee无线传感器网络节点实时获取三名携带有惯导定位装置的救援人员A的RSSI数据，ZigBee无线传感器网络节点将该RSSI数据发送至其对应的单片机；

步骤8：单片机根据获取的RSSI数据分别计算该未携带惯导定位装置的救援人员B与该三名携带有惯导定位装置的救援人员A的距离，并根据计算出的该未携带惯导定位装置的救援人员B与该三名携带有惯导定位装置的救援人员A的距离和该三名携带有惯导定位装置的救援人员A的当前位置信息，采用三边定位方法计算自身的当前位置；

未知位置节点(待定位的救援人员)与锚节点之间的距离可以通过WSN节点的RSSI值计算得出，即通过信号强度判断自身与锚节点之间的距离。测量测距离d(单位：米)与获取的RSSI值、A、n之间的关系如下所示：

d=10^（（ABS（RSSI）-A）/（10*n))

其中A为在距离一米时的信号强度，n为环境对信号的衰减系数，最佳范围为3.25-4.5。对于低速运动的物体，通过平均值滤波能够提高测量精度。

三边定位方法，是无线传感器网络自定位方法中开销小、易于实现的定位方法。所谓三边定位方法，是通过三个锚节点坐标信息和待定位节点到锚节点距离信息来计算待定位的坐标。当未知位置节点与3个或3个以上锚节点之间的距离确定时，结合无线传感器网络的基于测距的定位方法，就可获得待定位的救援人员的位置信息。在使用基于距离的定位技术时，需要多个锚节点的协作才能确定位置节点位置。用测量的一组数值建立数学方程，那么数学方程的个数会大于变量的个数，此时可使用极大似然法来获取最小均方差意义上的估计值。

在二维的无线传感网络中，只要知道未知节点与3个锚节点的距离就可以计算出未知节点的位置。假设3个锚节点坐标分别为(X₁,Y₁)、(X₂,Y₂)、(X₃,Y₃)，未知节点的坐标(X_u,Y_u)，未知节点距离3个锚节点的距离分别是R1，R2和R3，则根据二维坐标系距离公式可以得到如下方程组

$\left\{\begin{array}{c}R1=\sqrt{{(X_1-X_u)}^2+{(Y_1-Y_u)}^2}\\ R2=\sqrt{{(X_2-X_u)}^2+{(Y_2-Y_u)}^2}\\ R3=\sqrt{{(X_3-X_u)}^2+{(Y_3-Y_u)}^2}\end{array}\right.$

根据多边定位估计，可计算节点位置(X_u,Y_u)为

$\left[\begin{array}{c}{X}_u\\ Y_u\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}2(X_1-X_2)& 2(Y_1-Y_2)\\ 2(X_2-X_3)& 2(Y_2-Y_3)\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{X_1}^2-{X_2}^2+{Y_1}^2-{Y_2}^2-{R_1}^2+{R_2}^2\\ {X_2}^2-{X_3}^2+{Y_2}^2-{Y_3}^2-{R_2}^2+{R_3}^2\end{array}\right]$

如此便可得到未知节点的坐标，即得到未携带惯导定位装置的救援人员B的位置。

步骤9：救援人员A或B在现场救援过程中如确定其自身位置时，通过操作按键模块的方向键或数字键将其位置信息手动输入单片机，对计算的位置信息进行修正，将各救援人员所在位置以坐标的形式通过液晶显示模块显示在室内建筑物平面图上并实时更新。

救援人员A或救援人员B的实时位置数据，转化为室内建筑物平面图的物理位置，并显示在其所携带的液晶显示模块上。

Claims (9)

1.一种救援人员室内协同定位装置，其特征在于：包括至少3个惯导定位装置、多个单片机、多个ZigBee无线传感器网络节点、多个GPRS模块和远程服务器；

各惯导定位装置分别安置在至少3个救援人员身上，所有救援人员身上均安置有单片机、ZigBee无线传感器网络节点和GPRS模块，惯导定位装置的输出端连接单片机的输入端；

各ZigBee无线传感器网络节点形成ZigBee无线传感器网络，单片机通过GPRS模块与远程服务器建立无线通讯。

2.根据权利要求1所述的救援人员室内协同定位装置，其特征在于：所述ZigBee无线传感器网络节点用于通过ZigBee无线传感器网络实时发送其对应的救援人员所在的位置信息至其他救援人员的ZigBee无线传感器网络节点和实时接收其他救援人员的位置信息。

3.根据权利要求1所述的救援人员室内协同定位装置，其特征在于：所述惯导定位装置用于实时获取其对应救援人员运动的三轴加速度和三轴角速度并发送至单片机。

4.根据权利要求1所述的救援人员室内协同定位装置，其特征在于：所述单片机用于根据惯导定位装置获取的对应救援人员运动的三轴加速度和三轴角速度进行定位计算得到救援人员位置信息，或者根据ZigBee无线传感器网络节点传来的携带惯导定位装置的各救援人员的位置信息进行自身定位。

5.根据权利要求1所述的救援人员室内协同定位装置，其特征在于：所述GPRS模块用于将单片机传来的救援人员位置信息发送至远程服务器。

6.根据权利要求1所述的救援人员室内协同定位装置，其特征在于：所述远程服务器用于接收GPRS模块传来的救援人员位置信息并存至数据库。

7.根据权利要求1所述的救援人员室内协同定位装置，其特征在于：所述单片机连接有液晶显示模块，用于将救援现场的室内环境以室内建筑物平面图形式进行显示，并将各救援人员所在位置以坐标的形式显示在该室内建筑物平面图上并实时更新。

8.根据权利要求1所述的救援人员室内协同定位装置，其特征在于：所述单片机连接有操作按键模块，用于在现场救援过程中救援人员将其确定的位置信息手动输入单片机，对计算的位置信息进行修正。

9.采用权利要求1所述的救援人员室内协同定位装置进行救援人员室内协同定位的方法，其特征在于：包括如下步骤:

步骤1：所有救援人员携带单片机、ZigBee无线传感器网络节点和GPRS模块，其中三名以上救援人员还携带有惯导定位装置；

步骤2：对携带有惯导定位装置的救援人员进行初始定位，并通过测量该救援人员在当前位置的救援人员的三轴加速度得到重力加速度方向和大小；

步骤3：将救援现场的室内环境以室内建筑物平面图形式通过液晶显示模块进行显示；

步骤4：所有救援人员进入救援现场室内，惯导定位装置实时获取其对应救援人员运动的三轴加速度和三轴角速度并发送至单片机；

步骤5：单片机根据惯导定位装置发送的三轴加速度和三轴角速度计算携带惯导定位装置的救援人员相对于初始定位位置坐标的位移，进而得到携带有惯导定位装置的救援人员当前位置；

步骤6：通过GPRS模块将携带有惯导定位装置的救援人员当前位置信息发送至远程服务器，同时通过ZigBee无线传感器网络节点将携带有惯导定位装置的救援人员当前位置信息发送至其他救援人员；

步骤7：未携带惯导定位装置的救援人员的ZigBee无线传感器网络节点实时获取三名携带有惯导定位装置的救援人员的RSSI数据，ZigBee无线传感器网络节点将该RSSI数据发送至其对应的单片机；

步骤8：单片机根据获取的RSSI数据分别计算该未携带惯导定位装置的救援人员与该三名携带有惯导定位装置的救援人员的距离，并根据计算出的该未携带惯导定位装置的救援人员与该三名携带有惯导定位装置的救援人员的距离和该三名携带有惯导定位装置的救援人员的当前位置信息，采用三边定位方法计算自身的当前位置；

步骤9：救援人员在现场救援过程中如确定其自身位置时，通过操作按键模块将其位置信息手动输入单片机，对计算的位置信息进行修正，将各救援人员所在位置以坐标的形式通过液晶显示模块显示在室内建筑物平面图上并实时更新。