CN102155943B - 消防员现场导航装置 - Google Patents

Abstract

本发明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。该装置主要包含中央控制模块、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系统，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。

Description

消防员现场导航装置

技术领域

本发明涉及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。

背景技术

有道是水火无情，一旦发生火灾，将会对人的生命和财产造成严重的威胁。能够越快控制火情，就能够越大程度地减少人身财产的损失。而且，在当前构建和谐社会的形势下，火灾扑救执行救火、救灾先救人，物质财富损失可以再造，人员伤亡不可弥补的思想原则显得更为突出重要，以人为本、生存之上的行动理念也应提高到一个更为显著的地位。但目前消防部队为消防员配备的装备，还存在着不少问题，很难满足现代灾害的救助需求。目前的消防员装备，还不能很好的保障消防员进入火场正确实施灭火救援。

另一方面，各种建筑在修建完工或装修完毕，进行消防验收时提供的有关本建筑的消防设施分布状况，建筑结构等数据信息，在该建筑发生火灾时并没有被很好地利用来帮助消防员进行迅速的灭火救灾。

发明内容

针对上述问题，本发明涉及的消防员现场导航装置可利用根据各建筑所提供的消防验收材料（包含建筑的平面结构图、消防设施部署图）建模后保存在数据库中的建筑方位数据，再结合消防员现场导航装置中的三维定位模块，计算出消防员在建筑中的相对位置，同时为消防员绘制出标识了消防员自身在建筑中的位置，以及消防设施、逃生通道的位置的平面示意图，并将该平面示意图显示在现场导航装置的显示屏上，为消防员进行导航，以便协助消防员迅速实施灭火救援行动。该装置还可以为消防员提供声音导航，消防员可在显示屏的平面示意图中锁定一个目标位置，装置会根据消防员和目标位置之间的距离，发出时间间隔不同的提示声，当消防员的位置越接近目标位置，提示声就越急促（提示声之间的间隔越短），反之，则提示声越缓和（提示声之间的间隔越长）。

本发明采取的技术方案是：一种消防员现场导航装置，其至少包括：一个中央控制模块，该模块包含了微处理器、内存（RAM），用于将从消防建筑建模数据库中获取的建筑结构方位数据、建筑消防设施方位数据，绘制成平面示意图，同时，根据三维定位模块获得的消防员方位数据，将消防员位置标识在平面示意图中，并将该平面示意图显示在装置的显示屏上；

一个三维定位模块，该模块用来对消防员进行三维定位，即获取消防员当前所处位置的经度、纬度和高度，并将消防员的三维位置信息交由中央控制器处理，作为进一步对消防员做导航的依据；

一个外部存储模块，该模块用于存储从消防建筑建模数据库中获取的建筑结构方位数据、建筑消防设施方位数据、消防员方位变化历史数据；

一个通讯模块，该模块通过无线网络和火场外的其它计算机设备进行数据通讯，这些计算机设备的所在地包括现场指挥车、消防部门数据中心；

一个输入输出模块，该模块包括一块显示屏（普通显示屏或触控屏）、按键，用于和消防员进行交互，将平面示意图显示给消防员，接收消防员输入的目标位置，为消防员提供直观的导航服务；

一个天线，用于将无线收发芯片发送的无线信号传递出去，或者传入接收到的无线信号；

一个蜂鸣器，用于发出提示声，通过提示声发声间隔的长短来表示消防员和目标位置距离的远近，消防员越接近目标位置，则提示声越急促，即提示声发声间隔越短，反之，消防员离目标位置越远，则提示声越缓和，即提示声发声间隔越长；

一个语音模块，用来播放消防员的实时位置信息以及消防员周边的消防设施信息；

一个机内电源，用于在装置处于关闭状态时为装置内的RAM存储器供电，以防止数据丢失，这样可以保证在更换机外电源时不中断连续观测；

一个机外电源，用于为整个装置供电，使用机外电源时将自动对机内电源进行充电；

一个保护外壳，用于保护装置内部的元器件，以保证装置在火灾现场的正常使用。

在消防员进入火灾现场之前，通过消防部门数据中心或者现场指挥车的计算机设备将发生火灾的建筑物的建筑结构方位数据、建筑消防设施方位数据，从数据中心的数据库中读取出来，发送给消防员现场导航装置。消防员现场导航装置通过通讯模块，接收数据信息，并将接收到的数据信息保存到装置的外部存储模块中。中央控制模块根据这些数据，绘制出该建筑每一层的平面结构图，图中包含了消防设施的位置、逃生通道的位置一系列信息，并把这些结构图保存在装置的外部存储模块中。然后中央控制模块根据三维定位模块获取到的消防员的当前三维信息（经度、纬度、高度），将消防员所处垂直高度转换为楼层数，从装置的外部存储模块中调出该楼层的平面结构图，再根据消防员所处的经纬度信息，在该楼层的平面结构图中标示出消防员的当前位置，并将该图通过装置的输入输出模块（显示在显示屏上），展现给消防员。然后，随消防员的位置变化，该装置不断地重新绘制标示了消防员位置的平面结构图，并输出到显示屏上。楼层平面结构图上的消防设施位置以及逃生通道位置，或者某个房间的位置都是可以作为目标被选择锁定的。消防员可以通过触控屏或者键盘，选择平面结构图上的一个位置作为目标加以锁定，一旦锁定了目标，装置的蜂鸣器就会发出提示声。通过提示声发声间隔的长短来表示消防员和目标位置距离的远近，消防员越接近目标位置，则提示声越急促，即提示声发声间隔越短，反之，消防员离目标位置越远，则提示声越缓和，即提示声发声间隔越长。消防员到达锁定的目标位置之后，即可取消锁定和蜂鸣。

附图说明

图1是表示本发明的实施例一的消防员现场导航装置的硬件结构图；

图2是表示本发明的实施例二的消防员现场导航装置的硬件结构图；

图3是表示本发明的实施例三的消防员现场导航装置的硬件结构图。

具体实施方式

为使本发明的特征及优点得到更清楚的了解，以下结合附图，做详细说明如下：

消防员现场导航装置实施例一

如图1所示，描述了本发明实施例一的硬件结构图。在图1中，消防员现场导航装置硬件包括中央控制模块1、三维定位模块2、外部存储模块3、通讯模块4、输入输出模块5、天线6、蜂鸣器7、语音模块8、机内电源9、机外电源10及保护外壳11。

其中，中央控制模块1包含了微处理器1A和内存（RAM）1B，中央控制模块1是装置的核心模块，它的主要功能是根据对各建筑所提供的消防验收材料（包含建筑的平面结构图、消防设施部署图）建模后、保存在消防部门数据中心数据库中的数据信息绘制建筑中每一楼层的平面结构图，绘制出的平面结构图中的每一个位置都对应了具体的方位信息（包括经、纬度和高度，高度又是和楼层数相关联的），并且图中的位置都是可以被选择锁定的，以实现对消防员进行目标导航；然后，中央控制模块1根据通过三维定位模块2所获得的消防员的实时方位信息（包括经度、纬度和高度），来解析出消防员在建筑中所处的位置，具体为：根据消防员所处位置的高度信息和建筑中每层楼的高度信息，进行计算以获得消防员当前所在楼层；中央控制模块1根据楼层数，从外部存储模块3中读取已经绘制好的该楼层的平面结构图；再根据消防员所处位置的经纬度信息，和该楼层平面结构图中各位置的经纬度信息加以比对，以确定消防员在该楼层的具体位置，并将该位置标示在平面结构图中；最后中央控制模块1通过输入输出模块5，把标示了消防员位置的楼层平面结构图展示给消防员，对其进行导航；此外，消防员还可以通过输入输出模块5在楼层平面结构图中锁定一个目标位置，中央控制模块1会根据消防员位置和目标位置的距离，控制蜂鸣器7以不同的频率发出提示声，即通过提示声发声间隔的长短来表示消防员和目标位置距离的远近：消防员越接近目标位置，则提示声越急促，即提示声发声间隔越短，反之，消防员离目标位置越远，则提示声越缓和，即提示声发声间隔越长。

中央控制模块1需要和三维定位模块2、外部存储模块3、通讯模块4、输入输出模块5和蜂鸣器7进行交互，具体为：它和通讯模块4进行交互，通过通讯模块4和其它可联网的计算机设备进行通讯，获取需要处理的数据信息，这些数据信息包括对各建筑所提供的消防验收材料（包含建筑的平面结构图、消防设施部署图）建模后、保存在消防部门数据中心数据库中的数据信息；同时中央控制模块1和外部存储模块3进行交互，将获取到的需要处理的数据信息保存到外部存储模块3中，在中央控制模块1需要实际处理数据信息的时候，再从外部存储模块3中读取所需的数据信息，同时也把经过处理之后的数据信息保存到外部存储模块3中；中央控制模块1还要和三维定位模块2进行交互，以随时获取该装置当前所处的位置，该位置为三维方位信息，包括经度、纬度和高度；中央控制模块1还要和输入输出模块5进行交互，把中央控制模块1所绘制的标示了消防员实时位置的楼层平面结构图显示到装置的显示屏上，同时，消防员通过输入输出模块5在楼层平面结构图中选择目标位置，中央控制模块1根据输入对消防员加以导航；中央控制模块1还要和蜂鸣器7进行交互，当消防员在楼层平面结构图中选择目标位置加以锁定时，中央控制模块1根据消防员当前位置和锁定目标位置之间的距离，控制蜂鸣器7以不同的频率发出提示声，消防员的位置越接近目标位置，则发声频率越高，提示声越急促，反之，则发声频率越低，提示声越缓和。

中央控制模块1中的微处理器1A可采用SiRF出品的Prima处理器，该处理器是ARM11系列微处理器，ARM11处理器是为了有效的提供高性能处理能力而设计的，集成了硬件2D/3D加速引擎，拥有很好的图形图像处理能力，集成了触摸屏控制单元，可以降低干扰，提供更顺滑、更快速的反应，集成了先进的内存控制器，支持多种内存芯片，成本更容易控制，采用低功耗的65纳米工艺，可以很好的节省电能。

三维定位模块2包含了一个惯性地磁导航模组2A和一个GPS模组2B，惯性地磁导航模组包括了三轴地球磁场传感器、三轴陀螺仪、三轴加速度传感器、精确高度计，GPS只做参考定位，在室内主要依靠惯性地磁导航模组定位，这里采用地磁导航和惯性导航的组合导航技术能够提高导航系统的整体性能，可以有效地改善单纯的惯性导航系统的长期精度。

通讯模块4用来进行无线数据传输，中央控制模块1控制通讯模块4将三维定位模块2的定位信息，传输到现场指挥系统中，使现场指挥人员能够随时了解火场内各个区域消防人员的三维详细位置信息。

输入输出模块5包含了显示屏5A和按键5B，显示屏5A可以是普通的液晶显示屏，也可以是触控显示屏，如果是触控显示屏可以让消防员直接在显示屏上进行目标位置的选择锁定，也可通过按键5B对目标位置进行选择锁定；如果是普通的液晶显示屏，则消防员只能借助于按键5B来对楼层平面结构图上的目标位置进行选择锁定。

语音模块8包括了语音合成器，将每隔15秒向消防员播报消防员的当前位置，以及3米扫描半径内的消防设施的信息，播报间隔和扫描半径都可以手动设定。消防员可以选择只获得某类特殊消防设施的信息，那么在选择之后语音模块将只播放消防员的当前位置和此类选定的消防设施信息。例如，如果消防员选定了只接收泡沫发生器的信息，则语音模块只播报消防员当前位置扫描半径范围内的泡沫发生器的信息。消防员也可以通过按键5B，让语音模块立即播报消防员的当前位置，以及扫描半径内的消防设施的信息。

机内电源9主要是用于在装置处于关闭状态时为装置内的RAM存储器供电，以防止数据丢失，这样可以保证在更换机外电源时不中断连续观测。

机外电源10是整个装置的动力源头，用于为整个装置内的各种设备供电，保证其正常运作，并且在使用机外电源时将会自动对机内电源进行充电，以备不时之需。

消防员现场导航装置实施例二

如图2所示，描述了本发明实施例二的硬件结构图。该图中除了三维定位模块2的组成不同于实施例一以外，其余各模块和实施例一完全相同。

实施例二中的三维定位模块2包含了一个RFID模组2A和一个GPS模组2B，RFID即射频识别，也叫电子标签。在进行三维定位时，要获得当前的楼层信息，需要提前给建筑物中配备RFID楼层识别设备。在每一处可以通往上一层或者下一层楼层的地方安装RFID楼层识别设备，为了能够更便捷的获得当前楼层信息，可以在走廊、建筑中重要的地方也安装RFID楼层识别设备。每个楼层的RFID设备之间标签信息各部相同。消防员通过装置中的RFID模组2A获取楼层信息，RFID模组2A中存储了楼层信息和RFID楼层识别设备之间的对应关系表。当RFID模组2A接近楼层识别设备时，会非接触式读取当前楼层RFID楼层识别设备中的标签信息，根据楼层与RFID楼层识别设备之间的对应关系表，得到当前的楼层信息。GPS模组2B，则用来对消防员进行平面定位，获取消防员的经纬度位置信息。

消防员现场导航装置实施例三

如图3所示，描述了本发明实施例三的硬件结构图。该图中除了三维定位模块2的组成不同于实施例一以外，其余各模块和实施例一完全相同。

实施例三中的三维定位模块2包含了一个无线收发芯片2A、一个功率放大电路2B。三维定位模块2中的无线收发芯片2A通过配合现场消防指挥车上的信号装置，对消防员进行三维定位（经度、纬度和高度），功率放大电路用于对信号进行功率放大。无线收发芯片2A可采用Chipcon公司为低功耗、低电压无线产品设计生产的单片无线收发一体化芯片CC1000，该芯片主要使用ISM（工业、科学、医疗）频段中的315、433、868及915MHz频率。但也可以通过编程的方式使其工作在300-1000MHz的其他频率上。功率放大电路2B可采用RF2175线性放大器，RF2175是一种高功率、高效率的线性放大器。三维定位模块2产生的信号通过天线6向外界传送出去，同时也通过天线6接受外界发来的信号。三维定位模块2通过无线收发芯片2A，经由功率放大电路2B和天线6向火场外围放置在不同位置的信号接收装置发送无线信号，采用TDOA（Time Difference of Arrival）定位算法确定消防员的三维位置信息。

以上所述的实例对本发明的各个部分的实现方式作了详细的说明。但是本发明的具体实现形式并不局限于此，对于技术领域的一般技术人员来说，在不背离本发明所述方法的精神和权利要求范围的情况下，对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种消防员现场导航装置，其特征在于包括：

一个中央控制模块，该模块包含了微处理器、内存，用于从消防部门数据中心获取数据，绘制成平面示意图，同时，根据三维定位模块获得的消防员方位数据，将导航装置的位置标识在平面示意图中，并将该平面示意图显示在装置的显示屏上；

一个三维定位模块，其连接于中央控制模块，该三维定位模块用来对火灾现场的导航装置进行三维定位，并且，三维定位模块提供高度信息给中央控制模块，以便中央控制模块根据高度计算楼层，然后再根据楼层调取相应的楼层平面数据；

一个外部存储模块，其连接于中央控制模块，该模块用于存储从消防部门数据中心获取的建筑结构方位数据、建筑消防设施方位数据、导航装置方位变化历史数据；

一个通讯模块，其连接于中央控制模块及存储模块，该模块通过无线网络消防部门数据中心及/或现场指挥车进行数据通讯；

一个保护外壳，用于保护装置内部的元器件，以保证装置在火灾现场的正常使用；以及

一个输入输出模块，该模块包括显示屏和按键，二者连接于中央控制模块，用于和消防员进行交互，将平面示意图显示给消防员，接收消防员输入的目标位置，为消防员提供直观的导航服务；

还包括一个蜂鸣器，其连接于中央控制模块，用于发出提示声，通过提示声发声间隔的长短来表示消防员和目标位置距离的远近。

2.如权利要求1所述的消防员现场导航装置，其特征在于：还包括一个语音模块，其连接于中央控制模块，用来播放消防员的实时位置信息以及消防员周边的消防设施信息。

3.如权利要求1所述的消防员现场导航装置，其特征在于：还包括一个机内电源，其连接于中央控制模块，用于在装置处于关闭状态时为装置内的RAM存储器供电，以防止数据丢失，这样可以保证在更换机外电源时不中断连续观测。

4.如权利要求1所述的消防员现场导航装置，其特征在于：一个机外电源，用于为整个装置供电，使用机外电源时将自动对机内电源进行充电。

5.如权利要求1所述的消防员现场导航装置，其特征在于：所述的三维定位模块，采用一个惯性地磁导航模组和一个GPS模组，惯性地磁导航模组包括了三轴地球磁场传感器、三轴陀螺仪、三轴加速度传感器及精确高度计。

6.如权利要求1所述的消防员现场导航装置，其特征在于：所述的三维定位模块，采用一个RFID模组和一个GPS模组，RFID模组中有一个电子标签读取模块，而该电子标签读取模块可读取放置在建筑物相应楼层的电子标签，以根据楼层调取相应的楼层平面数据，GPS模组用来确定导航装置在平面上的经纬度。

7.如权利要求1所述的消防员现场导航装置，其特征在于：所述的三维定位模块，也可采用一个无线收发芯片和一个功率放大电路；无线收发芯片通过无线信号，对消防员进行三维定位，功率放大电路用于对信号进行功率放大。

8.如权利要求6所述的消防员现场导航装置，其特征在于：所述的三维定位模块，依赖于事先在建筑中部署好的RFID楼层识别设备。

9.如权利要求7所述的消防员现场导航装置，其特征在于：所述的三维定位模块，需要使用无线收发芯片向现场指挥车上的多个放置于不同位置的信号接收装置发送无线信号，通过各个信号接收装置接收到信号的时间差来确定导航装置的三维位置。

Images