無線消防救援信息采集與監測系統

王慶輝 金 燁 魏立峰 封岸松

(沈陽化工大學信息工程學院，遼寧 沈陽 110142)

0 引言

目前，消防設備的電子化和信息化已經成為趨勢［1－4］，但國內的正壓式呼吸器的系統還都是機械結構，消防員難以逃脫信息孤島的局面。

國外已經將空氣呼吸器部分電子化，如 MSA［5］、ISI［6］等國際消防設備專業公司的空氣呼吸器，但這類呼吸器缺乏對消防員的姿態位置等信息的監測。在英國拉夫堡(Loughborough)大學研究小組進行的名為Secure Ad hoc Fire and Emergency Safety Network(SafetyNet)的研究中，設計的系統可獲取并提供指定地點的環境和險情信息。但該系統需要預先在建筑物內布設傳感器，這在目前的實際救援中還有些困難。將無線傳感器網絡用于消防救援領域已有很好的研究，但這些研究大都用于消防員跟蹤和搜救。

本文在充分研究目前消防救援系統的基礎上，將無線、GPRS、MEMS等技術進行了整合，提出一種新型消防隊員裝備信息系統，并對樣機進行試驗測試。結果表明本系統改變了消防員信息孤島的局面。

1 系統結構

以現場救援的消防員為傳感節點，通過無線鏈路，與各級指揮系統之間形成分布式的消防智能救援平臺。在感知層，首先對傳統空氣呼吸器進行設計，增加電子壓力傳感器;其次設計內置溫度和加速度傳感器的便攜式監測設備，使之與呼吸器傳感器接口和消防員佩戴的生命體征傳感器相連，實時監測消防員呼吸頻次及深度、運動狀態及姿態及氣瓶內氣體剩余使用時間、瞬時耗氣量、火場溫度等信息。在傳輸層，一方面通過433 MHz網絡完成各功能模塊間的數據通信，另一方面采用電信GPRS網絡進行遠程數據通信。在便攜式監測設備上安裝GPRS模塊，作為感知層的網絡接入及信息傳輸接口。在處理層，開發了多級指揮調度系統，對現場各消防員信息進行實時收集，指揮系統依據這些數據，對消防員危險狀態進行預測和評估，并為救援調度提供決策依據。

系統由多級指揮管理系統、消防員佩戴的便攜式無線監測器、頭盔剩余氣量顯示與報警模塊和正壓式空氣呼氣器四部分組成，其結構框圖如圖1所示。整體設計方案如下。

①利用LabVIEW進行上位機界面設計，用戶可在界面上看到現場消防人員的編號、呼吸器可供使用時間以及姿態，可對網絡規模、報警時限等進行設置。用戶也可實時觀察消防員的狀態信息，不僅可對消防員狀態進行實施監控，并可根據這些信息對消防員進行集中調度。

②無線監測器和頭盔剩余氣量顯示與報警模塊在火災現場可接收指揮調度指令，并發出聲光報警信號以及震動報警，還可監測消防員和氧氣瓶的狀態信息并產生相應的報警信息。短距離通信采用433 MHz，遠距離通信以GPRS的方式傳輸到指揮管理系統。

③利用可拔插的標簽，以便實現一人一標，一套設備多人共用，只要插入標簽設備就和人員對應。

④智能正壓式空氣呼氣器增加了壓力傳感器以及無線傳輸。

圖1 系統結構框圖Fig.1 Structure of the system

2 系統硬件設計

2.1 便攜式無線監視器

便攜式儀表首先考慮功耗，同時考慮到要進行無線通信，所以選擇了TI公司的CC430芯片，其功耗僅需160 μA/MHz，并具有射頻收發功能。GPRS模塊使用了華為公司的GTM900模塊。該模塊體積小、質量輕，內嵌TCP/IP、PPP協議，便于系統設計，是一款性價比高的國產GPRS模塊，其廣泛應用于車載應用、遙控遙測、遠程抄表、安全監控等多設備連接應用以及其他移動數據通信系統。選用ADI公司的ADXL345作為三軸加速計來測定姿態。ADXL345可以對高達±16g的加速度進行測量，并且分辨率高達13位。溫度傳感器選擇了常用的DS18B20。外部電源作為便攜式設計，選用了可充電的4800 mAh的鋰電池供電。

2.2 智能正壓式呼吸器

MCU同樣選擇 CC430。壓力傳感器選用HM2600。該壓力傳感器響應時間＜2 ms，測量壓力的范圍可達0～40 MPa，并且工作電流＜5 mA。該壓力傳感器為數字傳感器，輸出為PWM波形，方便與單片機的連接。

2.3 頭盔顯示與報警模塊

MCU同樣使用CC430。為了減小體積和耗電，利用6個LED燈來顯示呼吸機中的剩余氣量。同時加入了一個振動器，防止消防員在復雜環境中不能發現聲光報警時，利用振動器的振動來警告消防員。

3 系統的算法實現

3.1 人體姿態判斷

人體的姿態坐標如圖2所示。

圖2 人體姿態坐標Fig.2 Coordinates of human posture

當人站立時，由于地心引力，在Z軸上會產生一個重力加速度G。當人體發生傾斜時，則在新的Z軸上測得一個新的加速度G1。根據力學原理，可得:

由于重力加速度為g，即G=g，而G1可以通過三軸加速計實時測量，所以可計算出人體傾斜的角度θ。當θ大于一個預設定的值時，可以認為是消防員已經跌倒。為了防止誤判，當θ大于一個預設定的值超過10 s后，系統會發出報警，說明消防員已經跌倒，需要救援。

3.2 人體運動判斷

人體運動和靜止可以通過以下兩種方法判斷。

一種方法是利用信號矢量大小(signal vector magnitude，SVM)來判斷。SVM的表達式為:

當人體靜止時，SVM為g;當人體運動時，SVM約為1.5g。所以可以通過設定適當的閾值來判斷人體靜止或運動狀態。

另一種方法是人在走動的時候，Z軸的g會發生周期性變化;當人靜止時，Z軸加速度會保持在g左右。因為本系統只需判斷消防員是否倒地，為了增加實時性，所以采用第二種方法進行判斷。

3.3 呼吸機剩余時間的計算

氣瓶試驗前經具有“兩站一室”條件的專業廠家進行標定，利用機械壓力表對電子壓力傳感器輸出進行參照。通過不斷減壓并記錄壓力數據和氣量已用時間，驗證氣瓶剩余氣量和可用時間算法的準確性。氣瓶可供呼吸的時間計算公式如下:

式中:Vr為氣瓶中的剩余氣量;C為氣瓶容積;P為氣瓶的工作壓力;T為剩余時間;Vc為當前氣量;Va為10 s內消耗氣量。

為了增加穩定性，10 s內消耗氣量通過濾波設定為:

式中:Vac為前10 s內的氣量。

4 系統的軟件設計

4.1 系統三個模塊的軟件設計

下位機軟件設計利用IAR對三個不同模塊進行C語言編程，設計思想如下。

圖3 便攜式無線監測器程序框圖Fig.3 Program of the portable wireless monitor

①考慮到便于設備的維護和設備通用性，一套無線設備的地址與頻段不固定。同時考慮到不同設備之間的干擾，采用自動匹配的方式。利用CC430的16個頻段和16位的地址進行隨機分配，所以兩個設備之間的沖突概率為:

發射功率限制在1 m以內，很好地保證了設備之間互不干擾。

②考慮到數據傳輸的實時性，又由于UDP協議具有資源消耗小、處理速度快的優點，所以本系統GPRS模塊之間的傳輸使用UDP協議。

③低功耗設計。綜合消防員現場情況和功耗，本系統采用每10 s發一次數據。發送端設定定時器，9 s后退出休眠，打開傳感器;第10 s發送數據，發送完后進休眠。接收端第9 s退出休眠，一直等到接收到數據再進休眠，開始計算時間。

④為了保證消防員進入火場前電子設備的電量充足，用戶在便攜式無線監測器可以查看各個模塊的電量和可供使用時間。

便攜式無線監測器程序框圖如圖3所示。頭盔顯示與報警模塊程序框圖如圖4所示。智能正壓式呼吸機模塊程序框圖如圖5所示。

圖4 頭盔顯示與報警模塊程序框圖Fig.4 Program of the helmet display and alarm module

圖5 智能正壓式呼吸機模塊程序框圖Fig.5 Program of the intelligent positive pressure respirator module

4.2 指揮管理軟件設計

上位機軟件使用 LabVIEW［7－11］進行開發。根據LabVIEW的特點，在設計時，利用圖形化語言設計界面，數據處理和算法則通過VC++編寫動態鏈接庫。

在指揮管理軟件界面，用戶可以查看呼吸機可供呼吸的剩余時間、呼吸機的壓力值、現場的溫度顯示、人體姿態的顯示和系統時間等。界面設有一個報警燈，當消防員有任何意外出現，例如倒地或者呼吸機可供呼吸時間低于5 min時，該燈就會閃爍報警，并顯示報警原因。

5 測試及結果

在本次測試中，測試條件為當機械壓力表的壓力為8.3 MPa時，人員倒地。從指揮管理軟件可以看出，壓力罐的壓力為8.31 MPa，現場溫度為27℃。從人員姿態圖可以看出消防員是倒地狀態，從而警報燈開始閃爍報警。此外，從指揮管理軟件的界面可以看出報警的產生是由于消防員倒地而產生的。

6 結束語

為改變目前每個消防員信息孤島的局面，提出一種新型消防隊員裝備信息系統。該系統在實際應用中有很大的意義，很大程度上保證了消防員的生命安全。

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