消防員空氣呼吸器實時監測系統的設計

李 增，裴建國，朱紅偉，馬曙光

（中國人民武裝警察部隊學院 河北 廊坊　065000）

消防員空氣呼吸器實時監測系統的設計

李 增，裴建國，朱紅偉，馬曙光

（中國人民武裝警察部隊學院 河北 廊坊065000）

為了保障在災害現場實施搶險救援作業的消防員的個人安全，設計了基于Android平臺的空氣呼吸器實時監測系統，主要包括氣體壓力傳感器測量系統，數據服務器和移動指揮平臺，實現將災害現場消防員空氣呼吸器狀態信息實時、不間斷地傳輸到后方指揮中心和一線指揮員的便攜式指揮平臺，輔助指揮員決策，提高指揮自動化水平。

呼吸器；信息；測量；消防；傳輸

正壓式空氣呼吸器是消防員進入火災現場，特別是處置危險化學品、天然氣泄露時所必須佩帶的個人防裝備，為保障消防員的人身安全發揮了重要作用，常用的氣瓶壓力為30 MPa，容量6.8 L或9 L，標稱時間60～90 Min，但是由于肺活量的差異，運動狀態的不同，使得正壓式空氣呼吸器的使用時間因人而異，同一個人，跑步或者靜止狀態下使用時間也不相同，這就造成了指揮員很難掌握每個人的具體情況，無法有效指揮，組織救援行動，也不能第一時間命令那些空呼容量用盡達到報警閾值的消防員及時撤出。特別是在消防員被困或者迷路的情況下，因空呼用盡施救不及時而造成消防員犧牲慘劇時有發生。

隨著技術的發展，把消防員的空氣呼吸器狀態信息及時采集、傳輸到后方指揮中心和前沿指揮員，根據消防員實際使用情況實時更新使用時間，能夠有效輔助指揮員決策，提高指揮自動化水平，保障消防員人身安全［1］。機處理及低功耗藍牙無線收發器，基于Android系統的數據中繼轉發平臺，支隊數據服務器和移動指揮平臺。設計系統框圖如圖1所示。

單兵終端包括固定在氣瓶終端氣體壓力感知摸塊和數據中繼轉發平臺，數據中繼轉發平臺依托消防員配備的防暴手機，在此基礎上進行軟件開發設計、通過藍牙無線互聯氣瓶壓力感知終端［2］，并把所測數據通過3G通信的方式傳輸到現場支隊數據服務器。支隊數據服務器通過網關和防火墻與3G公網互聯，用于緩存數據，便攜式移動指揮平臺采用平板電腦，集中顯示每個消防員氣體壓力參數。人機交互，輔助現場指揮員決策。

2　硬件系統的設計

1　系統設計

消防員搶險救援的場所包括建筑物內部、地下空間、隧道等場所，目前3G公網信號基本都能實現這些場所的覆蓋。根據系統設計的需求，結合實際情況，本系統主要包括如下幾部分：PT500-500氣體壓力傳感器及外圍電路設計，單片

硬件系統的設計以MSP430F2249單片機為控制核心，包括前端信號采集，放大電路，后端的藍牙數據傳輸摸塊，系統的整體框圖如圖2所示。

PT500-500系列氣體壓力傳感器器采用高精度高穩定性電阻應變計/擴散硅晶體/陶瓷晶體等做為感壓芯片，貼片工藝，配套帶有零點、滿量程補償，溫度補償的高精度和高穩定性放大集成電路，輸出4～20 mA微電流，測量壓力可達60 MPa，滿足最大30 MPa的測量需求。

圖1　系統設計框圖Fig.1　Structure diagram of the system

圖2　硬件系統框圖Fig.2　Hardware diagram of the system

負載電阻800 Ω，轉化為響應的電壓信號，第一級放大電路采用AD620放大器，傳感器測得的電流信號轉化為電壓信號后放大10～1000倍，根據實際情況調整合適的放大倍數后經過電容C6實現直流分量和交流分量的分離，交流分支進入二級放大機構進行再次放大，而直流分量直接進入MSP430F2249的AD采樣模塊AD0，用于測量氣瓶壓力的平均值，模擬信號通過經過OP07放大濾波后進入單片機AD轉換器的AD1，用于氣瓶壓力的波動值，最后實測值為兩者之間的疊加，如圖3所示。

MSP430F2249是MSP430系列單片機之一，內置16位AD轉換模塊和兩個定時器，主要完成數據的AD采樣，單片機內部的初始化和傳輸模塊CC2540寄存器的設置以及發射、接受數據的讀寫操作。

CC2540是TI公司單模低功耗藍牙芯片，內置51單片機內核，能夠實現對數據的初步處理。第一步：以1 000個數據信息為一個處理周期，對這1 000個值取平均值，濾波，并降低數據的更新次數，因為系統對數據得更新頻率要求不要，0.5～1次/秒即可；第二步：據信息進行判斷，如果信號不屬于正確氣瓶壓力傳感器范圍，則拋棄這段數據不處理，反之推送到藍牙模塊的緩沖區傳輸到Android數據中轉發平臺。Android手機中轉平臺設置報警門限5MPa，一旦低于該值，則報警。

圖3　氣瓶壓力傳感器二級放大電路Fig.3　Two level amplifier circuit of air press sensor

3　系統的軟件設計

軟件主要包括Android數據中繼轉發平臺和移動指揮平臺的設計，Android數據中繼轉發平臺依托消防員配備的防暴手機（Android平臺）［4］，以藍牙的方式接收氣瓶壓力數據，加上數據的報頭，報尾，組成F5+5F+數據+5F+F5幀結構，打包后以3G通信的發方式發送到后方指揮中心數據服務器，后方指揮中心數據服務器緩存后再以3G無線通信的形式發送到前沿指揮員的移動指揮平臺，移動指揮平臺采用防暴處理并加固后的平板電腦，7～8寸，Android系統，主要完成對氣瓶壓力數據的顯示，并根據最近1分鐘消防員的空呼使用情況，估計余量的使用時間，一旦時間低于10 Min，5 Min，以不同的報警音進行提示，輔助指揮員采取相關措施。兩者都在Android應用的專業開發環境Eclipse基礎上使用java語言進行界面和數據傳輸，處理的開發，程序流程如圖4所示。

Android數據中繼轉發平臺和移動指揮終端的定時器為1 000 ms，即數據以1次/秒的頻率進行更新，保證前沿指揮員能夠及時獲取室內搶險救援作業消防員的空氣呼吸器狀態信息，一旦超過預先設置閾值，移動指揮平臺則發出特定聲音或以特定頻率閃爍來提醒指揮員，而Android數據中繼轉發平臺，即智能手機以震動的方式通知消防員［5］。

圖4　通信終端和指揮平臺軟件設計程序流程圖Fig.4　Program flow chart of communication terminal and command platform

無論是Android數據中繼轉發平臺和移動指揮終端，數據的操作（包括發送和接收）都是非常耗時的過程，為了保證用戶體驗，在編程的過程中必須開辟單獨的接收和發送數據線程，接收數據線程的部分代碼為：

這部分是操作藍牙和3G適配器傳輸訪問發送和接收緩存的代碼，其中mmInStream和mmOutStream是Android Socket通信模型中InputStream和OutputStream的實例化對象，它們通過調用Socket模型中read（）和write（）方法，實現數據的讀寫。

4　實驗數據及結果

PT500-500系列氣體壓力傳感器由于受到溫飄、零飄等因素的影響，其傳感器有一定的非線性，實驗測得，該壓力傳感器在2～35 MPa區間，線性度都比較好，如圖5左圖所示。較好地滿足了30 MPa量程的測量要求。移動指揮終端除了顯示空氣呼吸器的壓力，余量使用時間，還可以顯示消防員的基本信息，包括姓名、性別，所所屬機構，以及消防員的生命體征信息，如圖5右圖所示。

5　結　論

圖5　PT500-500壓力傳感器線性特性和數據顯示界面Fig.5　PT500-500 pressure sensor characteristic and Data interface

本系統中設計的氣體壓力傳感器測量裝置安裝在在消防員佩戴的正壓式呼吸器的末端［6］，采用干電池供電，開機后自動掃描并建立傳輸鏈路，能夠將氣瓶壓力參數實時傳輸到后方指揮中心和前沿指揮員手里，輔助指揮決策，提高指揮自動化水平。

［1］唱歡歡.基于GSM模塊的體溫和脈搏數據采集系統設計［D］．哈爾濱：哈爾濱理工大學，2011．

［2］趙文麗.便攜式生命體征動態監測儀設計［J］.電子設計工程，2015，23（2）：130-133.

［3］朱宇，齊樂.基于智能手機的Holter系統［J］.電子設計工程，2015，23（2）：130-133.

［4］鄒輝林.脈搏信號遠程自動監控器系統原型研究 ［D］.廣州：華南理工大學，2011.

［5］李國輝.自給正壓式空氣呼吸器應用研究［J］.消防技術與產品信息，2011，6（20）：16-44.

［6］梁衛國.淺議空呼使用時間的有效控制［J］.中國教育技術裝備，2012，267（9）：103-104.

Positive pressure air breathing information real-time collection system

LI Zeng，PEI Jian-guo，ZHU Hong-wei，MA Shu-guang
（The Armed Police Academy，Langfang 065000，China）

In order to protect the firefighters working on disaster scene，positive pressure air breathing information collection and transmission system based on Android terminal is designed，which including air press sensor terminal，data servers and portable command platform.As a result，information of positive pressure air breathing parameter are transmit to command center and commander on site real-time and uninterrupted，playing an important role on decision-making reason，and the level of automation of command is improved.

disaster；information；collection；fire；transmission

TN923

A

1674-6236（2016）03-0190-04

2015-05-04稿件編號：201505011

公安部應用創新計劃項目（2014YYCXWJXY60）

李 增（1982—），男，河南鄧州人，博士，講師。研究方向：消防通信。