智能化消防人員監控的系統設計

王慶輝， 顧胡杰， 封岸松， 魏立峰

(沈陽化工大學 信息工程學院， 遼寧 沈陽 110142)

智能化消防人員監控的系統設計

王慶輝， 顧胡杰， 封岸松， 魏立峰

(沈陽化工大學 信息工程學院， 遼寧 沈陽 110142)

設計并開發了一種用于實時監測消防員空氣呼吸器剩余氧氣量、高度、姿態等信息的系統.利用485通信實現主控板、頭部報警板與信息采集板的下位機硬件通信，通過GPRS將數據發到指揮中心，給出下位機的軟硬件設計和監控指揮中心軟件的實現方案.對實施過程中的關鍵技術，如基于三軸加速度計的運動監測和基于氣壓計的高度檢測等，進行了說明.通過上位機軟件對現場環境和消防員的實時信息進行監控.

監控系統； 高度； 運動檢測； 485通信

火災是威脅公眾安全和社會發展的災害之一，也是造成群死群傷事故的最主要災害之一.隨著城市現代化的發展，樓層不斷地加高，火災所導致的危害越來越嚴重.很多火災事故常常由于早期沒被及時發現，錯過滅火的最佳時機，引發悲劇.國內外對消防救援[1]已早有研究，例如在英國拉夫堡(Loughborough) 大學研究小組設計的系統中可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.其他這方面的研究也多存在信息采集方式不夠可靠，采集的信息尚不夠完善，對信息的處理欠缺實用性等問題，不能很好地適應當前消防救援復雜的現場狀況，由此導致的滯后性直接影響搶險救援工作的順利展開.

針對現階段消防救援的局限性，為了充分保障消防人員的生命安全，本系統從系統穩定性和傳輸可靠性出發，綜合消防現場消防人員可能突發的緊急狀況，在充分研究目前消防救援系統和綜合嵌入式技術、高度計、485通信、加速度計等技術[2]的基礎上,提出一種新型智能化消防人員監控系統[3]，引入多種消防救援中實用的功能，對消防救援用到的多種信息進行可靠的采集和傳輸，實現消防指揮中心對消防人員進行遠程監控.

1 智能化消防人員監控系統的整體方案設計

1.1 系統結構設計

智能化消防人員監控系統(如圖1所示)由消防員信息采集裝置和監控指揮中心兩部分組成.消防員信息采集裝置由消防員隨身配備，負責信息的采集和上傳；監控指揮中心負責接收并處理采集的數據，為救援調度提供決策依據.

消防員信息采集裝置由主控制板、信息采集板和頭部報警板3部分組成.

(1) 主控板集成LED數碼管、GPRS、蜂鳴器和電源管理芯片等器件，負責與監控指揮中心進行信息傳輸，控制信息采集板的信息采集和向頭部報警板發送剩余電量等一系列的控制和處理工作.

(2) 信息采集板用來接收主控板發送的控制信息，完成消防員的高度、身體姿態和氧氣瓶剩余氣體量的采集等工作.

(3) 頭部報警板用來接收主控板發送的電量剩余信息和信息采集板發來的剩余氧氣量，對接收到的氧氣剩余量用6個發光二級管進行剩余量的標定等.

監控指揮中心利用基于MSComm控件的VC++串口通信方式所編寫的上位機界面，對消防員所處的高度、人員編號、人員是否跌倒等信息進行智能化管理.

圖1 系統結構框圖

1.2 系統功能設計

針對救援現場的復雜環境和業務需求，智能化消防人員監控系統具體應具有以下功能和優點：

(1) 系統通過對消防員身體姿態的研究并結合消防營救的實地情況，將消防員的身體姿態分為靜止、活動和倒地3種狀態.

(2) 其中針對樓宇或山體等需要消防員垂直爬升的火災現場，引入高度傳感器，準確定位消防員所在的高度.

(3) 國外整個網絡都利用無線傳輸，但傳輸距離有限；本文提出利用GPRS進行信息傳輸.該鏈路穩定，傳輸距離大，覆蓋范圍廣.

(4) 針對消防現場狀況復雜、對傳輸的穩定性要求極高的特點，小范圍內采用485傳輸有線通信.整個網絡采用無線與有線結合的方式，不僅避免了小范圍內大量無線信號傳輸帶來的整個系統的不可靠性，而且又能發揮遠距離無線傳輸的優勢.

(5) 從系統的穩定性和消防員生命安全等多方面考慮，引入板間連接判斷和消防員一鍵向指揮中心報警等多種針對消防救援實際的有效機制.

(6) 當剩余電量不足時，在頭盔內間隔時間的短暫震動報警提示消防員電量剩余不足；當剩余氧氣量不足時，在主控板自動進行間隔時間的蜂鳴器報警：有效地增強了消防員對自身設備狀況的了解.

2 系統電路及硬件設計

考慮到便攜設備的低功耗要求，同時考慮到主控制板既要負責與指揮中心傳輸，又要同另外兩板通信，所以，主控制板cpu選用有兩個串口的msp430f249芯片[4]，而信息采集板和頭部報警板則選用msp430G2533芯片；這兩款芯片都是TI公司推出的超低功耗的16位單片機芯片，由5種低功耗模式相組合，可有效延長電池使用時間和電池壽命.遠距離傳輸部分采用華為公司的GTM900模塊，GTM900使用串口進行通信，既方便與單片機的連接又方便和PC機連接；并且支持GSM標志AT命令，同時支持短信以及GPRS數據業務.在電源部分，電源管理芯片選用bq24041，電源芯片使用ms1117作為穩壓芯片(3.3V)；外部電源使用便攜式設計，選用了可充電的2 400 mAH的鋰電池供電.圖2為信息采集板的設計框圖.

圖2 信息采集板的硬件設計框圖

2.1 基于氣壓計的高度檢測

將氣壓計采集出來的氣壓通過公式(1)轉化為高度，以采集初始位置的高度作為初始高度，其他采集到的數據與初始高度相減，求出消防員爬升的相對高度(如式2).

Hm=(44 330.0×(1.0-pow(p/1 013.25,0.190 295)))；

(1)

H=abs(Hm-H0)；

(2)

其中：Hm為計算出的當前高度；H0為初始高度；H為相對的樓層高度.盡管大氣壓在同一地點受溫度、濕度等因素影響，但在一段時間內，可以有效地確認出消防員的相對高度變化，實現消防員的高度定位.

2.2 基于三軸加速度計的運動監測

姿態的測量選用三軸加速計芯片ADXL345.該芯片通訊采用IIC接口，具有±16 g的測量范圍，其分辨率為3.9 mg/LSB.對于軸加速度傳感器，假設它的傳感方向和重力加速度方向一致時，為零傾斜角度，加速度傳感器測量結果為F(θ)，θ為傾斜角度，g為重力加速度，則測試結果為：

F(θ)=gcosθ

(3)

算出人體姿態角[5].因為用的是單軸判斷，對消防員每次佩戴器件有嚴格要求，為了避免因為情況緊急消防員佩戴出現錯誤，上電時將加速度計值在大于0.8 g或小于-0.8 g時的軸作為加速度傳感器測量軸，同時根據計算出來的人體傾角判斷當前運動狀態[6].

(1) 靜止狀態：采集均值小于70°且15次采集的人體姿態角差小于10°.

(2) 運動狀態：采集均值小于70°且15次采集的人體姿態角差大于10°.

監理是通過對施工單位的施工進度、質量以及成本實行控制的。所以良好的組織協調施工單位的施工過程是監理工程師工作的重點內容。在實施監理的過程中，要始終堅持實事求是的原則，在遵守規程和制度的前提下，實施科學管理。監理工程師應該在保證建設的總目標不變的前提下，平衡各方面的利益，鼓勵施工單位及時的對遇到的問題和困難、工程的實際施工狀態進行匯報，掌握一手的施工信息，對影響目標的問題進行排除。在進行協調溝通的時候應該注意分寸，使工作中的分歧技能得到有效的解決，又不影響各方的關系，主要應該最好以下幾個方面要：

(3) 跌倒狀態：采集均值大于70°.

如圖3所示為沒有經過處理的原始數據，結合測試時的運動狀態，從圖3中可以看到人開始的時候靜止不動，加速度平穩，兩次跌倒加速度值都接近于零或小于零，而活動時的加速度周期性變化.

圖3 加速度計采樣數據

2.3 應變壓力傳感器信息采集

應變壓力傳感器HM2600輸出的是PWM波形，周期為32 μs.而編碼方式是通過PWM波形的占空比來輸出的，采用的數字輸出協議的編碼為

(1) 起始位：占空比為50 %周期.

(2) 邏輯1位：占空比為75 %周期.

(3) 邏輯0位：占空比為25 %周期.

(4) 停止位：占空比50 % 1/2周期.

數據幀結構每幀為兩個字節，每個字節為10個位(1位起始位，8位數據位，1位奇偶校驗位)，在手冊中可以得到0～40 MPa對應輸出數值為1 638～14 745，其壓力對應數值按線性計算，所以壓力計算公式如下：

p=40(x-1 638)/(14 745-1 638)

(4)

其中，p為壓力瓶的壓力值，x為傳感器輸出值.

3 智能化消防人員監控系統的軟件設計

下位機軟件設計利用IAR對三個不同模塊進行C語言編程.信息采集板采用塊同步方式進行數據傳輸，以字母be標識塊的開始，然后加上發送長度，而以end為結束標識.GPRS無線通信模塊通過發送AT指令的方式建立UDP服務器[7]，實現遠距離無線通信.信息采集板和報警頭板處于休眠模式，直到接收到數據才喚醒，處理完相應操作后，又重新進入休眠模式，有效地降低了系統的功耗.其中主控板的程序框圖如圖4所示.

圖4 主控板程序框圖

4 樣機顯示描述及系統測試界面

設計的系統測試界面采用基于MSComm控件[8]的VC++串口通信[9]編寫，通過對主控板發來的信息進行分析，以最直觀的形式實時展現消防員狀態的變化.從編寫的系統測試界面可以看到人體是否倒地、人所處高度、氧氣罐剩余氧氣量等信息.基于對復雜環境清晰顯示的需求，樣機顯示僅采用數碼管來標定系統傳輸狀態，上電連接正確標定為C01，啟動GPRS數據傳輸狀態標定為C02，等待IP地址狀態標定為C03，搜索網絡并成功建立服務器標定為C04.而對于出現的連接錯誤標定為E00，接收錯誤標定為E01.

實驗人員佩戴著消防設備在實驗樓進行了實地測試，圖5為人在二樓倒地時對采集到的數據進行的顯示，從圖5中可以看到編號為63號的消防員在離初始高度3 m處跌倒，氧氣瓶剩余氧氣量為25 MPa.由于人員倒地，所以顯示紅色報警.

圖5 系統測試界面

5 結束語

主要闡述了智能化消防人員監控的系統設計和實現方案.在總結消防救援需求的基礎上，給出了系統硬件的結構性框架圖，從原理上對智能化消防人員監控系統的硬件部分進行劃分，同時給出了上位機測試界面.系統能實時監控消防員多種實際有效的個人信息，對于提高救援效率和消防人員的生命安全系數，具有重要的社會意義和應用前景.

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[3] 王慶輝,金燁,魏立峰，等.無線消防救援信息采集與監測系統[J].自動化儀表,2014,35(5):26-33.

[4] 洪利,章揚,李世寶.MSP430原理與應用實例詳解[M].北京:北京航空航天大學出版社,2010:266-283.

[5] 郭敏,尹光洪,田曦，等.基于三軸加速度計的傾斜角傳感器的研究與設計[J].現代電子技術,2010,33(8):173-177.

[6] 楊樹峰,隋虎林,李志剛.消防員生命體征監測系統設計與實現[J].消防科學與技術,2014,33(3):314-317.

[7] 馬丁.移動通信GPRS模塊應用開發分析[J].現代商業,2009(23):215，214.

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[9] 孫鑫,余安萍.VC++深入詳解[M].北京:電子工業出版社,2006:431-434.

Intelligent Monitoring System Design for Fireman

WANG Qing-hui， GU Hu-jie， FENG An-song， WEI Li-feng

(Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142， China)

A monitoring system，which is used for real-time monitoring of the residual aeration in the air respirator，posture，personnel height and other information，was designed and developed.The collecting technology RS485 is used among main control board,head alarm board and information collection board to communicate with each other.And then main control board sends the data to the command center through the telecom GPRS network.The monitoring system design give implementation scheme of lower machine design and monitoring center software.The key technologies in the process of implementing，such as motion detection based on triaxial accelerometer and height detection based on altimeter sensor were explained.The management software can monitor the scene environment and the real-time information from the firemen.

montioring system； height； motion detection； 485 communication

2014-10-30

王慶輝(1972-)，男，遼寧沈陽人，副教授，博士，主要從事智能測控技術與裝置的開發與研制和無線傳感器網絡應用技術的研究.

2095-2198(2017)02-0177-05

10.3969/j.issn.2095-2198.2017.02.017

TP274

： A