消防員體能預警系統硬件設計

姜文濤　陳昌　蔡燕

摘 要： 針對傳統消防服應用中存在的問題，設計一種基于ZigBee的消防員體能預警監測系統。系統完成了消防員人體關鍵生理信息及位置信息的實時采集與監測，并給出預警信號，避免因決策延誤而導致最佳救援時間的喪失。為了進一步提高信息傳輸的及時性和可靠性，系統采用分布式融合算法進行數據傳輸，使消防員的人身安全得到了更大保證。實驗結果驗證了系統硬件設計方案的有效性與可行性。

關鍵詞： ZigBee； 監測系統； 融合算法； 消防服

中圖分類號： TN99?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）20?0056?05

Abstract： Aiming at traditional fireman uniform′s defect in application， a kind of physical stamina warning system based on ZigBee for fireman was designed. The system has acquisition and monitoring functions of the key physiological information and location information， and can emit an early warning signal to avoid the optimal rescuing time loss caused by decision delay. In order to improve the real?time performance and reliability of the data transmission， the distributed data aggregation algorithm is adopted in the system for data transmission， so that the personal safety of firemen is further guaranteed. The experimental results verifies the effectiveness and feasibility of the system hardware design， low transmitting error rate， good robustness and other significant characteristics.

Keywords： ZigBee； warning system； data aggregation algorithm； firefighter uniform

0 引 言

目前我國消防服的研發比較落后，與發達國家的差距較大，消防服主要依賴進口。隨著我國高層和封閉式建筑的增多，導致消防救援難度加大，保證消防員人身安全和提升消防服的服用性能成為重中之重[1?3]。基于此，本文設計實現了基于ZigBee的消防員智能體能預警系統。該系統可以完成消防員所處火場環境和位置，以及消防員的人體關鍵生理信息的采集并通過無線方式傳輸到監測顯示終端和智能手機。生理信息采集節點由2節1.5 V充電電池供電，控制器與傳感器以可穿戴為設計前提且均采用低功耗芯片，解決了節點續航問題。利用該系統可對消防員的人身安全起到全方位監測作用，提升了人身安全系數與服用性能，在消防員工作效率與生命保障方面達到國際先進水平。

1 系統總體結構

智能消防員的體能預警系統主要依據信息處理與無線傳輸技術，通過在消防服中嵌入傳感器，感知火場環境、位置以及實時監測消防員體能狀況，可使消防員最大程度地避免傷害發生[4?8]。本系統由生理信息采集節點、路由節點、協調器節點、監測顯示終端和智能手機五部分組成。系統采用基于ZigBee的無線網絡傳輸技術，設計了如圖1所示的系統結構圖，其中消防員1，消防員2，消防員3代表三個人體生理信息采集節點，實際應用中采集節點數量更多。

2 系統硬件設計與實現

本系統硬件節點包括生理信息采集節點、路由節點和協調器節點。其中路由節點和協調器節點的硬件核心都是生理信息采集節點去掉相關傳感器后的ZigBee無線通信模塊；軟件實現方面也與生理信息采集節點相同。下面重點講述生理信息采集節點和協調器節點軟硬件設計與實現。

2.1 生理信息采集節點設計

本文設計的生理信息采集節點以TI單片機MSP430G2553為控制核心，由溫度檢測模塊、心率檢測模塊、一氧化碳濃度檢測模塊、摔倒檢測模塊、GPS定位模塊組成，采集到的生理信息通過協調器節點傳送數據到監測顯示終端，最終由監測顯示終端實時監測消防員的體能等狀況。同時編寫了手機APP可以智能移動化的監控消防員的身體特征及消防員所處環境情況，在一些特殊情況下可以快速，方便地對消防員身體特征及環境情況進行實時監控。本系統的生理信息采集節點結構如圖2所示。

控制器接收各個傳感器采集到的生理數據，數據通過串口傳送給與之相連的無線通信模塊，在通過ZigBee無線傳輸方式把采集到的數據傳送給路由器節點。系統采用GPS模塊BD?126實時跟蹤消防員位置，該模塊不需要通過ZigBee進行數據傳輸，它利用自帶的無線信號傳輸模塊即可直接把消防員所在地理位置發送到路由器節點。

2.1.1 溫度檢測模塊

溫度檢測模塊選用的是MLX90615，模塊具有的優點：測量精度相對較高，而且在測量時不會影響周圍溫度場的分布；采用非接觸式測量方式測量體溫，這樣就不會為消防員運動帶來不便；另外模塊的靈敏度較高，在測量一些時刻變化的數據時有非常大的優勢。數據讀取的流程圖如圖3所示。

由流程圖可知，其數據讀取方便簡潔，作為復雜系統中的一部分，不會占用太多的FLASH，并且其外圍電路及其簡單，非常符合低功耗設計和可穿戴式設計理念。endprint

系統軟件設計上采用補償的方法減少MLX90615測量的誤差，使用Lagrange插值多項式優化測量的結果[9]。

（4） 最后由[f（x）≈L]得到結果，停機。

測量50組的測量值和真實值[（xi，yi）]，按照Lagrange插值多項式擬合出輸出多項式f（x），實際測量結果精度在[±0.1]左右。

2.1.2 心率監測模塊

心率監測部分采用的模塊是SON1303，其在測量人體心率方面性能非常優越。SON1303采用光電傳感器技術來測量人體的心率，可以檢測微弱的脈搏信號，其利用內部特有的傳感器過濾掉不需要的光源，僅把需要的綠光留下。綠光相比于其他光譜來說波長比較短，更加容易被捕捉到，然后通過對綠光的檢測分析，確定人體的心率，因此心率采集具有非常高的精度。圖4為SON1303實物圖。

SON1303在硬件設計上的優勢是沒有晶體，也沒有CPU或處理器，僅需要幾個運算放大器即可工作，因此它廣泛應用于各種便捷式設備中。即使是劇烈的運動，也不會對其有任何干擾，這一特性非常適用于頻繁跑動消防員的心率采集。在電路調試過程中，電阻與電容的匹配是心率監測能否成功的關鍵，經過反復試驗，系統電阻和電容的選取分別為490 Ω和0.01 μF。濾波放大電路選用的運放為NE5532，該運放是一種雙極性運放，其具有高性能低噪聲等特點，這些特點使其非常適合心律信號雜波的濾除。

2.1.3 一氧化碳濃度監測模塊

在火場救災時，一氧化碳是威脅消防員安全的重要因素，MQ?7氣體傳感器可及時幫助消防員檢測周圍環境的一氧化碳濃度，保證消防員安全。傳感器模塊實物如圖5所示，該傳感器具有靈敏度高，且可實現多種不同氣體中含一氧化碳的濃度的檢測。當一氧化碳濃度沒有達到足以危害消防員身體健康時，MQ?7數字接口DO輸出高電平，而與此同時，與其所對應的模擬接口AO輸出的電平大約在0 V；而當一氧化碳濃度逐漸增大時，模擬接口AO的電平會逐漸增大，當濃度超過系統所設定的閾值時，數字接口DO的電平會置低。因此可以通過設定閾值來判斷一氧化碳濃度是否對人體有害，而且可以通過模擬接口AO來計算具體的濃度。傳感器內有一個負載電阻[RL]，其有效電壓信號輸出可以得到[VRL]，并且同時產生表面電阻[RS]，其三者之間的關系如下：

2.1.4 摔倒檢測模塊

摔倒檢測單元由放在人體三個不同部位的加速度傳感器測量結果判斷消防員是否摔倒，如果摔倒后并沒有再站起來，證明消防員已經受傷，這時應采取必要的急救措施，因此摔倒檢測單元給了消防員最直接的保護。控制器通過3線SPI接口訪問加速度傳感器ADXL345，實物圖如圖6所示。由于傳感器輸出為數字方式，無需提供ADC接口，進一步提高了測量精度。ADXL345的集成式存儲器管理系統采用一個32級先進先出（FIFO）緩沖器進行數據存儲與讀取，支持基于運動的智能電源管理，并以極低的功耗進行閾值感測和運動加速度測量，從而將控制器運行負荷降至最低。ADXL345測量加速度的最高分辨率可達±16 g，其比例系數為4 mg/LSB，能夠分辨僅為0.25°的傾角變化，而且其外形小巧輕薄，還提供一系列特殊的感測功能，完全滿足消防員身體位置的測量要求。

本文中加速度傳感器與控制器采用3線SPI方式通信，控制器讀出加速度計處于不同位置時其XYZ軸的加速度，并計算兩次采集的加速度的偏差，通過對偏差值的判斷，確定人物狀態，最終判斷消防員是否摔倒。

在系統中設定摔倒時間為1～3 s，首先判斷3 s后人體的狀態，如果在摔倒延遲3 s后，人沒有動作，則認為人已昏迷，需要報警；如果在摔倒后3 s內加速度偏差大于一定值，則認為摔倒對人沒有損傷，不報警（即摔倒延遲3 s后，加速度大于規定的昏迷加速度值10次，則認為人沒有損傷，清除標志位）。

2.1.5 GPS定位模塊

上面所述模塊可以實時監測消防員的身體指標，以便在消防員出現危機時可做出及時的救助。但消防救援工作所處的環境極其復雜，在建筑物內搜救范圍相對較小，對消防員的救助還是會比較順利。如果在森林或者地震災區，搜救一個受傷的消防員會是一件非常困難的事，本系統為在這種環境中執行任務的消防員配備了GPS定位模塊，這樣即使范圍再大，系統也會對消防員所處的位置了如指掌，搜救會變得非常順利。

系統所選用的GPS模塊為GPS北斗雙模模塊BD?126，該模塊完美的支持北斗二代衛星，具有全方位定位功能，它現在是許多定位系統終端的不二之選，性能可以說非常強悍。BD?126模塊如圖7所示。

2.2 協調器節點設計

生理信息采集節點、路由節點以及協調器節點均包含ZigBee無線通信模塊。在本系統中無線通信模塊可以作為協調器節點與路由節點的硬件。系統選用的ZigBee無線模塊為CC2650，CC2650 器件是一款面向 Smart，ZigBee和 6LoWPAN，以及 ZigBee RF4CE 遠程控制應用的無線MCU。此器件屬于 CC26xx 系列的經濟高效型超低功耗2.4 GHz器件，它具有極低的有源 RF 和 MCU 電流以及低功耗模式流耗，可確保卓越的生理信息采集節點電池使用壽命，非常適合消防員體能預警系統使用。該無線設備還包括一個數據包過濾和地址識別模塊，進一步優化了數據傳輸的準確性[10?13]。該模塊組成如圖8所示，包括CC2650射頻電路、程序下載接口、顯示模塊、各類通信接口等。協調器節點與生理信息采集節點、路由節點相比多了顯示模塊和WiFi通信模塊。通過液晶顯示模塊用戶可直接觀察系統的網絡結構。協調器節點軟件實現按功能模塊劃分為：無線網絡建立模塊、路由節點管理模塊、數據接收與發送模塊、網絡結構顯示模塊。無線網絡建立模塊使用ZigBee通信協議，首先配置無線網絡參數，然后尋找可利用信道，建立網絡，最后允許其他節點加入。路由節點管理模塊負責給節點分配地址，使整個網絡具有自愈性和自適應性。數據接收與發送模塊將路由節點發來的消防員生理信息數據進行接收、整理，然后通過WiFi發送到上位機監測顯示終端和智能手機。endprint

大量數據同步傳輸易造成頻繁碰撞，出現頻繁重傳現象，導致無線通信質量下降，信息收集的及時性得不到保證。為了避免這個問題，系統中采用分布式數據融合[14?15]，即利用生理信息采集節點自身的計算、存儲能力處理數據以進行數據融合，進而減少傳遞到路由與協調器節點的數據量，去掉冗余數據包，降低系統電能的消耗，增強數據收集準確性以及提高數據收集效率從而延長傳感器的生命周期。

3 實驗結果及分析

經過實際的調試和研發，本系統已經在實驗室完成了2名消防員體能預警系統的建立，消防服整體實物圖如圖9所示。

目前，市場上針對智能消防服的產品寥寥無幾，本系統借鑒了國內外先進消防服的設計經驗，開發出基于ZigBee消防員體能預警系統，具有以下幾點特色和創新。

（1） 經實驗測試，本系統具有較準確的測量結果，且抗干擾性、適應性很強。系統在僅由2節1.5 V電池供電的情況下，生理信息采集節點可正常工作1.8個月以上。

（2） 系統采用模塊化設計軟硬件，同時裁剪協議棧，使整個系統具有超低功耗性能。軟件采用中斷?喚醒模式，可以最大限度地降低功耗，延長網絡壽命。

（3） 相對于傳統的消防服，本文設計的基于ZigBee的消防員智能體能預警系統，可以完成消防員所處火場環境和位置及消防員的人體關鍵生理信息的采集，并通過無線方式傳輸到監測顯示終端和智能手機，具有更好的實用性。

（4） 系統創新地利用lagrange插值多項式方法和分布式數據融合算法，從軟件角度提高了網絡的使用壽命和數據傳輸的準確性。

4 結 語

本文采用無線傳感器網絡技術、傳感器技術、嵌入式技術和計算機技術構建智能消防員體能預警系統，實現對多名消防員的重要生理信息進行采集、展示、存儲和預警。測試結果表明，該系統具有成本低、低功耗、測量準確等特點，很適合消防員在樓宇和森林等救火場合中使用，具有較好的經濟效益和社會價值。

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