基于物聯網技術的智能消防頭盔研制

唐鑫　金佳旺　曹文輝　程家貴　杜宇人

摘 要：消防員在救援過程中身處危險的可能性非常大，在實際消防中，如果能夠實時了解消防現場的環境和消防員的安全狀況，消防員就能及時作出反應，避免危險發生。消防指揮員也能根據消防現場的情況，對消防進行優化調度，更好地指揮消防員；在保障消防員安全的前提下，極大可能解救災難現場，挽救生命和財產安全。文章研究了基于物聯網技術的智能消防頭盔研制，在傳統消防頭盔的基礎上，基于物聯網技術的消防頭盔由WiFi模塊、STM32處理器、環境檢測模塊、消防員體征信息檢測模塊構成。數據的傳輸和通信由WiFi模塊完成。

關鍵詞：STM32處理器；WiFi模塊；溫度傳感器

1 智能消防頭盔總體結構與工作原理

本項目硬件電路設計以STM32F103ZET6為核心進行開發，其時鐘頻率可達72 MHz，內部有電機控制PWM資源，還有溫濕度傳感器、耳道氣壓傳感器等外圍資源，電路中含有AD轉換電路、時鐘電路等，該芯片的資源完全符合智能消防頭盔的開發需求。通過溫度傳感器等采集火災現場信息，借助WiFi模塊將采集到的信息傳至消防指揮員處。通過耳道氣壓傳感器監測消防員的呼吸頻率和心率，實時監控消防員的安全。

系統結構如圖1所示，主要由STM32控制器[1]、CC3200型WiFi模塊[2-4]、DS18B20型溫度傳感器[5]、耳道氣壓傳感器構成，其中STM32控制器主要起總體控制作用，溫度傳感器用于檢測環境溫度，這些溫度信息經過單片機處理，借助無線通信的方式傳至消防管理員的電腦處。微控制器將測得的溫度信息與其預設的數值進行比較，若超過其預設的溫度，則將火災現場危險的信息告知指揮員，并通知消防員及時撤離或作出及時的應對措施。

2 系統的硬件設計

頭盔的硬件系統電路以主控制器為核心，此外還有傳感器、攝像頭、短距通信（WiFi）模塊、電源模塊等。

硬件電路框圖設計如圖2所示。

2.1 WiFi模塊

本項目采用CC3000-WG1300芯片來實現頭盔與指揮中心的數據傳輸，該芯片尺寸小、集成度高、功耗低，且數據連接穩定，內置無線網絡協議與TCP/IP協議，可實現串口到無線網絡之間的轉換，與此同時，芯片處理其他核心數據的能力也十分可觀。本芯片的主要協議為802.11b/g WiFi標準[2-4]。

2.2 溫度傳感器

本項目環境溫度測量采用DS18B20溫度傳感器，DS18B20是常用的數字溫度傳感器，其輸出的是數字信號，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。這種傳感器可直接測量周圍的環境溫度，用于本產品可大大減小編程難度，并準確地測得火場溫度[5]。

2.3 耳道氣壓傳感器

通過耳道氣壓傳感器實時測量消防員的體溫、呼吸頻率及心率，由于該傳感器通過人體的耳道測量，因此受環境溫度影響較小，測量結果較為準確，且具有體積小、功耗低、便于攜帶等優點，測量的結果可以通過單片機傳輸至主機處。

3 接收火災現場信息的軟件設計

本項目借助Visual Studio平臺，使用C#語言設計上位機[6]作為火災信息接收軟件，程序流程如圖3所示。

火災監測系統的功能主要是接收消防員的體征信息、火災現場的溫濕度信息，以及火災現場的監控攝像，將這些信息顯示在消防指揮員的主機中，并根據此時的溫濕度判斷火災現場是否會產生突發情況，若溫濕度不處于正常范圍內，則軟件中的紅燈會閃爍報警，讓消防指揮員提醒消防員及時撤離或轉移；若消防員的心率、呼吸頻率過快或過慢，軟件中的黃燈會閃爍，提醒消防指揮員及時派人營救，同時，軟件還可以接收攝像頭拍攝的圖像，幫助消防指揮員判斷火災的現場情況，防止現場的突發情況消防員無法觀察到。

4 系統測試與測量結果分析

在實驗室中，要營造真正的火災現場難度很大，因此可以通過恒溫箱或小型火源來制造高溫條件，通過這時的溫濕度來判斷火災現場是否有危險；對于消防員身體的測試，可通過耳道氣壓傳感器測試出人的心率，若人的心率超過150/min或低于50/min，則說明消防員有生命危險，軟件會閃爍黃燈。通過這種測試方法，硬件的功能測試基本能滿足，軟件就也能對不同情況下的結果作出正確反應，目前沒有異常情況出現。

4.1 溫度傳感器的測試

首先需要對溫度傳感器進行測試，將產品放入恒溫的空調房內，對房間的溫度進行測試[5]，若溫度大體一致，則該模塊正常，否則需對其維修或更換處理，測試結果如表1所示；再對WiFi模塊進行測試，通過檢測電腦與該模塊的連接匹配實現，若匹配正常，則該模塊正常。最后，對系統進行整體測試和維護。

4.2 耳道氣壓傳感器的測試

再按同樣的方法對耳道氣壓傳感器進行測試，為了保證測試結果的科學性與可靠性，我們選取不同時間段對消防員進行體溫測試，并與水銀溫度計相比較[5]，測試結果如表2所示。

[參考文獻]

[1]王曉晶，趙銀花，宋柏林，等.基于STM32生產環境監控系統[J].長春工業大學學報，2015（1）：61-65.

[2]袁修賓，茅建華，吳占傲.基于WiFi技術的實時提醒系統的設計[J].無線通信技術，2014（2）：34-37，41.

[3]LIANG M H，HE Y F，CHEN L J，et al.Greenhouse environment dynamic monitoring system based on WiFi[J].IFAC Papers Online，2018（17）：157-159.

[4]張耀峰.基于CC3200的數據采集無線傳輸系統的設計與實現[D].太原：中北大學，2017.

[5]江曉軍，王建軍，陳寶玉，等.基于DS18B20溫度傳感器的虛擬溫度指示系統[J].上海第二工業大學學報，2012（1）：7-11.

[6]申曉杰，翁惠輝.基于C#的串口通信上位機的設計與應用[J].電子世界，2014（3）：155.