基于物聯網的滅火防護服監測系統設計與實現

張偉 徐暉 陳馥婧

摘要：本文提出了基于物聯網技術的滅火防護服監測系統，該系統在傳統的滅火防護服中嵌入各類傳感器，來監測火場環境信息。這些重要的信息通過無線網絡傳輸到消防通信指揮系統，在上位機界面直觀顯示，對處于危險之中的消防員，指揮中心快速做出反應，為消防指揮調度提供參考依據。

關鍵詞：物聯網;消防員;滅火防護服;監測系統

隨著社會經濟的快速發展，人口與建筑密度日益增大，火災發生率越來越高，撲救難度也越來越大。據應急管理部消防救援局統計，2005-2013 年，我國消防部門在滅火救援中共發生 70 起消防員傷亡事故，造成85名消防員死亡，其中爆炸、中毒、轟燃、坍塌事故占83% ，消防員傷亡事故受到了社會各界的廣泛關注。隨著信息與通信技術的發展，尤其是短距無線通信技術的進步，給火災現場信息識別與傳輸帶來了新的發展機遇，為消防員安全進行滅火作業提供了有力的信息支持。滅火防護服作為保障消防員生命安全的重要防護裝備之一，應該通過技術手段進行革新和升級，朝著智能化方向發展，成為指揮員獲取火場環境信息、消防員身體健康狀況和潛在危險因素的重要手段。

一、智能滅火防護服監測系統的功能

智能滅火防護服系統除了具備基本的防護功能外，還應滿足探測感知周圍的環境信息、傳輸數據、終端可視化等功能，具備數據驅動、精確供給、開放延展、多員互聯和動態適應等典型特征。

（一）感知功能

智能滅火防護服要具備感知功能，通過在服裝的外層和內層集成了多種傳感器等硬件設備，來監測周圍的環境信息（火場溫度、一氧化碳濃度），消防員生命體征信息（體溫、心率、血壓）和位置信息（站立、摔倒），實時感知存在的潛在危險。

（二）反饋功能

設置在服裝內部的處理器將傳感器收集到的信息進行加工處理，通過短距離通信設備對數據進行傳輸，在消防指揮中心上位機上直觀顯示。

（三）決策功能

將PC端獲取的監測數據，通過多源信息融合技術來綜合評估和判定消防員的身體健康狀況和火場環境的危險程度，為指揮員合理運用滅火戰術、科學決策提供理論依據。

二、智能滅火防護服監測系統框架

智能滅火防護服監測系統主要由硬件和軟件兩大部分組成，包括信息感知模塊、無線通信模塊、可視化模塊和多源信息融合模塊，通過各子系統之間相互作用與聯系，數據實時有效的傳遞，經過多元融合算法來將各種風險因素進行綜合分析，評估消防員面臨的環境危險和健康狀況，并在指揮平臺上直觀顯示給出決策信息，總體框架如圖1所示。

（一）信息感知模塊

1.傳感器

獲取火場信息的最好工具是傳感器，傳感器是一種能夠高效率、高精度、高可靠性采集各種形式信息的技術，如各種遙感技術和智能傳感技術等。智能滅火防護服將心率、血壓、體溫、CO、紅外溫度傳感器和三軸加速度傳感器集成嵌入到服裝中，來獲取消防員身體機能信息、火場環境信息和消防員位置信息。傳感器能夠將各類信息轉化為可識別的信號，發送至嵌入式處理單元對數據進行處理分析，由通信網絡傳輸到云端儲存。隨著數字化的發展浪潮和應用領域的拓展，傳感器越來越集成化、輕量化、小型化，方便其在各種領域的應用。

2.模數轉換器

傳感器將采集的大量信息通過A/D轉換器進行模數轉換。模數轉換的主要原理就是將模擬信號轉化為數字信號，經過特定的電路將模擬量轉變為數字量。A/D轉換四步驟：采樣、保持、量化、編碼。通過A/D轉換將消防員生理信息、周圍環境信息和位置信息轉化為可以識別的數字信號，為數據的分析、處理、傳輸與融合做好準備。

3.核心處理器

在信息感知模塊中，如果將傳感器比作人的皮膚和五官，那么核心處理器就是人的大腦，是整個信息感知模塊的核心部件。傳感器接收處理器的指令對各種信息進行采集，并把這些數據傳輸給處理器，處理器將信息進行分類存儲、分析和處理。存儲器里存儲著算法代碼和通信協議，處理器通過內部存儲算法解析、分析數據，通過一定的通信協議將信號發送至無線通信模塊。核心處理器是信息感知層和無線通信層之間的信息轉換樞紐，它將處理過的數據利用無線通信技術向下傳遞，并回收其他節點傳送的信息，集成的信息感知模塊由統一的電源進行供電，如圖2所示。

（二）無線通信模塊

無線通信模塊的任務是將處理單元的數據發送給指揮中心平臺，在指揮終端上位機中直觀顯示。為了滿足同時將多名消防員各種監測數據實時并行傳輸的要求，需要一款能夠提供多組網功能的局域網傳輸協議，ZigBee智能傳感網絡是理想的選擇，它是一種短距離、低功耗、低成本、低復雜度、抗干擾性強、布網容易的無線通信技術。針對ZigBee通信距離短，通過無線中繼器可以非常方便地將網絡覆蓋范圍擴展至數十倍，因此從小空間到大空間、從簡單空間環境到復雜空間環境的場合都可以使用。ZigBee的節點模塊通常較小，滿足可穿戴設備的基本要求，可以方便地嵌入到滅火防護服中。采集節點將獲取的信息，通過自組網絡整合到匯聚節點，匯聚節點再按照通信協議將數據傳輸至管理節點，管理節點對信息進行分析處理，并將結果通過網絡傳輸協議和自組網絡發送指令到上位機。

（三）可視化模塊

人機交互是用戶與計算機交流信息的動態過程，用戶界面是人與計算機傳遞、交換信息的媒介，是用戶使用計算機系統的綜合操作環境。為了讓各項監測數據更加直觀和方便地顯示，用戶能夠更加簡便的操作，設計了基于VB編程的上位機界面，可以實時顯示文本和圖形，監控消防員的身體健康狀況、周圍的環境和位置信息。上位機主要通過與ZigBee 路由器進行通信，獲取從滅火防護服無線傳輸的實時數據。

（四）多元信息融合

大量的實時數據在上位機上存儲顯示，要利用這些數據直觀地判別消防員是否處在危險之中，PC端自動的給出決策信息，這就需要用到多源信息融合理論。多源信息融合理論是指對相似或不同特征的多元信息進行處理，以獲得具有相關和集成特性的融合信息，重點是特征識別和算法，這些算法使得多傳感信息的互補集成，改善不確定環境中的決策過程，解決把數據用于確定共同時間和空間框架的信息理論問題，同時用來解決模糊與矛盾問題。將消防員身體健康狀況信息（心率、體溫、血壓）按照正常人體的生理指標進行融合，將環境信息（火場溫度、一氧化碳濃度）按照人救援服裝能夠抵御的溫度與時間進行融合，將所處位置信息按照人體沿三軸運動加速度進行融合，還要將這三類信息進行融合，給出消防員身體健康狀況和環境危險信息。

（五）信息應用與決策指揮

當消防員在執行任務過程中面臨潛在風險或者身體健康狀況明顯下降，而本人還沒有察覺，指揮系統上位機會立即進行報警，指揮員根據數據進行綜合判別消防員目前的狀況，并利用通信設備予以確認。如果火災現場情況十分危急，消防員處于極度危險之中，指揮員會給被困消防員下達立撤退指令，隨機派出后備小隊（RIT）予以救援。滅火防護服監測系統能夠動態、實時、精準地顯示消防員的身體狀態和火場環境信息，為指揮員的部署作戰計劃，減少人員傷亡，預知潛在的危險提供了科學決策。

三、結語

消防員經常需要在高風險的環境中作業，面臨高溫、毒氣、火焰、爆炸、建筑倒塌、體力耗盡等危險情況，指揮員能夠實時地監測、分析他們周圍的環境信息和生理健康狀況就變得非常重要。本研究是在傳統滅火防護服中集成了感知火場環境和人員信息的傳感器，將數據實時傳輸到指揮中心，采用多源信息融合的方式評估和判定消防員察覺不到的潛在風險。通過研究，闡述了滅火防護服監測系統的功能和原理，構建了整體框架和模型，闡述了關鍵技術的實現路徑，為指揮員科學部署滅火戰斗行動，減少人員傷亡提供參考和依據。

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作者簡介：

張偉（1983—），男，漢族，黑龍江哈爾濱人，講師，碩士，主要從事滅火與應急救援工作。

基金項目：

廊坊市科技支撐計劃項目“基于物聯網的智能消防服監測系統關鍵技術研究”，項目編號（2019011004）。