消防人員生命體征檢測系統設計

汪韜涵，郝 輝，周圩穎，徐智凡，吳有龍

（1.南京師范大學 計算機與電子信息學院，江蘇 南京 210023；2.金陵科技學院 智能科學與控制工程學院，江蘇 南京 211169；3.金陵科技學院 電子信息工程學院，江蘇 南京 211169）

0 引 言

近年我國發生多起重大火災事故，如2014 年1 月14 日浙江溫嶺市城北街道楊家渭村臺州大東鞋廠的大火、2020 年3 月30 日四川涼山州的森林火災等，導致眾多消防官兵犧牲。在復雜多變的火場環境中有多種不確定因素會危及一線消防人員的生命安全，如何保證消防員的安全，減少消防員的傷亡，在當下迫在眉睫。因此，需要研究基于多傳感器的消防人員生命體征檢測系統，實時監測消防人員的各項身體指標，以保證消防人員的人身安全[1-3]。

隨著國內科技水平的快速提高，人們越來越重視將理論用于實踐。2014 年我國地方消防總隊將消防設備與快速發展的物聯網技術結合，利用RFID、嵌入式、北斗定位以及仿真模擬系統進行設備升級[4-6]。國內中衛萊康科技公司研制了一款心電監護系統，將傳感器嵌入穿戴衣物中，實現心電傳感器與穿戴衣物的結合設計；此外，還實現了消防員生命體征監測系統，包括消防員可穿戴設備，如智能手環、腰部通信設備以及后臺指揮系統[7-9]。國外也有不少此方面的研究，英國SOLO 公司對現有消防裝備進行升級，推出SOLOunifit多功能消防頭盔及頭盔式熱像儀等一系列多功能集成消防裝備，2018 年美國開發出C-Thru 消防頭盔，可以讓消防人員在充滿濃煙的火場中獲得清晰的視野，保證消防人員能迅速地完成營救任務[10]。

為保障消防人員的生命安全，設計并實現一套基于多傳感器的消防人員生命體征監測系統，其中包括可穿戴硬件設備、Visual Tools 可視化大屏、后臺數據管理系統，可實現有效監控。系統通過STM32 單片機集成外部傳感器實時讀取消防人員生命體征數據，包括溫濕度、心率、血氧飽和度、有害氣體濃度和消防員位置信息。通過4G 通信傳輸給服務器，用MySQL 數據庫進行存儲并將數據展示到可視化大屏上，達到實時監測消防員的目的。后臺管理系統進行數據分析，判斷消防員的生命體征狀態，如果發生異常，管理員可通過地圖頁面精確定位消防員的位置并及時進行救援。

1 系統設計

基于多傳感器的消防人員生命體征監測系統由消防員、硬件設備、監控系統、管理系統、監測員和管理員組成。系統總體設計如圖1 所示。

圖1 系統總體設計

系統采用STM32F407 單片機外加DH11 溫濕度傳感器、MAX30102 心率血氧傳感器、有害氣體傳感器、北斗定位模塊和EC20 模塊進行數據采集傳輸。消防員將設備穿戴在身上，采用DH11 溫濕度傳感器來感知消防員周邊環境溫度和濕度，通過單總線的方式將數據發送給主控芯片；MAX30102 心率血氧傳感器通過I2C 通信方式將消防員的心率血氧數據傳給主芯片；有害氣體傳感器將讀取的高低電平信號傳送給主控芯片，以此區別是否存在有害氣體；北斗定位模塊將消防員的經緯度信息通過串口通信方式發送給主控芯片，主控芯片將數據打包成JSON 格式，通過EC20 模塊將數據發送到服務器上并由MySQL 數據庫存儲。

后臺管理系統連接數據庫對數據進行分析，設備數據頁面展示設備全部數據，消防員信息頁面展示消防員個人信息及設備ID，預警頁面將數據庫中的數據取出進行判斷，如果數據超出預設閾值則顯示異常，消防員位置信息頁面通過查詢數據庫取出經緯度數據，調用百度地圖API 定位消防員位置。Visual Tools 可以通過儀表盤、滑動表格和地圖組件實時監測消防員的狀態。

2 硬件設計

2.1 硬件總體設計

系統通過STM32F4 單片機連接外部傳感器實現實時讀取相應數據并將數據傳輸給單片機進行處理和存儲；利用該開發板配合外部傳感器（溫濕度傳感器、心率血氧傳感器、有害氣體傳感器、北斗定位模塊）可以實現對消防人員生命體征數據進行實時采集。通過北斗定位模塊獲取消防員的位置信息并上傳到后臺管理系統用于搜救消防員定位。消防員可將硬件設備穿戴在身上，并為每位消防人員分配唯一設備ID，便于管理員區別每個消防員的生命體征數據和在發生意外時及時營救消防員。

2.2 主控開發板

系統硬件設計采用STM32F407 為主控板，用來接收和處理傳感器感知的消防人員生命體征數據。主控板硬件實物和傳感器實物分別如圖2 和圖3 所示。打開主控板開關，指示燈亮起藍燈時溫濕度傳感器、心率血氧傳感器、有害氣體傳感器、北斗定位模塊和EC20 模塊開始初始化；初始化完成后所有傳感器開始采集數據，由STM32 主控芯片接收溫濕度、心率、血氧、有害氣體和經緯度數據，將數據轉換為能夠被數據庫存儲的格式，通過EC20 模塊傳輸到服務器，服務器接收數據并存入數據庫。

圖2 STM32F4 開發板

2.3 溫濕度模塊

生命體征監測系統選擇的溫濕度傳感器型號為DHT11溫濕度傳感器。溫濕度傳感器輸出信號以高低電平的方式輸出，通信方式兼容單總線方式和I2C 方式，支持溫度、濕度同時采集，且體積小、靈敏度高、易集成。在系統中溫濕度傳感器采用單總線通信方式，其輸出的數據包由40 bit 數據組成，數據包括整數部分和小數部分，數據格式為：8 bit 濕度整數部分+8 bit 濕度小數部分+8 bit 溫度整數部分+8 bit溫度小數部分+8 bit 校驗和。

2.4 心率血氧傳感器

MAX30102 心率血氧傳感器將脈搏血氧檢測儀和心率監測模塊集成到一起。模塊供電電壓為1.8 V，集成了光電檢測器使其具有環境光反射特性。將其連接到STM32 主控板上，消防員通過穿戴設備將傳感器貼合在手腕處即可采集消防員的心率血氧數據，通過I2C通信將數據傳送到STM32主控芯片。

2.5 氣體傳感器

MQ7 一氧化碳傳感器的特點是低成本和高靈敏度，集成SnO2模塊。SnO2的特點是電導率低，可以利用其這一特點來檢測一氧化碳濃度。氣體傳感器檢測一氧化碳濃度的原理為利用高低溫循環檢測，傳感器的電導率取決于空氣中一氧化碳的濃度，濃度越高電導率越高。

2.6 無線通信模塊

EC20 是一款帶分集接收功能的無線通信模塊，支持LTE-FDD、DC-HSPA+、EDGE、GPRS 等網絡數據連接，供電電壓在3.3～4.3 V范圍內；FDD：最大上行速率為50 Mb/s，最大下行速率為150 Mb/s；TDD：最大上行速率為35 Mb/s，最大下行速率為130 Mb/s；支持TCP/UDP 等協議。

3 功能闡述

3.1 Visual Tools 監測頁面設計

利用Visual Tools 提供的組件設計基于多傳感器的消防人員生命體征監測系統的監測頁面。消防員執行任務時監測人員通過大屏幕監測消防員生命體征數據，包括溫濕度、心率血氧、有害氣體和位置信息，利用儀表盤組件和地圖組件使數據更客觀，滑動表格顯示預警信息，儀表盤數據以每2 s 一次實時查詢數據庫最新數據，保證數據的時效性，達到實時監測的目的。若數據發生異常，則在后端進行判斷，然后顯示到前端頁面。

3.2 后臺管理系統設計

基于多傳感器的消防人員生命體征監測系統的后臺管理系統采用SSM 框架搭建。后臺管理系統主頁如圖4 所示。系統主要包括4 個頁面，分別是設備數據、消防員信息、預警信息、消防員位置信息。設備數據頁面查詢設備全部數據；消防員信息頁面顯示消防員主要信息；預警信息頁面對查詢到的數據進行閾值判斷，如果出現異常數據則顯示某項數據異常，以便監測人員判斷消防員是否出現生命危險；消防員位置信息頁面利用百度地圖查看消防員的具體位置，如圖5所示。

圖4 后臺管理系統主頁

圖5 位置信息頁面

3.3 通信協議

MQTT 協議是以TCP/IP 為基礎的消息發布/訂閱傳輸協議，提供有序、無損、雙向連接。MQTT 協議實現需要客戶端和服務器端，在協議中客戶端可作為發布者和訂閱者，服務器端作為代理。MQTT 協議數據包格式為固定頭、可變頭和消息，通信原理如圖6 所示。

圖6 MQTT 通信原理

4 可視化數據大屏

可視化大屏功能是將設備日常數據以可視化形式在大屏上展示，實現對溫濕度、心率血氧、有害氣體和位置信息狀況等信息進行實時匯總和數據顯示。主要采用Visual Tools進行數據大屏開發。其中的組件、數據等資源豐富，代碼開源，便于數據大屏的開發。該設計可以將整個網站的數據通過可視化大屏的方式呈現，能夠實時地展示消防人員生命體征的變化，方便管理人員能夠快速找到需求的數據。Visual Tools監測頁面如圖7 所示。

圖7 Visual Tools 監測頁面

5 結 語

本文基于多傳感器設計了消防人員生命體征監測系統，整個系統采用的技術主要包括STM32 單片機、傳感器技術、4G 通信技術、MQTT 協議、JAVA 開發、北斗定位技術。利用相關技術實現了對消防人員周邊環境的溫濕度、有害氣體濃度和個人心率血氧飽和度以及位置信息的采集。數據通過監測頁面顯示給監測人員，達到實時監測消防員生命體征的目的。如果發生異常，則通過定位消防員位置及時進行救援，能夠提高消防員在執行救援任務時的效率，進一步保證消防員的生命安全。