王慶輝 金 燁 魏立峰 封岸松

(沈陽化工大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142)

0 引言

目前，消防設(shè)備的電子化和信息化已經(jīng)成為趨勢(shì)［1－4］，但國內(nèi)的正壓式呼吸器的系統(tǒng)還都是機(jī)械結(jié)構(gòu)，消防員難以逃脫信息孤島的局面。

國外已經(jīng)將空氣呼吸器部分電子化，如 MSA［5］、ISI［6］等國際消防設(shè)備專業(yè)公司的空氣呼吸器，但這類呼吸器缺乏對(duì)消防員的姿態(tài)位置等信息的監(jiān)測(cè)。在英國拉夫堡(Loughborough)大學(xué)研究小組進(jìn)行的名為Secure Ad hoc Fire and Emergency Safety Network(SafetyNet)的研究中，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可獲取并提供指定地點(diǎn)的環(huán)境和險(xiǎn)情信息。但該系統(tǒng)需要預(yù)先在建筑物內(nèi)布設(shè)傳感器，這在目前的實(shí)際救援中還有些困難。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于消防救援領(lǐng)域已有很好的研究，但這些研究大都用于消防員跟蹤和搜救。

本文在充分研究目前消防救援系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將無線、GPRS、MEMS等技術(shù)進(jìn)行了整合，提出一種新型消防隊(duì)員裝備信息系統(tǒng)，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果表明本系統(tǒng)改變了消防員信息孤島的局面。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以現(xiàn)場(chǎng)救援的消防員為傳感節(jié)點(diǎn)，通過無線鏈路，與各級(jí)指揮系統(tǒng)之間形成分布式的消防智能救援平臺(tái)。在感知層，首先對(duì)傳統(tǒng)空氣呼吸器進(jìn)行設(shè)計(jì)，增加電子壓力傳感器;其次設(shè)計(jì)內(nèi)置溫度和加速度傳感器的便攜式監(jiān)測(cè)設(shè)備，使之與呼吸器傳感器接口和消防員佩戴的生命體征傳感器相連，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)消防員呼吸頻次及深度、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及姿態(tài)及氣瓶內(nèi)氣體剩余使用時(shí)間、瞬時(shí)耗氣量、火場(chǎng)溫度等信息。在傳輸層，一方面通過433 MHz網(wǎng)絡(luò)完成各功能模塊間的數(shù)據(jù)通信，另一方面采用電信GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信。在便攜式監(jiān)測(cè)設(shè)備上安裝GPRS模塊，作為感知層的網(wǎng)絡(luò)接入及信息傳輸接口。在處理層，開發(fā)了多級(jí)指揮調(diào)度系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各消防員信息進(jìn)行實(shí)時(shí)收集，指揮系統(tǒng)依據(jù)這些數(shù)據(jù)，對(duì)消防員危險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估，并為救援調(diào)度提供決策依據(jù)。

系統(tǒng)由多級(jí)指揮管理系統(tǒng)、消防員佩戴的便攜式無線監(jiān)測(cè)器、頭盔剩余氣量顯示與報(bào)警模塊和正壓式空氣呼氣器四部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。整體設(shè)計(jì)方案如下。

①利用LabVIEW進(jìn)行上位機(jī)界面設(shè)計(jì)，用戶可在界面上看到現(xiàn)場(chǎng)消防人員的編號(hào)、呼吸器可供使用時(shí)間以及姿態(tài)，可對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、報(bào)警時(shí)限等進(jìn)行設(shè)置。用戶也可實(shí)時(shí)觀察消防員的狀態(tài)信息，不僅可對(duì)消防員狀態(tài)進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控，并可根據(jù)這些信息對(duì)消防員進(jìn)行集中調(diào)度。

②無線監(jiān)測(cè)器和頭盔剩余氣量顯示與報(bào)警模塊在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)可接收指揮調(diào)度指令，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)以及震動(dòng)報(bào)警，還可監(jiān)測(cè)消防員和氧氣瓶的狀態(tài)信息并產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警信息。短距離通信采用433 MHz，遠(yuǎn)距離通信以GPRS的方式傳輸?shù)街笓]管理系統(tǒng)。

③利用可拔插的標(biāo)簽，以便實(shí)現(xiàn)一人一標(biāo)，一套設(shè)備多人共用，只要插入標(biāo)簽設(shè)備就和人員對(duì)應(yīng)。

④智能正壓式空氣呼氣器增加了壓力傳感器以及無線傳輸。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure of the system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 便攜式無線監(jiān)視器

便攜式儀表首先考慮功耗，同時(shí)考慮到要進(jìn)行無線通信，所以選擇了TI公司的CC430芯片，其功耗僅需160 μA/MHz，并具有射頻收發(fā)功能。GPRS模塊使用了華為公司的GTM900模塊。該模塊體積小、質(zhì)量輕，內(nèi)嵌TCP/IP、PPP協(xié)議，便于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是一款性價(jià)比高的國產(chǎn)GPRS模塊，其廣泛應(yīng)用于車載應(yīng)用、遙控遙測(cè)、遠(yuǎn)程抄表、安全監(jiān)控等多設(shè)備連接應(yīng)用以及其他移動(dòng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。選用ADI公司的ADXL345作為三軸加速計(jì)來測(cè)定姿態(tài)。ADXL345可以對(duì)高達(dá)±16g的加速度進(jìn)行測(cè)量，并且分辨率高達(dá)13位。溫度傳感器選擇了常用的DS18B20。外部電源作為便攜式設(shè)計(jì)，選用了可充電的4800 mAh的鋰電池供電。

2.2 智能正壓式呼吸器

MCU同樣選擇 CC430。壓力傳感器選用HM2600。該壓力傳感器響應(yīng)時(shí)間＜2 ms，測(cè)量壓力的范圍可達(dá)0～40 MPa，并且工作電流＜5 mA。該壓力傳感器為數(shù)字傳感器，輸出為PWM波形，方便與單片機(jī)的連接。

2.3 頭盔顯示與報(bào)警模塊

MCU同樣使用CC430。為了減小體積和耗電，利用6個(gè)LED燈來顯示呼吸機(jī)中的剩余氣量。同時(shí)加入了一個(gè)振動(dòng)器，防止消防員在復(fù)雜環(huán)境中不能發(fā)現(xiàn)聲光報(bào)警時(shí)，利用振動(dòng)器的振動(dòng)來警告消防員。

3 系統(tǒng)的算法實(shí)現(xiàn)

3.1 人體姿態(tài)判斷

人體的姿態(tài)坐標(biāo)如圖2所示。

圖2 人體姿態(tài)坐標(biāo)Fig.2 Coordinates of human posture

當(dāng)人站立時(shí)，由于地心引力，在Z軸上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)重力加速度G。當(dāng)人體發(fā)生傾斜時(shí)，則在新的Z軸上測(cè)得一個(gè)新的加速度G1。根據(jù)力學(xué)原理，可得:

由于重力加速度為g，即G=g，而G1可以通過三軸加速計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量，所以可計(jì)算出人體傾斜的角度θ。當(dāng)θ大于一個(gè)預(yù)設(shè)定的值時(shí)，可以認(rèn)為是消防員已經(jīng)跌倒。為了防止誤判，當(dāng)θ大于一個(gè)預(yù)設(shè)定的值超過10 s后，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警，說明消防員已經(jīng)跌倒，需要救援。

3.2 人體運(yùn)動(dòng)判斷

人體運(yùn)動(dòng)和靜止可以通過以下兩種方法判斷。

一種方法是利用信號(hào)矢量大小(signal vector magnitude，SVM)來判斷。SVM的表達(dá)式為:

當(dāng)人體靜止時(shí)，SVM為g;當(dāng)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，SVM約為1.5g。所以可以通過設(shè)定適當(dāng)?shù)拈撝祦砼袛嗳梭w靜止或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

另一種方法是人在走動(dòng)的時(shí)候，Z軸的g會(huì)發(fā)生周期性變化;當(dāng)人靜止時(shí)，Z軸加速度會(huì)保持在g左右。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)只需判斷消防員是否倒地，為了增加實(shí)時(shí)性，所以采用第二種方法進(jìn)行判斷。

3.3 呼吸機(jī)剩余時(shí)間的計(jì)算

氣瓶試驗(yàn)前經(jīng)具有“兩站一室”條件的專業(yè)廠家進(jìn)行標(biāo)定，利用機(jī)械壓力表對(duì)電子壓力傳感器輸出進(jìn)行參照。通過不斷減壓并記錄壓力數(shù)據(jù)和氣量已用時(shí)間，驗(yàn)證氣瓶剩余氣量和可用時(shí)間算法的準(zhǔn)確性。氣瓶可供呼吸的時(shí)間計(jì)算公式如下:

式中:Vr為氣瓶中的剩余氣量;C為氣瓶容積;P為氣瓶的工作壓力;T為剩余時(shí)間;Vc為當(dāng)前氣量;Va為10 s內(nèi)消耗氣量。

為了增加穩(wěn)定性，10 s內(nèi)消耗氣量通過濾波設(shè)定為:

式中:Vac為前10 s內(nèi)的氣量。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)三個(gè)模塊的軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)利用IAR對(duì)三個(gè)不同模塊進(jìn)行C語言編程，設(shè)計(jì)思想如下。

圖3 便攜式無線監(jiān)測(cè)器程序框圖Fig.3 Program of the portable wireless monitor

①考慮到便于設(shè)備的維護(hù)和設(shè)備通用性，一套無線設(shè)備的地址與頻段不固定。同時(shí)考慮到不同設(shè)備之間的干擾，采用自動(dòng)匹配的方式。利用CC430的16個(gè)頻段和16位的地址進(jìn)行隨機(jī)分配，所以兩個(gè)設(shè)備之間的沖突概率為:

發(fā)射功率限制在1 m以內(nèi)，很好地保證了設(shè)備之間互不干擾。

②考慮到數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，又由于UDP協(xié)議具有資源消耗小、處理速度快的優(yōu)點(diǎn)，所以本系統(tǒng)GPRS模塊之間的傳輸使用UDP協(xié)議。

③低功耗設(shè)計(jì)。綜合消防員現(xiàn)場(chǎng)情況和功耗，本系統(tǒng)采用每10 s發(fā)一次數(shù)據(jù)。發(fā)送端設(shè)定定時(shí)器，9 s后退出休眠，打開傳感器;第10 s發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送完后進(jìn)休眠。接收端第9 s退出休眠，一直等到接收到數(shù)據(jù)再進(jìn)休眠，開始計(jì)算時(shí)間。

④為了保證消防員進(jìn)入火場(chǎng)前電子設(shè)備的電量充足，用戶在便攜式無線監(jiān)測(cè)器可以查看各個(gè)模塊的電量和可供使用時(shí)間。

便攜式無線監(jiān)測(cè)器程序框圖如圖3所示。頭盔顯示與報(bào)警模塊程序框圖如圖4所示。智能正壓式呼吸機(jī)模塊程序框圖如圖5所示。

圖4 頭盔顯示與報(bào)警模塊程序框圖Fig.4 Program of the helmet display and alarm module

圖5 智能正壓式呼吸機(jī)模塊程序框圖Fig.5 Program of the intelligent positive pressure respirator module

4.2 指揮管理軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件使用 LabVIEW［7－11］進(jìn)行開發(fā)。根據(jù)LabVIEW的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)，利用圖形化語言設(shè)計(jì)界面，數(shù)據(jù)處理和算法則通過VC++編寫動(dòng)態(tài)鏈接庫。

在指揮管理軟件界面，用戶可以查看呼吸機(jī)可供呼吸的剩余時(shí)間、呼吸機(jī)的壓力值、現(xiàn)場(chǎng)的溫度顯示、人體姿態(tài)的顯示和系統(tǒng)時(shí)間等。界面設(shè)有一個(gè)報(bào)警燈，當(dāng)消防員有任何意外出現(xiàn)，例如倒地或者呼吸機(jī)可供呼吸時(shí)間低于5 min時(shí)，該燈就會(huì)閃爍報(bào)警，并顯示報(bào)警原因。

5 測(cè)試及結(jié)果

在本次測(cè)試中，測(cè)試條件為當(dāng)機(jī)械壓力表的壓力為8.3 MPa時(shí)，人員倒地。從指揮管理軟件可以看出，壓力罐的壓力為8.31 MPa，現(xiàn)場(chǎng)溫度為27℃。從人員姿態(tài)圖可以看出消防員是倒地狀態(tài)，從而警報(bào)燈開始閃爍報(bào)警。此外，從指揮管理軟件的界面可以看出報(bào)警的產(chǎn)生是由于消防員倒地而產(chǎn)生的。

6 結(jié)束語

為改變目前每個(gè)消防員信息孤島的局面，提出一種新型消防隊(duì)員裝備信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中有很大的意義，很大程度上保證了消防員的生命安全。

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