摘要：隨著火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的日益復(fù)雜和消防員安全保障需求的不斷提升，智能消防服應(yīng)運(yùn)而生。智能消防服的構(gòu)成主要包括服裝系統(tǒng)、可穿戴傳感器和監(jiān)控系統(tǒng)。從心率監(jiān)測(cè)、體溫監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、氣體監(jiān)測(cè)和環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)等5個(gè)方面，詳細(xì)綜述其在智能消防服中的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了不同形式可穿戴傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，歸納了多傳感器功能集成過(guò)程?；诖?，針對(duì)當(dāng)前可穿戴技術(shù)在智能消防服應(yīng)用過(guò)程所面臨的問(wèn)題，提出可穿戴傳感器可靠性、智能消防服耐用性以及評(píng)價(jià)體系標(biāo)準(zhǔn)化是智能消防服未來(lái)的重要發(fā)展方向，旨在更好地保障消防員的人身安全，推動(dòng)消防服的智能化發(fā)展。

關(guān)鍵詞：可穿戴技術(shù)；智能消防服；傳感器；智能監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：D631.6" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " "文章編號(hào)：2096-1227（2025）06-0019-03

0 引言

在滅火或其他應(yīng)急救援過(guò)程中，消防員的生命健康經(jīng)常面臨著火焰、熱輻射、高溫液體或蒸汽等威脅[1]。傳統(tǒng)的消防服雖然能夠提供一定的物理保護(hù)，但無(wú)法讓消防員及時(shí)了解火場(chǎng)及自身情況。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，可穿戴傳感器逐漸應(yīng)用于個(gè)人防護(hù)裝備領(lǐng)域，為智能消防服的發(fā)展提供了技術(shù)基礎(chǔ)。智能消防服通過(guò)應(yīng)用可穿戴技術(shù)，在傳統(tǒng)的消防服中集成各類傳感器，實(shí)時(shí)智能監(jiān)測(cè)火場(chǎng)環(huán)境及消防員自身的身體狀態(tài)。智能消防服的出現(xiàn)既為消防員提供了安全預(yù)警，又能使上層監(jiān)控根據(jù)實(shí)時(shí)傳送的數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整救援方案，最大程度保障生命安全。

1 智能消防服的主要構(gòu)成

智能消防服的構(gòu)成主要包括服裝系統(tǒng)、可穿戴傳感器和監(jiān)控系統(tǒng)等3部分。

1.1" 服裝系統(tǒng)

智能消防服的服裝系統(tǒng)主要包括智能消防服內(nèi)衣和智能消防服外套兩部分[2]。消防服內(nèi)衣被消防員穿著在消防服的最里層，是直接接觸皮膚表面的貼身服裝。智能消防服外套的織物結(jié)構(gòu)共有4層，從里層到表層分別是舒適層、隔熱層、防水透氣層和外層。為了提高智能消防服的物理防護(hù)性能，如熱防護(hù)性能、阻燃性能、隔熱性能、防水透氣性能等，研究人員要不斷從服裝的結(jié)構(gòu)和材料這兩方面進(jìn)行改進(jìn)。

1.2" 可穿戴傳感器

可穿戴技術(shù)是指將微電子設(shè)備與紡織服裝相結(jié)合，生產(chǎn)出可直接穿戴產(chǎn)品的一項(xiàng)技術(shù)[3]。目前關(guān)于可穿戴技術(shù)在智能消防服上的應(yīng)用研究主要在于可穿戴傳感器，由于其長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)能力和易于與身體交互而備受關(guān)注?？纱┐鱾鞲衅魇菍?shí)現(xiàn)人體和外界信息獲取并做出響應(yīng)的關(guān)鍵部件，是智能消防服的重要組成部分，主要組件包括電極、基板、化學(xué)成分、光子和活性材料。大部分可穿戴傳感器通過(guò)嵌入、縫制等方式與智能消防服結(jié)合，直接接觸人體皮膚，因此要格外注意傳感器設(shè)備的安全性和舒適性。心率傳感器和體溫傳感器放置在智能消防服內(nèi)衣上，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)消防員的心率和體溫。運(yùn)動(dòng)傳感器、氣體傳感器、溫濕度傳感器、蜂鳴器、GPS定位及藍(lán)牙模塊、控制模塊及電源主要放置在消防服外套上，可以實(shí)時(shí)定位、監(jiān)測(cè)環(huán)境的輻射熱量、空氣的溫濕度、煙霧或其他氣體的濃度并將信息通過(guò)藍(lán)牙傳送。

1.3" 監(jiān)控系統(tǒng)

在高溫危險(xiǎn)的特殊環(huán)境下，智能消防服對(duì)人體和環(huán)境的相關(guān)信息進(jìn)行采集、傳輸、處理與反饋。監(jiān)控系統(tǒng)的終端控制智能消防服中的可穿戴傳感器，從而獲取消防員的生理狀態(tài)和所處環(huán)境的數(shù)據(jù)。通過(guò)預(yù)設(shè)閾值來(lái)實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，如果所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，控制模塊通過(guò)蜂鳴報(bào)警器報(bào)警或LED燈閃爍來(lái)提示消防員。同時(shí)，控制模塊將數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee等無(wú)線通信技術(shù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)，可供電腦端/手機(jī)端查看，當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)異常時(shí)會(huì)發(fā)出警報(bào)。監(jiān)控系統(tǒng)整體上可以實(shí)現(xiàn)生理和環(huán)境監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸和報(bào)警功能，最終制定最佳救援方案。

2 可穿戴技術(shù)在智能消防服上的應(yīng)用

2.1" 智能監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

“人體-服裝-環(huán)境”是一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)，智能消防服在這個(gè)系統(tǒng)中起到調(diào)節(jié)和監(jiān)測(cè)的作用，保護(hù)消防員免受外界環(huán)境的熱傷害。根據(jù)監(jiān)測(cè)功能劃分，可分為生理監(jiān)測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)兩大類。生理監(jiān)測(cè)包括心率監(jiān)測(cè)、體溫監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)，環(huán)境監(jiān)測(cè)包括氣體監(jiān)測(cè)和環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)。

2.1.1" 心率監(jiān)測(cè)

消防員經(jīng)常在不可預(yù)測(cè)的緊急情況下冒著生命危險(xiǎn)進(jìn)行救援行動(dòng)，心率是反映消防員的疲勞程度和身體應(yīng)激反應(yīng)的重要指標(biāo)。為了保障消防員的生命安全，有必要對(duì)其進(jìn)行心率監(jiān)測(cè)。心率監(jiān)測(cè)的核心部件是心率傳感器，主要通過(guò)心電圖（ECG）和光電容積描記法（PPG）兩種技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)心率?；贓CG技術(shù)的心率傳感器通過(guò)監(jiān)測(cè)心臟每次跳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電信號(hào)來(lái)獲取消防員的心率，通常使用縫紉工藝直接集成在智能消防服內(nèi)衣中靠近心臟的位置，或者將含有心率傳感器的心率帶縫制在衣物胸下緣位置[4]?；赑PG技術(shù)的心率傳感器利用光在身體組織中的反射或透射特性，檢測(cè)血紅蛋白吸收的變化來(lái)獲取消防員的心率，通常應(yīng)用于智能手表或腕帶中。這兩類心率傳感器各具優(yōu)缺點(diǎn)：基于ECG技術(shù)的心率傳感器監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度高且穩(wěn)定，但由于傳感器需貼身于胸部，穿戴有束縛感；基于PPG技術(shù)的心率傳感器穿戴更為舒適，但監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度較前者低。因此，如何平衡監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度和舒適度將成為智能消防服心率監(jiān)測(cè)的核心挑戰(zhàn)。

2.1.2" 體溫監(jiān)測(cè)

在高溫環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)時(shí)，消防員面臨熱應(yīng)激的風(fēng)險(xiǎn)，這可能導(dǎo)致中暑和其他嚴(yán)重健康問(wèn)題。為了控制和避免消防員的熱應(yīng)激，智能消防服中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)身體溫度的體溫傳感器至關(guān)重要。可穿戴體溫傳感器直接集成在智能消防服內(nèi)衣上進(jìn)行監(jiān)測(cè)，較為便捷、成本低、可重復(fù)使用，目前已成為智能消防服體溫監(jiān)測(cè)的主流。體溫傳感器通常放置于智能消防服內(nèi)衣的腋下位置，用彈性帶固定以確保接觸，通過(guò)接觸式熱敏元件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)身體溫度。這類接觸式體溫傳感器雖然有較高的測(cè)量精度，但難以形成全方位監(jiān)控。通過(guò)紅外掃描技術(shù)可實(shí)現(xiàn)體溫監(jiān)測(cè)的全方位覆蓋，智能消防服中的紅外體溫傳感器通過(guò)檢測(cè)身體向外輻射的紅外線來(lái)測(cè)量溫度[5]。當(dāng)監(jiān)測(cè)到身體溫度超出安全閾值可以向管理人員發(fā)出遠(yuǎn)程警報(bào)，管理人員可以在熱危險(xiǎn)的情況下命令消防員返回。紅外體溫傳感器測(cè)量速度快，但易受環(huán)境和外部因素的影響。未來(lái)可基于多光譜融合的測(cè)溫技術(shù)，讓體溫傳感器在復(fù)雜環(huán)境下具有較強(qiáng)的可靠性。

2.1.3" 運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)

運(yùn)動(dòng)傳感器能夠識(shí)別人體的運(yùn)動(dòng)方向和速度，并通過(guò)將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析，可以監(jiān)測(cè)消防員的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如站立、行走、跪臥、爬行等。消防員若出現(xiàn)意外撞擊或跌倒的危險(xiǎn)狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)傳感器會(huì)發(fā)出信號(hào)以便及時(shí)對(duì)消防員進(jìn)行施救。跌倒一直是消防員死亡的重要原因之一，現(xiàn)有基于運(yùn)動(dòng)傳感器的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)的研究大多數(shù)是針對(duì)老年人和行動(dòng)緩慢的病人，并不適用于活動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜的消防員。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了適用于消防員跌倒監(jiān)測(cè)的姿勢(shì)檢測(cè)系統(tǒng)，在大幅度運(yùn)動(dòng)的情況下運(yùn)動(dòng)傳感器也能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，且準(zhǔn)確率高。姿勢(shì)檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)姿態(tài)識(shí)別和級(jí)聯(lián)姿態(tài)識(shí)別，提高了測(cè)量精度。在實(shí)際應(yīng)用中運(yùn)動(dòng)傳感器通常放置于智能消防服的胸部、腰部和褲兜等位置，或者直接集成在消防頭盔或智能手表上。然而運(yùn)動(dòng)傳感器的放置部位可能會(huì)影響消防行動(dòng)，放置在哪些部位能提高測(cè)量精度且不影響消防救援未來(lái)需要進(jìn)一步研究。

2.1.4" 氣體監(jiān)測(cè)

有毒和易燃?xì)怏w的泄漏可能會(huì)造成嚴(yán)重的災(zāi)難，其中液化石油氣、天然氣和一氧化碳等危險(xiǎn)氣體導(dǎo)致意外中毒是較為常見(jiàn)的事故。消防員經(jīng)常暴露在這樣危險(xiǎn)之中，因此，在執(zhí)行任務(wù)時(shí)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣體在環(huán)境中存在的情況。氣體監(jiān)測(cè)使用的是氣體傳感器，氣體傳感器主要根據(jù)監(jiān)測(cè)到不同的濃度或密度，來(lái)確定氣體類型及濃度并發(fā)出信號(hào)。常見(jiàn)的氣體傳感器有MQ-2氣體傳感器、MQ-4氣體傳感器、MQ-7氣體傳感器等，不同的氣體傳感器監(jiān)測(cè)不同類型的危險(xiǎn)氣體，通過(guò)LED環(huán)或TFT屏幕來(lái)顯示檢測(cè)到的有毒氣體種類。智能消防服上的MQ-2氣體傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)液化石油氣、甲烷和煙霧；MQ-4氣體傳感器對(duì)甲烷、丙烷、丁烷有較好的靈敏度，特別是天然氣；MQ-7氣體傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)CO值。當(dāng)傳感器測(cè)量值超過(guò)設(shè)定閾值，則會(huì)自動(dòng)激活聲光報(bào)警器，此設(shè)計(jì)有效提高了消防員的安全性。這些氣體傳感器在實(shí)時(shí)性、耐用性和通信可靠性方面表現(xiàn)優(yōu)異，但存在易受環(huán)境中交叉氣體干擾的問(wèn)題。未來(lái)可通過(guò)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取氣體傳感器陣列的深層特征，通過(guò)特征有效識(shí)別不同氣體成分，從而減少交叉氣體干擾的影響。

2.1.5" 環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)

溫濕度是衡量所處環(huán)境的重要指標(biāo)，是反映消防員身體是否處于異常或危急狀態(tài)的主要特性之一。隨著相對(duì)濕度的增加，人體感受到的溫度也會(huì)增加，高溫高濕的環(huán)境容易導(dǎo)致消防員在作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生熱應(yīng)激反應(yīng)。環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)主要依賴于溫度傳感器和濕度傳感器。通過(guò)將溫度模塊和濕度模塊集成到消防服上，紅外溫度傳感器監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度，監(jiān)測(cè)物體表面發(fā)出的紅外輻射能量并轉(zhuǎn)換為溫度信號(hào)；濕度傳感器監(jiān)測(cè)環(huán)境濕度，濕度變化引起電阻值變化后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。除此之外，將溫濕度傳感集成到消防員的智能手環(huán)，具有體積小、靈敏度高、易集成的優(yōu)點(diǎn)，同樣可監(jiān)測(cè)環(huán)境溫濕度。目前基于溫濕度監(jiān)測(cè)功能的智能消防服通過(guò)監(jiān)測(cè)外部環(huán)境，判斷所處環(huán)境是否對(duì)人體安全造成威脅從而實(shí)現(xiàn)智能防護(hù)。然而在實(shí)際應(yīng)用中溫濕度傳感器長(zhǎng)期暴露于高溫高濕的環(huán)境下，其耐用性能會(huì)逐漸下降。未來(lái)智能消防服可采用更先進(jìn)的傳感器材料，進(jìn)一步提高溫濕度傳感器在極端條件下的可靠性。

2.2" 功能集成的應(yīng)用

由于火場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，智能消防服中單個(gè)傳感器無(wú)法全面收集火情信息及消防員的生理狀態(tài)。與單個(gè)傳感器相比，多傳感器的功能集成可以有效擴(kuò)大消防救援時(shí)的監(jiān)測(cè)范圍。為了集成智能消防服多個(gè)傳感器的監(jiān)測(cè)功能，采用多傳感器交叉監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)。首先，對(duì)不同傳感器的監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行交叉采集及數(shù)據(jù)融合。其次，對(duì)這些初級(jí)融合的數(shù)據(jù)的特征分類提取及識(shí)別。再次，將識(shí)別的不同特征進(jìn)行決策關(guān)聯(lián)。最后，對(duì)決策進(jìn)行融合后用于生理和環(huán)境狀態(tài)的評(píng)估及特征異常報(bào)警。智能消防服中用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的傳感器檢測(cè)所處火場(chǎng)環(huán)境，規(guī)避潛在危險(xiǎn)；用于生理監(jiān)測(cè)的傳感器監(jiān)控消防員身體狀況，方便及時(shí)施救。二者協(xié)同工作，從不同維度為消防員的健康安全保駕護(hù)航。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)智能消防服的主要構(gòu)成，以及可穿戴技術(shù)在智能消防服的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)梳理。智能消防服從生理和環(huán)境層面實(shí)現(xiàn)智能防護(hù)，對(duì)消防員的健康和安全起著重大作用。未來(lái)研究可從3個(gè)方向展開(kāi)：一是提高可穿戴傳感器可靠性。智能消防服實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能的核心為可穿戴傳感器，未來(lái)將不斷提高可穿戴傳感器的可靠性，進(jìn)一步提升智能消防服的整體性能。二是提高智能消防服耐用性。未來(lái)智能消防服可進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，將傳感器模塊設(shè)計(jì)為可拆卸，避免清潔損壞，提高智能消防服的耐用性。三是智能消防服評(píng)價(jià)體系標(biāo)準(zhǔn)化。目前智能消防服沒(méi)有明確的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，難以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。未來(lái)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)需在傳統(tǒng)消防服上整合智能化功能評(píng)價(jià)模塊，建立多維評(píng)價(jià)體系。

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