《無(wú)線壓力傳感器在消防員空氣呼吸面罩設(shè)計(jì)中的應(yīng)用》研究背景與意義

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專家導(dǎo)讀

《無(wú)線壓力傳感器在消防員空氣呼吸面罩設(shè)計(jì)中的應(yīng)用》研究背景與意義

火災(zāi)是比較常見(jiàn)的災(zāi)害，無(wú)論是自然發(fā)生還是人為造成的，往往伴隨著人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，一直是威脅公眾安全和社會(huì)發(fā)展的不穩(wěn)定因素。

正壓式空氣呼吸面罩是目前消防員普遍采用的火場(chǎng)穿戴設(shè)備之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)發(fā)生火災(zāi)的撲救時(shí)間平均約為43 min，而國(guó)內(nèi)消防部隊(duì)普遍裝備的是30 MPa/6.8 L的空氣壓縮氣瓶，在實(shí)際操作過(guò)程中的供氣時(shí)間約為16～30 min，即使是新型的40 MPa/6.8 L的氣瓶也僅能多提供10 min左右的空氣。因此，實(shí)時(shí)掌握所背負(fù)氣瓶的空氣余量，對(duì)處于火場(chǎng)的消防員判斷繼續(xù)行動(dòng)的時(shí)長(zhǎng)起到重要的參考作用。由于火場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾因素較多，方便快捷地讀取氣瓶壓力尤為重要。

黑龍江省科學(xué)院自動(dòng)化研究所的“消防員定位系統(tǒng)”項(xiàng)目從實(shí)際出發(fā)，研究基于GPS、加速度傳感器導(dǎo)航(慣性導(dǎo)航)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)(RSSI)融合的新型定位系統(tǒng)，通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)修正慣性定位的解算精度，從而提高系統(tǒng)的定位精度。系統(tǒng)通過(guò)建立多種復(fù)雜環(huán)境模型，同時(shí)考慮了火場(chǎng)環(huán)境因素對(duì)算法的影響，利用RSSI衰減來(lái)衡定復(fù)雜環(huán)境中墻壁、玻璃等對(duì)無(wú)線通訊信號(hào)的影響值，并用多次校準(zhǔn)方式以減少由慣性導(dǎo)航隨著時(shí)間和距離的增加帶來(lái)的測(cè)量精度減低，有效減少消防員三維定位過(guò)程中的高度誤差，在一定程度上提高算法的準(zhǔn)確性。

消防員定位系統(tǒng)建立了建筑物地理信息模型和導(dǎo)航系統(tǒng)，為消防員和指揮員提供了逼真的可視路徑和結(jié)構(gòu)信息，可對(duì)消防員狀態(tài)(位置、姿態(tài)和生命體征等)和火場(chǎng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和記錄，進(jìn)而對(duì)消防員進(jìn)行路徑規(guī)劃和任務(wù)調(diào)配。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑三維的縮放、平移、旋轉(zhuǎn)定位功能。根據(jù)人員定位設(shè)備傳輸回來(lái)的三維參數(shù)，在建筑三維中實(shí)現(xiàn)佩帶人員定位設(shè)備的人員定位。在建筑三維中實(shí)現(xiàn)人員行走軌跡實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬，可用不同顏色表現(xiàn)。能查看人員在樓宇內(nèi)部分布，以及人員的基本信息，實(shí)現(xiàn)人員隊(duì)友搜救、安全退出引導(dǎo)、氧氣倒計(jì)時(shí)、現(xiàn)場(chǎng)毒氣報(bào)警等一系列功能。

“基于無(wú)線傳輸?shù)南绬T空氣呼吸智能面罩”是消防員定位系統(tǒng)中處于救火現(xiàn)場(chǎng)的消防員佩戴的終端設(shè)備之一，是定位系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)不可或缺的一部分。消防員空氣呼吸面罩為消防員在火場(chǎng)高溫缺氧、充滿有毒有害氣體或粉塵的環(huán)境下提供最基本的供氣保障，以便消防員在現(xiàn)場(chǎng)搶險(xiǎn)作業(yè)?！盎跓o(wú)線傳輸?shù)南绬T空氣呼吸面罩”通過(guò)無(wú)線壓力傳感器與智能面罩的結(jié)合，將經(jīng)過(guò)氣瓶閥輸出的氣瓶壓力讀取出來(lái)，再與智能面罩的無(wú)線接收器相連，根據(jù)得到的數(shù)據(jù)以6 MPa和10 MPa分段指示，以不同顏色LED燈的閃亮來(lái)標(biāo)識(shí)氣瓶壓力值。無(wú)線壓力傳感器(壓力變送器)采用ZigBee通訊方式，其理論傳輸速率為250 kps，實(shí)際傳輸速率小于100 kps，雖然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于藍(lán)牙和WIFI技術(shù)，但是具有傳輸距離較遠(yuǎn)、功耗小(發(fā)射功率約為10 mw)、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、協(xié)議簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)。由于壓力傳感器的信息量較少且讀取的頻率不高，因此可以將ZigBee技術(shù)的無(wú)線壓力傳感器應(yīng)用于消防員空氣呼吸面罩的設(shè)計(jì)中，這樣，不僅可靠實(shí)現(xiàn)消防員對(duì)氣瓶余量的隨時(shí)觀察，還可以通過(guò)ZigBee的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息傳送到指揮中心，便于指揮員掌握火場(chǎng)情況、消防員的身體及裝備的狀況。