消防員體能預(yù)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

姜文濤　陳昌　蔡燕

摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)消防服應(yīng)用中存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于ZigBee的消防員體能預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)完成了消防員人體關(guān)鍵生理信息及位置信息的實(shí)時(shí)采集與監(jiān)測(cè)，并給出預(yù)警信號(hào)，避免因決策延誤而導(dǎo)致最佳救援時(shí)間的喪失。為了進(jìn)一步提高信息傳輸?shù)募皶r(shí)性和可靠性，系統(tǒng)采用分布式融合算法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使消防員的人身安全得到了更大保證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案的有效性與可行性。

關(guān)鍵詞： ZigBee； 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)； 融合算法； 消防服

中圖分類號(hào)： TN99?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）20?0056?05

Abstract： Aiming at traditional fireman uniform′s defect in application， a kind of physical stamina warning system based on ZigBee for fireman was designed. The system has acquisition and monitoring functions of the key physiological information and location information， and can emit an early warning signal to avoid the optimal rescuing time loss caused by decision delay. In order to improve the real?time performance and reliability of the data transmission， the distributed data aggregation algorithm is adopted in the system for data transmission， so that the personal safety of firemen is further guaranteed. The experimental results verifies the effectiveness and feasibility of the system hardware design， low transmitting error rate， good robustness and other significant characteristics.

Keywords： ZigBee； warning system； data aggregation algorithm； firefighter uniform

0 引 言

目前我國(guó)消防服的研發(fā)比較落后，與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距較大，消防服主要依賴進(jìn)口。隨著我國(guó)高層和封閉式建筑的增多，導(dǎo)致消防救援難度加大，保證消防員人身安全和提升消防服的服用性能成為重中之重[1?3]。基于此，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于ZigBee的消防員智能體能預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以完成消防員所處火場(chǎng)環(huán)境和位置，以及消防員的人體關(guān)鍵生理信息的采集并通過(guò)無(wú)線方式傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)顯示終端和智能手機(jī)。生理信息采集節(jié)點(diǎn)由2節(jié)1.5 V充電電池供電，控制器與傳感器以可穿戴為設(shè)計(jì)前提且均采用低功耗芯片，解決了節(jié)點(diǎn)續(xù)航問(wèn)題。利用該系統(tǒng)可對(duì)消防員的人身安全起到全方位監(jiān)測(cè)作用，提升了人身安全系數(shù)與服用性能，在消防員工作效率與生命保障方面達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

智能消防員的體能預(yù)警系統(tǒng)主要依據(jù)信息處理與無(wú)線傳輸技術(shù)，通過(guò)在消防服中嵌入傳感器，感知火場(chǎng)環(huán)境、位置以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)消防員體能狀況，可使消防員最大程度地避免傷害發(fā)生[4?8]。本系統(tǒng)由生理信息采集節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)顯示終端和智能手機(jī)五部分組成。系統(tǒng)采用基于ZigBee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)了如圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其中消防員1，消防員2，消防員3代表三個(gè)人體生理信息采集節(jié)點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中采集節(jié)點(diǎn)數(shù)量更多。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)硬件節(jié)點(diǎn)包括生理信息采集節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。其中路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件核心都是生理信息采集節(jié)點(diǎn)去掉相關(guān)傳感器后的ZigBee無(wú)線通信模塊；軟件實(shí)現(xiàn)方面也與生理信息采集節(jié)點(diǎn)相同。下面重點(diǎn)講述生理信息采集節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2.1 生理信息采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的生理信息采集節(jié)點(diǎn)以TI單片機(jī)MSP430G2553為控制核心，由溫度檢測(cè)模塊、心率檢測(cè)模塊、一氧化碳濃度檢測(cè)模塊、摔倒檢測(cè)模塊、GPS定位模塊組成，采集到的生理信息通過(guò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)到監(jiān)測(cè)顯示終端，最終由監(jiān)測(cè)顯示終端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)消防員的體能等狀況。同時(shí)編寫了手機(jī)APP可以智能移動(dòng)化的監(jiān)控消防員的身體特征及消防員所處環(huán)境情況，在一些特殊情況下可以快速，方便地對(duì)消防員身體特征及環(huán)境情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。本系統(tǒng)的生理信息采集節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

控制器接收各個(gè)傳感器采集到的生理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳送給與之相連的無(wú)線通信模塊，在通過(guò)ZigBee無(wú)線傳輸方式把采集到的數(shù)據(jù)傳送給路由器節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)采用GPS模塊BD?126實(shí)時(shí)跟蹤消防員位置，該模塊不需要通過(guò)ZigBee進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，它利用自帶的無(wú)線信號(hào)傳輸模塊即可直接把消防員所在地理位置發(fā)送到路由器節(jié)點(diǎn)。

2.1.1 溫度檢測(cè)模塊

溫度檢測(cè)模塊選用的是MLX90615，模塊具有的優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量精度相對(duì)較高，而且在測(cè)量時(shí)不會(huì)影響周圍溫度場(chǎng)的分布；采用非接觸式測(cè)量方式測(cè)量體溫，這樣就不會(huì)為消防員運(yùn)動(dòng)帶來(lái)不便；另外模塊的靈敏度較高，在測(cè)量一些時(shí)刻變化的數(shù)據(jù)時(shí)有非常大的優(yōu)勢(shì)。數(shù)據(jù)讀取的流程圖如圖3所示。

由流程圖可知，其數(shù)據(jù)讀取方便簡(jiǎn)潔，作為復(fù)雜系統(tǒng)中的一部分，不會(huì)占用太多的FLASH，并且其外圍電路及其簡(jiǎn)單，非常符合低功耗設(shè)計(jì)和可穿戴式設(shè)計(jì)理念。endprint

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上采用補(bǔ)償?shù)姆椒p少M(fèi)LX90615測(cè)量的誤差，使用Lagrange插值多項(xiàng)式優(yōu)化測(cè)量的結(jié)果[9]。

（4） 最后由[f（x）≈L]得到結(jié)果，停機(jī)。

測(cè)量50組的測(cè)量值和真實(shí)值[（xi，yi）]，按照Lagrange插值多項(xiàng)式擬合出輸出多項(xiàng)式f（x），實(shí)際測(cè)量結(jié)果精度在[±0.1]左右。

2.1.2 心率監(jiān)測(cè)模塊

心率監(jiān)測(cè)部分采用的模塊是SON1303，其在測(cè)量人體心率方面性能非常優(yōu)越。SON1303采用光電傳感器技術(shù)來(lái)測(cè)量人體的心率，可以檢測(cè)微弱的脈搏信號(hào)，其利用內(nèi)部特有的傳感器過(guò)濾掉不需要的光源，僅把需要的綠光留下。綠光相比于其他光譜來(lái)說(shuō)波長(zhǎng)比較短，更加容易被捕捉到，然后通過(guò)對(duì)綠光的檢測(cè)分析，確定人體的心率，因此心率采集具有非常高的精度。圖4為SON1303實(shí)物圖。

SON1303在硬件設(shè)計(jì)上的優(yōu)勢(shì)是沒(méi)有晶體，也沒(méi)有CPU或處理器，僅需要幾個(gè)運(yùn)算放大器即可工作，因此它廣泛應(yīng)用于各種便捷式設(shè)備中。即使是劇烈的運(yùn)動(dòng)，也不會(huì)對(duì)其有任何干擾，這一特性非常適用于頻繁跑動(dòng)消防員的心率采集。在電路調(diào)試過(guò)程中，電阻與電容的匹配是心率監(jiān)測(cè)能否成功的關(guān)鍵，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，系統(tǒng)電阻和電容的選取分別為490 Ω和0.01 μF。濾波放大電路選用的運(yùn)放為NE5532，該運(yùn)放是一種雙極性運(yùn)放，其具有高性能低噪聲等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使其非常適合心律信號(hào)雜波的濾除。

2.1.3 一氧化碳濃度監(jiān)測(cè)模塊

在火場(chǎng)救災(zāi)時(shí)，一氧化碳是威脅消防員安全的重要因素，MQ?7氣體傳感器可及時(shí)幫助消防員檢測(cè)周圍環(huán)境的一氧化碳濃度，保證消防員安全。傳感器模塊實(shí)物如圖5所示，該傳感器具有靈敏度高，且可實(shí)現(xiàn)多種不同氣體中含一氧化碳的濃度的檢測(cè)。當(dāng)一氧化碳濃度沒(méi)有達(dá)到足以危害消防員身體健康時(shí)，MQ?7數(shù)字接口DO輸出高電平，而與此同時(shí)，與其所對(duì)應(yīng)的模擬接口AO輸出的電平大約在0 V；而當(dāng)一氧化碳濃度逐漸增大時(shí)，模擬接口AO的電平會(huì)逐漸增大，當(dāng)濃度超過(guò)系統(tǒng)所設(shè)定的閾值時(shí)，數(shù)字接口DO的電平會(huì)置低。因此可以通過(guò)設(shè)定閾值來(lái)判斷一氧化碳濃度是否對(duì)人體有害，而且可以通過(guò)模擬接口AO來(lái)計(jì)算具體的濃度。傳感器內(nèi)有一個(gè)負(fù)載電阻[RL]，其有效電壓信號(hào)輸出可以得到[VRL]，并且同時(shí)產(chǎn)生表面電阻[RS]，其三者之間的關(guān)系如下：

2.1.4 摔倒檢測(cè)模塊

摔倒檢測(cè)單元由放在人體三個(gè)不同部位的加速度傳感器測(cè)量結(jié)果判斷消防員是否摔倒，如果摔倒后并沒(méi)有再站起來(lái)，證明消防員已經(jīng)受傷，這時(shí)應(yīng)采取必要的急救措施，因此摔倒檢測(cè)單元給了消防員最直接的保護(hù)?？刂破魍ㄟ^(guò)3線SPI接口訪問(wèn)加速度傳感器ADXL345，實(shí)物圖如圖6所示。由于傳感器輸出為數(shù)字方式，無(wú)需提供ADC接口，進(jìn)一步提高了測(cè)量精度。ADXL345的集成式存儲(chǔ)器管理系統(tǒng)采用一個(gè)32級(jí)先進(jìn)先出（FIFO）緩沖器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取，支持基于運(yùn)動(dòng)的智能電源管理，并以極低的功耗進(jìn)行閾值感測(cè)和運(yùn)動(dòng)加速度測(cè)量，從而將控制器運(yùn)行負(fù)荷降至最低。ADXL345測(cè)量加速度的最高分辨率可達(dá)±16 g，其比例系數(shù)為4 mg/LSB，能夠分辨僅為0.25°的傾角變化，而且其外形小巧輕薄，還提供一系列特殊的感測(cè)功能，完全滿足消防員身體位置的測(cè)量要求。

本文中加速度傳感器與控制器采用3線SPI方式通信，控制器讀出加速度計(jì)處于不同位置時(shí)其XYZ軸的加速度，并計(jì)算兩次采集的加速度的偏差，通過(guò)對(duì)偏差值的判斷，確定人物狀態(tài)，最終判斷消防員是否摔倒。

在系統(tǒng)中設(shè)定摔倒時(shí)間為1～3 s，首先判斷3 s后人體的狀態(tài)，如果在摔倒延遲3 s后，人沒(méi)有動(dòng)作，則認(rèn)為人已昏迷，需要報(bào)警；如果在摔倒后3 s內(nèi)加速度偏差大于一定值，則認(rèn)為摔倒對(duì)人沒(méi)有損傷，不報(bào)警（即摔倒延遲3 s后，加速度大于規(guī)定的昏迷加速度值10次，則認(rèn)為人沒(méi)有損傷，清除標(biāo)志位）。

2.1.5 GPS定位模塊

上面所述模塊可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)消防員的身體指標(biāo)，以便在消防員出現(xiàn)危機(jī)時(shí)可做出及時(shí)的救助。但消防救援工作所處的環(huán)境極其復(fù)雜，在建筑物內(nèi)搜救范圍相對(duì)較小，對(duì)消防員的救助還是會(huì)比較順利。如果在森林或者地震災(zāi)區(qū)，搜救一個(gè)受傷的消防員會(huì)是一件非常困難的事，本系統(tǒng)為在這種環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)的消防員配備了GPS定位模塊，這樣即使范圍再大，系統(tǒng)也會(huì)對(duì)消防員所處的位置了如指掌，搜救會(huì)變得非常順利。

系統(tǒng)所選用的GPS模塊為GPS北斗雙模模塊BD?126，該模塊完美的支持北斗二代衛(wèi)星，具有全方位定位功能，它現(xiàn)在是許多定位系統(tǒng)終端的不二之選，性能可以說(shuō)非常強(qiáng)悍。BD?126模塊如圖7所示。

2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

生理信息采集節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)以及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)均包含ZigBee無(wú)線通信模塊。在本系統(tǒng)中無(wú)線通信模塊可以作為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)的硬件。系統(tǒng)選用的ZigBee無(wú)線模塊為CC2650，CC2650 器件是一款面向 Smart，ZigBee和 6LoWPAN，以及 ZigBee RF4CE 遠(yuǎn)程控制應(yīng)用的無(wú)線MCU。此器件屬于 CC26xx 系列的經(jīng)濟(jì)高效型超低功耗2.4 GHz器件，它具有極低的有源 RF 和 MCU 電流以及低功耗模式流耗，可確保卓越的生理信息采集節(jié)點(diǎn)電池使用壽命，非常適合消防員體能預(yù)警系統(tǒng)使用。該無(wú)線設(shè)備還包括一個(gè)數(shù)據(jù)包過(guò)濾和地址識(shí)別模塊，進(jìn)一步優(yōu)化了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性[10?13]。該模塊組成如圖8所示，包括CC2650射頻電路、程序下載接口、顯示模塊、各類通信接口等。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與生理信息采集節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)相比多了顯示模塊和WiFi通信模塊。通過(guò)液晶顯示模塊用戶可直接觀察系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件實(shí)現(xiàn)按功能模塊劃分為：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建立模塊、路由節(jié)點(diǎn)管理模塊、數(shù)據(jù)接收與發(fā)送模塊、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)顯示模塊。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建立模塊使用ZigBee通信協(xié)議，首先配置無(wú)線網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，然后尋找可利用信道，建立網(wǎng)絡(luò)，最后允許其他節(jié)點(diǎn)加入。路由節(jié)點(diǎn)管理模塊負(fù)責(zé)給節(jié)點(diǎn)分配地址，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有自愈性和自適應(yīng)性。數(shù)據(jù)接收與發(fā)送模塊將路由節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的消防員生理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、整理，然后通過(guò)WiFi發(fā)送到上位機(jī)監(jiān)測(cè)顯示終端和智能手機(jī)。endprint

大量數(shù)據(jù)同步傳輸易造成頻繁碰撞，出現(xiàn)頻繁重傳現(xiàn)象，導(dǎo)致無(wú)線通信質(zhì)量下降，信息收集的及時(shí)性得不到保證。為了避免這個(gè)問(wèn)題，系統(tǒng)中采用分布式數(shù)據(jù)融合[14?15]，即利用生理信息采集節(jié)點(diǎn)自身的計(jì)算、存儲(chǔ)能力處理數(shù)據(jù)以進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，進(jìn)而減少傳遞到路由與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量，去掉冗余數(shù)據(jù)包，降低系統(tǒng)電能的消耗，增強(qiáng)數(shù)據(jù)收集準(zhǔn)確性以及提高數(shù)據(jù)收集效率從而延長(zhǎng)傳感器的生命周期。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

經(jīng)過(guò)實(shí)際的調(diào)試和研發(fā)，本系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室完成了2名消防員體能預(yù)警系統(tǒng)的建立，消防服整體實(shí)物圖如圖9所示。

目前，市場(chǎng)上針對(duì)智能消防服的產(chǎn)品寥寥無(wú)幾，本系統(tǒng)借鑒了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)消防服的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)出基于ZigBee消防員體能預(yù)警系統(tǒng)，具有以下幾點(diǎn)特色和創(chuàng)新。

（1） 經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本系統(tǒng)具有較準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，且抗干擾性、適應(yīng)性很強(qiáng)。系統(tǒng)在僅由2節(jié)1.5 V電池供電的情況下，生理信息采集節(jié)點(diǎn)可正常工作1.8個(gè)月以上。

（2） 系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)軟硬件，同時(shí)裁剪協(xié)議棧，使整個(gè)系統(tǒng)具有超低功耗性能。軟件采用中斷?喚醒模式，可以最大限度地降低功耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。

（3） 相對(duì)于傳統(tǒng)的消防服，本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee的消防員智能體能預(yù)警系統(tǒng)，可以完成消防員所處火場(chǎng)環(huán)境和位置及消防員的人體關(guān)鍵生理信息的采集，并通過(guò)無(wú)線方式傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)顯示終端和智能手機(jī)，具有更好的實(shí)用性。

（4） 系統(tǒng)創(chuàng)新地利用lagrange插值多項(xiàng)式方法和分布式數(shù)據(jù)融合算法，從軟件角度提高了網(wǎng)絡(luò)的使用壽命和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建智能消防員體能預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多名消防員的重要生理信息進(jìn)行采集、展示、存儲(chǔ)和預(yù)警。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有成本低、低功耗、測(cè)量準(zhǔn)確等特點(diǎn)，很適合消防員在樓宇和森林等救火場(chǎng)合中使用，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)價(jià)值。

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