基于物聯(lián)網(wǎng)的滅火防護(hù)服監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張偉 徐暉 陳馥婧

摘要：本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的滅火防護(hù)服監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)在傳統(tǒng)的滅火防護(hù)服中嵌入各類傳感器，來監(jiān)測火場環(huán)境信息。這些重要的信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)较劳ㄐ胖笓]系統(tǒng)，在上位機(jī)界面直觀顯示，對處于危險(xiǎn)之中的消防員，指揮中心快速做出反應(yīng)，為消防指揮調(diào)度提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);消防員;滅火防護(hù)服;監(jiān)測系統(tǒng)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人口與建筑密度日益增大，火災(zāi)發(fā)生率越來越高，撲救難度也越來越大。據(jù)應(yīng)急管理部消防救援局統(tǒng)計(jì)，2005-2013 年，我國消防部門在滅火救援中共發(fā)生 70 起消防員傷亡事故，造成85名消防員死亡，其中爆炸、中毒、轟燃、坍塌事故占83% ，消防員傷亡事故受到了社會各界的廣泛關(guān)注。隨著信息與通信技術(shù)的發(fā)展，尤其是短距無線通信技術(shù)的進(jìn)步，給火災(zāi)現(xiàn)場信息識別與傳輸帶來了新的發(fā)展機(jī)遇，為消防員安全進(jìn)行滅火作業(yè)提供了有力的信息支持。滅火防護(hù)服作為保障消防員生命安全的重要防護(hù)裝備之一，應(yīng)該通過技術(shù)手段進(jìn)行革新和升級，朝著智能化方向發(fā)展，成為指揮員獲取火場環(huán)境信息、消防員身體健康狀況和潛在危險(xiǎn)因素的重要手段。

一、智能滅火防護(hù)服監(jiān)測系統(tǒng)的功能

智能滅火防護(hù)服系統(tǒng)除了具備基本的防護(hù)功能外，還應(yīng)滿足探測感知周圍的環(huán)境信息、傳輸數(shù)據(jù)、終端可視化等功能，具備數(shù)據(jù)驅(qū)動、精確供給、開放延展、多員互聯(lián)和動態(tài)適應(yīng)等典型特征。

（一）感知功能

智能滅火防護(hù)服要具備感知功能，通過在服裝的外層和內(nèi)層集成了多種傳感器等硬件設(shè)備，來監(jiān)測周圍的環(huán)境信息（火場溫度、一氧化碳濃度），消防員生命體征信息（體溫、心率、血壓）和位置信息（站立、摔倒），實(shí)時感知存在的潛在危險(xiǎn)。

（二）反饋功能

設(shè)置在服裝內(nèi)部的處理器將傳感器收集到的信息進(jìn)行加工處理，通過短距離通信設(shè)備對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，在消防指揮中心上位機(jī)上直觀顯示。

（三）決策功能

將PC端獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過多源信息融合技術(shù)來綜合評估和判定消防員的身體健康狀況和火場環(huán)境的危險(xiǎn)程度，為指揮員合理運(yùn)用滅火戰(zhàn)術(shù)、科學(xué)決策提供理論依據(jù)。

二、智能滅火防護(hù)服監(jiān)測系統(tǒng)框架

智能滅火防護(hù)服監(jiān)測系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩大部分組成，包括信息感知模塊、無線通信模塊、可視化模塊和多源信息融合模塊，通過各子系統(tǒng)之間相互作用與聯(lián)系，數(shù)據(jù)實(shí)時有效的傳遞，經(jīng)過多元融合算法來將各種風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行綜合分析，評估消防員面臨的環(huán)境危險(xiǎn)和健康狀況，并在指揮平臺上直觀顯示給出決策信息，總體框架如圖1所示。

（一）信息感知模塊

1.傳感器

獲取火場信息的最好工具是傳感器，傳感器是一種能夠高效率、高精度、高可靠性采集各種形式信息的技術(shù)，如各種遙感技術(shù)和智能傳感技術(shù)等。智能滅火防護(hù)服將心率、血壓、體溫、CO、紅外溫度傳感器和三軸加速度傳感器集成嵌入到服裝中，來獲取消防員身體機(jī)能信息、火場環(huán)境信息和消防員位置信息。傳感器能夠?qū)⒏黝愋畔⑥D(zhuǎn)化為可識別的信號，發(fā)送至嵌入式處理單元對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，由通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆贫藘Υ?。隨著數(shù)字化的發(fā)展浪潮和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，傳感器越來越集成化、輕量化、小型化，方便其在各種領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.模數(shù)轉(zhuǎn)換器

傳感器將采集的大量信息通過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。模數(shù)轉(zhuǎn)換的主要原理就是將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，經(jīng)過特定的電路將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量。A/D轉(zhuǎn)換四步驟：采樣、保持、量化、編碼。通過A/D轉(zhuǎn)換將消防員生理信息、周圍環(huán)境信息和位置信息轉(zhuǎn)化為可以識別的數(shù)字信號，為數(shù)據(jù)的分析、處理、傳輸與融合做好準(zhǔn)備。

3.核心處理器

在信息感知模塊中，如果將傳感器比作人的皮膚和五官，那么核心處理器就是人的大腦，是整個信息感知模塊的核心部件。傳感器接收處理器的指令對各種信息進(jìn)行采集，并把這些數(shù)據(jù)傳輸給處理器，處理器將信息進(jìn)行分類存儲、分析和處理。存儲器里存儲著算法代碼和通信協(xié)議，處理器通過內(nèi)部存儲算法解析、分析數(shù)據(jù)，通過一定的通信協(xié)議將信號發(fā)送至無線通信模塊。核心處理器是信息感知層和無線通信層之間的信息轉(zhuǎn)換樞紐，它將處理過的數(shù)據(jù)利用無線通信技術(shù)向下傳遞，并回收其他節(jié)點(diǎn)傳送的信息，集成的信息感知模塊由統(tǒng)一的電源進(jìn)行供電，如圖2所示。

（二）無線通信模塊

無線通信模塊的任務(wù)是將處理單元的數(shù)據(jù)發(fā)送給指揮中心平臺，在指揮終端上位機(jī)中直觀顯示。為了滿足同時將多名消防員各種監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時并行傳輸?shù)囊?，需要一款能夠提供多組網(wǎng)功能的局域網(wǎng)傳輸協(xié)議，ZigBee智能傳感網(wǎng)絡(luò)是理想的選擇，它是一種短距離、低功耗、低成本、低復(fù)雜度、抗干擾性強(qiáng)、布網(wǎng)容易的無線通信技術(shù)。針對ZigBee通信距離短，通過無線中繼器可以非常方便地將網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍擴(kuò)展至數(shù)十倍，因此從小空間到大空間、從簡單空間環(huán)境到復(fù)雜空間環(huán)境的場合都可以使用。ZigBee的節(jié)點(diǎn)模塊通常較小，滿足可穿戴設(shè)備的基本要求，可以方便地嵌入到滅火防護(hù)服中。采集節(jié)點(diǎn)將獲取的信息，通過自組網(wǎng)絡(luò)整合到匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)再按照通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至管理節(jié)點(diǎn)，管理節(jié)點(diǎn)對信息進(jìn)行分析處理，并將結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議和自組網(wǎng)絡(luò)發(fā)送指令到上位機(jī)。

（三）可視化模塊

人機(jī)交互是用戶與計(jì)算機(jī)交流信息的動態(tài)過程，用戶界面是人與計(jì)算機(jī)傳遞、交換信息的媒介，是用戶使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的綜合操作環(huán)境。為了讓各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)更加直觀和方便地顯示，用戶能夠更加簡便的操作，設(shè)計(jì)了基于VB編程的上位機(jī)界面，可以實(shí)時顯示文本和圖形，監(jiān)控消防員的身體健康狀況、周圍的環(huán)境和位置信息。上位機(jī)主要通過與ZigBee 路由器進(jìn)行通信，獲取從滅火防護(hù)服無線傳輸?shù)膶?shí)時數(shù)據(jù)。

（四）多元信息融合

大量的實(shí)時數(shù)據(jù)在上位機(jī)上存儲顯示，要利用這些數(shù)據(jù)直觀地判別消防員是否處在危險(xiǎn)之中，PC端自動的給出決策信息，這就需要用到多源信息融合理論。多源信息融合理論是指對相似或不同特征的多元信息進(jìn)行處理，以獲得具有相關(guān)和集成特性的融合信息，重點(diǎn)是特征識別和算法，這些算法使得多傳感信息的互補(bǔ)集成，改善不確定環(huán)境中的決策過程，解決把數(shù)據(jù)用于確定共同時間和空間框架的信息理論問題，同時用來解決模糊與矛盾問題。將消防員身體健康狀況信息（心率、體溫、血壓）按照正常人體的生理指標(biāo)進(jìn)行融合，將環(huán)境信息（火場溫度、一氧化碳濃度）按照人救援服裝能夠抵御的溫度與時間進(jìn)行融合，將所處位置信息按照人體沿三軸運(yùn)動加速度進(jìn)行融合，還要將這三類信息進(jìn)行融合，給出消防員身體健康狀況和環(huán)境危險(xiǎn)信息。

（五）信息應(yīng)用與決策指揮

當(dāng)消防員在執(zhí)行任務(wù)過程中面臨潛在風(fēng)險(xiǎn)或者身體健康狀況明顯下降，而本人還沒有察覺，指揮系統(tǒng)上位機(jī)會立即進(jìn)行報(bào)警，指揮員根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合判別消防員目前的狀況，并利用通信設(shè)備予以確認(rèn)。如果火災(zāi)現(xiàn)場情況十分危急，消防員處于極度危險(xiǎn)之中，指揮員會給被困消防員下達(dá)立撤退指令，隨機(jī)派出后備小隊(duì)（RIT）予以救援。滅火防護(hù)服監(jiān)測系統(tǒng)能夠動態(tài)、實(shí)時、精準(zhǔn)地顯示消防員的身體狀態(tài)和火場環(huán)境信息，為指揮員的部署作戰(zhàn)計(jì)劃，減少人員傷亡，預(yù)知潛在的危險(xiǎn)提供了科學(xué)決策。

三、結(jié)語

消防員經(jīng)常需要在高風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)境中作業(yè)，面臨高溫、毒氣、火焰、爆炸、建筑倒塌、體力耗盡等危險(xiǎn)情況，指揮員能夠?qū)崟r地監(jiān)測、分析他們周圍的環(huán)境信息和生理健康狀況就變得非常重要。本研究是在傳統(tǒng)滅火防護(hù)服中集成了感知火場環(huán)境和人員信息的傳感器，將數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)街笓]中心，采用多源信息融合的方式評估和判定消防員察覺不到的潛在風(fēng)險(xiǎn)。通過研究，闡述了滅火防護(hù)服監(jiān)測系統(tǒng)的功能和原理，構(gòu)建了整體框架和模型，闡述了關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)路徑，為指揮員科學(xué)部署滅火戰(zhàn)斗行動，減少人員傷亡提供參考和依據(jù)。

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作者簡介：

張偉（1983—），男，漢族，黑龍江哈爾濱人，講師，碩士，主要從事滅火與應(yīng)急救援工作。

基金項(xiàng)目：

廊坊市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“基于物聯(lián)網(wǎng)的智能消防服監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”，項(xiàng)目編號（2019011004）。