基于多維傳感器的智能消防頭盔系統(tǒng)研究

（南京郵電大學，江蘇 南京 210023）

關(guān)鍵字：多維傳感器；智能；消防；救援

0 引言

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)水平的整體提高，在消防救援工作中，各種消防情況層出不窮，這也對消防器材與消防員本身都提出了更大的挑戰(zhàn)。在消防設(shè)備日趨智能化的時代，為了最大限度保障消防員的安全與救援效率，對消防頭盔的要求也越來越高。但是作為救援主要設(shè)備之一的消防頭盔，更要重點關(guān)注其使用狀況。基于多維傳感器的智能消防頭盔的系統(tǒng)研究中需要解決多個難題，其中包括各個傳感器模塊的搭配應(yīng)用，消防環(huán)境的數(shù)據(jù)采集，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，整體通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定與安全性與故障診斷等[1]。

1 智能消防頭盔的現(xiàn)狀與分析

智能消防頭盔的研究現(xiàn)狀中當屬狀態(tài)評價最為重要。智能消防頭盔狀態(tài)評價就是根據(jù)消防頭盔在消防救援過程中針對消防現(xiàn)場的環(huán)境對設(shè)備反映出的運行參數(shù)進行實時跟蹤監(jiān)視，并完整記錄，然后從運行參數(shù)及曲線上對智能消防頭盔現(xiàn)在所處的運行狀況進行合理評估。這樣的方法是現(xiàn)今較為普遍并相對真實有效的一種檢查方式，能實時反映智能消防頭盔在工作中的安全狀況及各種安全隱患，因而在實際中廣受歡迎。因而鑒于其對智能消防頭盔評估的重要性，應(yīng)當針對不同消防環(huán)境下的各種情況，做出一個健全的理想評估模型。我國目前對智能消防頭盔的評估水平在國際上處于初級階段，且對于更加智能的消防頭盔更為細致全面的評估工作也沒有很好的進展，也未統(tǒng)一明確的評估體系，所以針對不同的消防環(huán)境對其狀態(tài)評價做出一個細致的評估，也是當前一個需要深入研究的領(lǐng)域。

2 多維傳感器的使用及信息采集

在復(fù)雜的消防環(huán)境下，為了更加了解火場的情況，我們可以利用傳感器來把消防現(xiàn)場的環(huán)境信息進行采集并量化，在這種情況下，傳感器構(gòu)成了信息傳遞的源頭，那么各個傳感器成為了不可或缺的因素[2]。為了達到使用效果，筆者用到了多個傳感器，傳感器模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.1 一氧化碳傳感器模塊

當人體吸入一氧化碳后，往往毫無知覺，直至死亡。因此我們采用MQ7一氧化碳傳感器來監(jiān)測環(huán)境中一氧化碳的含量保證消防人員在火場中的安全[3]。

2.2 煙霧傳感器模塊

很多物體燃燒后會產(chǎn)生煙霧，煙霧不僅會漂浮在空氣中阻礙人的視線，還會隨著人的呼吸對人的呼吸道產(chǎn)生傷害，因此我們采用MQ2煙霧傳感器來檢測消防現(xiàn)場的煙霧濃度，方便保障消防員的安全[4]。

2.3 數(shù)字溫度傳感器模塊

在消防環(huán)境中，隨著各種物體的燃燒，周圍溫度會急劇上升，溫度是一項極其重要的指標，決定著消防救援行動能否安全有效的進行。所以，實時檢測出消防現(xiàn)場的溫度十分重要，我們用數(shù)字溫度傳感器來采集消防現(xiàn)場的溫度信息傳送給指揮中心，保證救援安全的進行[5]。

2.4 火焰?zhèn)鞲衅髂K

各種物體燃燒會產(chǎn)生一定的火焰，會阻礙消防員的視覺，火焰的大小在一定程度上反映了燃燒的程度，所以我們采用火焰?zhèn)鞲衅髂K，便于消防員與指揮中心了解現(xiàn)場的燃燒程度，作出及時的反應(yīng)與判斷，保障消防員及被救人員的安全[6]。

2.5 攝像頭模塊

采用攝像頭模塊就可以讓終端實時了解火場情況。利用樹莓派攝像頭B型OV5647-500萬像素來實時傳回火場救援視頻。在火焰劇烈、網(wǎng)絡(luò)狀況不佳時，可以將視頻文件和照片存儲在本地，這樣就可以盡可能的滿足消防現(xiàn)場信息的采集。

3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

在傳感器采集到消防現(xiàn)場的數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)的傳輸與處理極其重要，筆者通過構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X和手機app上，并結(jié)合多個頭盔反饋的數(shù)據(jù)，形成一個整體的火場數(shù)據(jù)[7]。（多個功能節(jié)點之間通過無線通信形成一個連接的網(wǎng)絡(luò)，這個網(wǎng)絡(luò)我們稱為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）。

3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點

傳感器節(jié)點：具有感知和通信功能的節(jié)點，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中負責監(jiān)控目標區(qū)域并獲取數(shù)據(jù)，以及完成與其他傳感器節(jié)點的通信，能夠?qū)?shù)據(jù)進行簡單的處理。

3.2 無線傳感網(wǎng)器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的目標

對傳感網(wǎng)絡(luò)來說，有很多指標可以用來評估傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能情況，其中筆者主要研究以下幾個指標：

（1）延遲。許多傳感器應(yīng)用程序需要低延遲才能保證服務(wù)，所以協(xié)議必須確保感知到的數(shù)據(jù)將在一定的延遲內(nèi)交付給用戶。

（2）容錯。傳感器和鏈路故障的魯棒性必須要通過冗余和協(xié)同處理以及通信來實現(xiàn)。

（3）通信能力/吞吐量。由于大多數(shù)傳感器數(shù)據(jù)必須傳送到單個基站或融合中心，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在一個關(guān)鍵區(qū)域（或者節(jié)點），這些區(qū)域必須中繼網(wǎng)絡(luò)中幾乎所有節(jié)點生成的數(shù)據(jù)。因此，即使在平均通信率較低的情況下，這些關(guān)鍵節(jié)點上的通信量也很大。顯然，這一領(lǐng)域?qū)ο到y(tǒng)生命周期、數(shù)據(jù)包的端到端延遲和可伸縮性有至關(guān)重要的影響[8]。

3.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全的要求

（1）數(shù)據(jù)機密性。傳感器節(jié)點不能向鄰居節(jié)點泄露敏感參數(shù)；通信的信道必須保證安全可靠；加密的算法要安全可靠。

（2）數(shù)據(jù)完整性。因為在通信過程中，篡改數(shù)據(jù)包會導致惡劣的通信環(huán)境，所以需要保證數(shù)據(jù)包在發(fā)送過程中難以被篡改。

（3）數(shù)據(jù)的新鮮性。數(shù)據(jù)包要保證是最新的，防止舊消息被重播。

（4）可用性。一些傳統(tǒng)的安全算法需要在修改后才能應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其中一些算法在應(yīng)用時也會帶來更多的開銷等問題，導致這些算法在實際中不實用。

4 智能消防頭盔系統(tǒng)的應(yīng)用

在消防救援的日常訓練及實際救援中中，可以使得智能消防頭盔得到廣泛的使用，消防員佩戴智能消防頭盔，能夠保障消防員避免有毒氣體的毒害，跨過濃煙的阻擋，找到被困人員。同時穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸與通信功能更是方便了與指揮中心的交流，智能消防頭盔可以將采集的火場圖像及數(shù)據(jù)信息實時傳送到指揮中心終端，實現(xiàn)指揮中心與各消防作戰(zhàn)小組之間的無線交流，便于根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境適時調(diào)整作戰(zhàn)方案，靈活指揮各個消防人員，最大程度保障消防員的安全，同時提高消防救援行動的效率。

5 結(jié)論

綜上所述，選用更為優(yōu)良的制作材料與更合理的裝配會更好地保障消防人員的安全，而采用更加智能的消防頭盔也大大提高了消防人員的救援工作效率與安全性。因而倡導對智能消防頭盔的研究，可以促進救援安全有效的開展，進而保障消防人員與被困人員的生命安全，對于消防部隊的日常訓練及實際救援行動具有很大的應(yīng)用價值。