可穿戴技術(shù)在智能消防服上的應(yīng)用研究

摘要：隨著火災(zāi)現(xiàn)場環(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、體溫監(jiān)測、運(yùn)動監(jiān)測、氣體監(jiān)測和環(huán)境溫濕度監(jiān)測等5個方面，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程?；诖耍槍Ξ?dāng)前可穿戴技術(shù)在智能消防服應(yīng)用過程所面臨的問題，提出可穿戴傳感器可靠性、智能消防服耐用性以及評價(jià)體系標(biāo)準(zhǔn)化是智能消防服未來的重要發(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

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

0 引言

在滅火或其他應(yīng)急救援過程中，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)，但無法讓消防員及時了解火場及自身情況。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)時智能監(jiān)測火場環(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)時傳送的數(shù)據(jù)及時調(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，由于其長期監(jiān)測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)時監(jiān)測消防員的心率和體溫。運(yùn)動傳感器、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)時定位、監(jiān)測環(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)。通過預(yù)設(shè)閾值來實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，如果所監(jiān)測的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，控制模塊通過蜂鳴報(bào)警器報(bào)警或LED燈閃爍來提示消防員。同時，控制模塊將數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee等無線通信技術(shù)傳輸?shù)皆破脚_，可供電腦端/手機(jī)端查看，當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)異常時會發(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、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)測的應(yīng)用

“人體-服裝-環(huán)境”是一個相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)，智能消防服在這個系統(tǒng)中起到調(diào)節(jié)和監(jiān)測的作用，保護(hù)消防員免受外界環(huán)境的熱傷害。根據(jù)監(jiān)測功能劃分，可分為生理監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)測兩大類。生理監(jiān)測包括心率監(jiān)測、體溫監(jiān)測、運(yùn)動監(jiān)測，環(huán)境監(jiān)測包括氣體監(jiān)測和環(huán)境溫濕度監(jiān)測。

2.1.1" 心率監(jiān)測

消防員經(jīng)常在不可預(yù)測的緊急情況下冒著生命危險(xiǎn)進(jìn)行救援行動，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，有必要對其進(jìn)行心率監(jiān)測。心率監(jiān)測的核心部件是心率傳感器，主要通過心電圖（ECG）和光電容積描記法（PPG）兩種技術(shù)來監(jiān)測心率?；贓CG技術(shù)的心率傳感器通過監(jiān)測心臟每次跳動時產(chǎn)生的電信號來獲取消防員的心率，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]。基于PPG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，檢測血紅蛋白吸收的變化來獲取消防員的心率，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)測準(zhǔn)確度較前者低。因此，如何平衡監(jiān)測準(zhǔn)確度和舒適度將成為智能消防服心率監(jiān)測的核心挑戰(zhàn)。

2.1.2" 體溫監(jiān)測

在高溫環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)時，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)時監(jiān)測身體溫度的體溫傳感器至關(guān)重要?？纱┐黧w溫傳感器直接集成在智能消防服內(nèi)衣上進(jìn)行監(jiān)測，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，通過接觸式熱敏元件實(shí)時監(jiān)測身體溫度。這類接觸式體溫傳感器雖然有較高的測量精度，但難以形成全方位監(jiān)控。通過紅外掃描技術(shù)可實(shí)現(xiàn)體溫監(jiān)測的全方位覆蓋，智能消防服中的紅外體溫傳感器通過檢測身體向外輻射的紅外線來測量溫度[5]。當(dāng)監(jiān)測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。紅外體溫傳感器測量速度快，但易受環(huán)境和外部因素的影響。未來可基于多光譜融合的測溫技術(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)動監(jiān)測

運(yùn)動傳感器能夠識別人體的運(yùn)動方向和速度，并通過將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進(jìn)行分析，可以監(jiān)測消防員的運(yùn)動狀態(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)動傳感器會發(fā)出信號以便及時對消防員進(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)動傳感器的跌倒檢測系統(tǒng)的研究大多數(shù)是針對老年人和行動緩慢的病人，并不適用于活動狀態(tài)復(fù)雜的消防員。目前已經(jīng)開發(fā)出了適用于消防員跌倒監(jiān)測的姿勢檢測系統(tǒng)，在大幅度運(yùn)動的情況下運(yùn)動傳感器也能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動狀態(tài)的監(jiān)測，且準(zhǔn)確率高。姿勢檢測系統(tǒng)通過姿態(tài)識別和級聯(lián)姿態(tài)識別，提高了測量精度。在實(shí)際應(yīng)用中運(yùn)動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)動傳感器的放置部位可能會影響消防行動，放置在哪些部位能提高測量精度且不影響消防救援未來需要進(jìn)一步研究。

2.1.4" 氣體監(jiān)測

有毒和易燃?xì)怏w的泄漏可能會造成嚴(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)時需要實(shí)時監(jiān)測氣體在環(huán)境中存在的情況。氣體監(jiān)測使用的是氣體傳感器，氣體傳感器主要根據(jù)監(jiān)測到不同的濃度或密度，來確定氣體類型及濃度并發(fā)出信號。常見的氣體傳感器有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)測不同類型的危險(xiǎn)氣體，通過LED環(huán)或TFT屏幕來顯示檢測到的有毒氣體種類。智能消防服上的MQ-2氣體傳感器用來監(jiān)測液化石油氣、甲烷和煙霧；MQ-4氣體傳感器對甲烷、丙烷、丁烷有較好的靈敏度，特別是天然氣；MQ-7氣體傳感器用來監(jiān)測CO值。當(dāng)傳感器測量值超過設(shè)定閾值，則會自動激活聲光報(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題。未來可通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取氣體傳感器陣列的深層特征，通過特征有效識別不同氣體成分，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

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?；蛭＜睜顟B(tài)的主要特性之一。隨著相對濕度的增加，人體感受到的溫度也會增加，高溫高濕的環(huán)境容易導(dǎo)致消防員在作業(yè)過程中產(chǎn)生熱應(yīng)激反應(yīng)。環(huán)境溫濕度監(jiān)測主要依賴于溫度傳感器和濕度傳感器。通過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)測環(huán)境溫度，監(jiān)測物體表面發(fā)出的紅外輻射能量并轉(zhuǎn)換為溫度信號；濕度傳感器監(jiān)測環(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。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)測環(huán)境溫濕度。目前基于溫濕度監(jiān)測功能的智能消防服通過監(jiān)測外部環(huán)境，判斷所處環(huán)境是否對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期暴露于高溫高濕的環(huán)境下，其耐用性能會逐漸下降。未來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

由于火場環(huán)境復(fù)雜，智能消防服中單個傳感器無法全面收集火情信息及消防員的生理狀態(tài)。與單個傳感器相比，多傳感器的功能集成可以有效擴(kuò)大消防救援時的監(jiān)測范圍。為了集成智能消防服多個傳感器的監(jiān)測功能，采用多傳感器交叉監(jiān)測設(shè)計(jì)。首先，對不同傳感器的監(jiān)測信號進(jìn)行交叉采集及數(shù)據(jù)融合。其次，對這些初級融合的數(shù)據(jù)的特征分類提取及識別。再次，將識別的不同特征進(jìn)行決策關(guān)聯(lián)。最后，對決策進(jìn)行融合后用于生理和環(huán)境狀態(tài)的評估及特征異常報(bào)警。智能消防服中用于環(huán)境監(jiān)測的傳感器檢測所處火場環(huán)境，規(guī)避潛在危險(xiǎn)；用于生理監(jiān)測的傳感器監(jiān)控消防員身體狀況，方便及時施救。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

本文對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)，對消防員的健康和安全起著重大作用。未來研究可從3個方向展開：一是提高可穿戴傳感器可靠性。智能消防服實(shí)現(xiàn)監(jiān)測功能的核心為可穿戴傳感器，未來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。三是智能消防服評價(jià)體系標(biāo)準(zhǔn)化。目前智能消防服沒有明確的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，難以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。未來評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)需在傳統(tǒng)消防服上整合智能化功能評價(jià)模塊，建立多維評價(jià)體系。

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