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專家導(dǎo)讀

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

火災(zāi)是比較常見的災(zāi)害，無論是自然發(fā)生還是人為造成的，往往伴隨著人員傷亡和經(jīng)濟損失，一直是威脅公眾安全和社會發(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穿戴設(shè)備之一。據(jù)統(tǒng)計，我國發(fā)生火災(zāi)的撲救時間平均約為43 min，而國內(nèi)消防部隊普遍裝備的是30 MPa/6.8 L的空氣壓縮氣瓶，在實際操作過程中的供氣時間約為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，實時掌握所背負氣瓶的空氣余量，對處于火場的消防員判斷繼續(xù)行動的時長起到重要的參考作用。由于火場現(xiàn)場環(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)院自動化研究所的“消防員定位系統(tǒng)”項目從實際出發(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)，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來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)通過建立多種復(fù)雜環(huán)境模型，同時考慮了火場環(huán)境因素對算法的影響，利用RSSI衰減來衡定復(fù)雜環(huán)境中墻壁、玻璃等對無線通訊信號的影響值，并用多次校準方式以減少由慣性導(dǎo)航隨著時間和距離的增加帶來的測量精度減低，有效減少消防員三維定位過程中的高度誤差，在一定程度上提高算法的準確性。

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，可對消防員狀態(tài)(位置、姿態(tài)和生命體征等)和火場情況進行實時顯示和記錄，進而對消防員進行路徑規(guī)劃和任務(wù)調(diào)配。系統(tǒng)可以實現(xiàn)對建筑三維的縮放、平移、旋轉(zhuǎn)定位功能。根據(jù)人員定位設(shè)備傳輸回來的三維參數(shù)，在建筑三維中實現(xiàn)佩帶人員定位設(shè)備的人員定位。在建筑三維中實現(xiàn)人員行走軌跡實時動態(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，實現(xiàn)人員隊友搜救、安全退出引導(dǎo)、氧氣倒計時、現(xiàn)場毒氣報警等一系列功能。

“基于無線傳輸?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)場的消防員佩戴的終端設(shè)備之一，是定位系統(tǒng)功能實現(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)場搶險作業(yè)。“基于無線傳輸?shù)南绬T空氣呼吸面罩”通過無線壓力傳感器與智能面罩的結(jié)合，將經(jīng)過氣瓶閥輸出的氣瓶壓力讀取出來，再與智能面罩的無線接收器相連，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燈的閃亮來標識氣瓶壓力值。無線壓力傳感器(壓力變送器)采用ZigBee通訊方式，其理論傳輸速率為250 kps，實際傳輸速率小于100 kps，雖然遠遠低于藍牙和WIFI技術(shù)，但是具有傳輸距離較遠、功耗小(發(fā)射功率約為10 mw)、續(xù)航時間長、協(xié)議簡單、成本低等特點。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)的無線壓力傳感器應(yīng)用于消防員空氣呼吸面罩的設(shè)計中，這樣，不僅可靠實現(xiàn)消防員對氣瓶余量的隨時觀察，還可以通過ZigBee的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將現(xiàn)場實時信息傳送到指揮中心，便于指揮員掌握火場情況、消防員的身體及裝備的狀況。