王慶輝， 顧胡杰， 封岸松， 魏立峰

(沈陽化工大學(xué) 信息工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

智能化消防人員監(jiān)控的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王慶輝， 顧胡杰， 封岸松， 魏立峰

(沈陽化工大學(xué) 信息工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種用于實(shí)時(shí)監(jiān)測消防員空氣呼吸器剩余氧氣量、高度、姿態(tài)等信息的系統(tǒng).利用485通信實(shí)現(xiàn)主控板、頭部報(bào)警板與信息采集板的下位機(jī)硬件通信，通過GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)到指揮中心，給出下位機(jī)的軟硬件設(shè)計(jì)和監(jiān)控指揮中心軟件的實(shí)現(xiàn)方案.對(duì)實(shí)施過程中的關(guān)鍵技術(shù)，如基于三軸加速度計(jì)的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測和基于氣壓計(jì)的高度檢測等，進(jìn)行了說明.通過上位機(jī)軟件對(duì)現(xiàn)場環(huán)境和消防員的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行監(jiān)控.

監(jiān)控系統(tǒng)； 高度； 運(yùn)動(dòng)檢測； 485通信

火災(zāi)是威脅公眾安全和社會(huì)發(fā)展的災(zāi)害之一，也是造成群死群傷事故的最主要災(zāi)害之一.隨著城市現(xiàn)代化的發(fā)展，樓層不斷地加高，火災(zāi)所導(dǎo)致的危害越來越嚴(yán)重.很多火災(zāi)事故常常由于早期沒被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，錯(cuò)過滅火的最佳時(shí)機(jī)，引發(fā)悲劇.國內(nèi)外對(duì)消防救援[1]已早有研究，例如在英國拉夫堡(Loughborough) 大學(xué)研究小組設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中可提供指定地點(diǎn)的環(huán)境和險(xiǎn)情信息，但該系統(tǒng)需要預(yù)先在建筑物內(nèi)布設(shè)傳感器，這在目前的實(shí)際救援中還有些困難.其他這方面的研究也多存在信息采集方式不夠可靠，采集的信息尚不夠完善，對(duì)信息的處理欠缺實(shí)用性等問題，不能很好地適應(yīng)當(dāng)前消防救援復(fù)雜的現(xiàn)場狀況，由此導(dǎo)致的滯后性直接影響搶險(xiǎn)救援工作的順利展開.

針對(duì)現(xiàn)階段消防救援的局限性，為了充分保障消防人員的生命安全，本系統(tǒng)從系統(tǒng)穩(wěn)定性和傳輸可靠性出發(fā)，綜合消防現(xiàn)場消防人員可能突發(fā)的緊急狀況，在充分研究目前消防救援系統(tǒng)和綜合嵌入式技術(shù)、高度計(jì)、485通信、加速度計(jì)等技術(shù)[2]的基礎(chǔ)上,提出一種新型智能化消防人員監(jiān)控系統(tǒng)[3]，引入多種消防救援中實(shí)用的功能，對(duì)消防救援用到的多種信息進(jìn)行可靠的采集和傳輸，實(shí)現(xiàn)消防指揮中心對(duì)消防人員進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控.

1 智能化消防人員監(jiān)控系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能化消防人員監(jiān)控系統(tǒng)(如圖1所示)由消防員信息采集裝置和監(jiān)控指揮中心兩部分組成.消防員信息采集裝置由消防員隨身配備，負(fù)責(zé)信息的采集和上傳；監(jiān)控指揮中心負(fù)責(zé)接收并處理采集的數(shù)據(jù)，為救援調(diào)度提供決策依據(jù).

消防員信息采集裝置由主控制板、信息采集板和頭部報(bào)警板3部分組成.

(1) 主控板集成LED數(shù)碼管、GPRS、蜂鳴器和電源管理芯片等器件，負(fù)責(zé)與監(jiān)控指揮中心進(jìn)行信息傳輸，控制信息采集板的信息采集和向頭部報(bào)警板發(fā)送剩余電量等一系列的控制和處理工作.

(2) 信息采集板用來接收主控板發(fā)送的控制信息，完成消防員的高度、身體姿態(tài)和氧氣瓶剩余氣體量的采集等工作.

(3) 頭部報(bào)警板用來接收主控板發(fā)送的電量剩余信息和信息采集板發(fā)來的剩余氧氣量，對(duì)接收到的氧氣剩余量用6個(gè)發(fā)光二級(jí)管進(jìn)行剩余量的標(biāo)定等.

監(jiān)控指揮中心利用基于MSComm控件的VC++串口通信方式所編寫的上位機(jī)界面，對(duì)消防員所處的高度、人員編號(hào)、人員是否跌倒等信息進(jìn)行智能化管理.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

針對(duì)救援現(xiàn)場的復(fù)雜環(huán)境和業(yè)務(wù)需求，智能化消防人員監(jiān)控系統(tǒng)具體應(yīng)具有以下功能和優(yōu)點(diǎn)：

(1) 系統(tǒng)通過對(duì)消防員身體姿態(tài)的研究并結(jié)合消防營救的實(shí)地情況，將消防員的身體姿態(tài)分為靜止、活動(dòng)和倒地3種狀態(tài).

(2) 其中針對(duì)樓宇或山體等需要消防員垂直爬升的火災(zāi)現(xiàn)場，引入高度傳感器，準(zhǔn)確定位消防員所在的高度.

(3) 國外整個(gè)網(wǎng)絡(luò)都利用無線傳輸，但傳輸距離有限；本文提出利用GPRS進(jìn)行信息傳輸.該鏈路穩(wěn)定，傳輸距離大，覆蓋范圍廣.

(4) 針對(duì)消防現(xiàn)場狀況復(fù)雜、對(duì)傳輸?shù)姆€(wěn)定性要求極高的特點(diǎn)，小范圍內(nèi)采用485傳輸有線通信.整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用無線與有線結(jié)合的方式，不僅避免了小范圍內(nèi)大量無線信號(hào)傳輸帶來的整個(gè)系統(tǒng)的不可靠性，而且又能發(fā)揮遠(yuǎn)距離無線傳輸?shù)膬?yōu)勢.

(5) 從系統(tǒng)的穩(wěn)定性和消防員生命安全等多方面考慮，引入板間連接判斷和消防員一鍵向指揮中心報(bào)警等多種針對(duì)消防救援實(shí)際的有效機(jī)制.

(6) 當(dāng)剩余電量不足時(shí)，在頭盔內(nèi)間隔時(shí)間的短暫震動(dòng)報(bào)警提示消防員電量剩余不足；當(dāng)剩余氧氣量不足時(shí)，在主控板自動(dòng)進(jìn)行間隔時(shí)間的蜂鳴器報(bào)警：有效地增強(qiáng)了消防員對(duì)自身設(shè)備狀況的了解.

2 系統(tǒng)電路及硬件設(shè)計(jì)

考慮到便攜設(shè)備的低功耗要求，同時(shí)考慮到主控制板既要負(fù)責(zé)與指揮中心傳輸，又要同另外兩板通信，所以，主控制板cpu選用有兩個(gè)串口的msp430f249芯片[4]，而信息采集板和頭部報(bào)警板則選用msp430G2533芯片；這兩款芯片都是TI公司推出的超低功耗的16位單片機(jī)芯片，由5種低功耗模式相組合，可有效延長電池使用時(shí)間和電池壽命.遠(yuǎn)距離傳輸部分采用華為公司的GTM900模塊，GTM900使用串口進(jìn)行通信，既方便與單片機(jī)的連接又方便和PC機(jī)連接；并且支持GSM標(biāo)志AT命令，同時(shí)支持短信以及GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù).在電源部分，電源管理芯片選用bq24041，電源芯片使用ms1117作為穩(wěn)壓芯片(3.3V)；外部電源使用便攜式設(shè)計(jì)，選用了可充電的2 400 mAH的鋰電池供電.圖2為信息采集板的設(shè)計(jì)框圖.

圖2 信息采集板的硬件設(shè)計(jì)框圖

2.1 基于氣壓計(jì)的高度檢測

將氣壓計(jì)采集出來的氣壓通過公式(1)轉(zhuǎn)化為高度，以采集初始位置的高度作為初始高度，其他采集到的數(shù)據(jù)與初始高度相減，求出消防員爬升的相對(duì)高度(如式2).

Hm=(44 330.0×(1.0-pow(p/1 013.25,0.190 295)))；

(1)

H=abs(Hm-H0)；

(2)

其中：Hm為計(jì)算出的當(dāng)前高度；H0為初始高度；H為相對(duì)的樓層高度.盡管大氣壓在同一地點(diǎn)受溫度、濕度等因素影響，但在一段時(shí)間內(nèi)，可以有效地確認(rèn)出消防員的相對(duì)高度變化，實(shí)現(xiàn)消防員的高度定位.

2.2 基于三軸加速度計(jì)的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測

姿態(tài)的測量選用三軸加速計(jì)芯片ADXL345.該芯片通訊采用IIC接口，具有±16 g的測量范圍，其分辨率為3.9 mg/LSB.對(duì)于軸加速度傳感器，假設(shè)它的傳感方向和重力加速度方向一致時(shí)，為零傾斜角度，加速度傳感器測量結(jié)果為F(θ)，θ為傾斜角度，g為重力加速度，則測試結(jié)果為：

F(θ)=gcosθ

(3)

算出人體姿態(tài)角[5].因?yàn)橛玫氖菃屋S判斷，對(duì)消防員每次佩戴器件有嚴(yán)格要求，為了避免因?yàn)榍闆r緊急消防員佩戴出現(xiàn)錯(cuò)誤，上電時(shí)將加速度計(jì)值在大于0.8 g或小于-0.8 g時(shí)的軸作為加速度傳感器測量軸，同時(shí)根據(jù)計(jì)算出來的人體傾角判斷當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[6].

(1) 靜止?fàn)顟B(tài)：采集均值小于70°且15次采集的人體姿態(tài)角差小于10°.

(2) 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：采集均值小于70°且15次采集的人體姿態(tài)角差大于10°.

監(jiān)理是通過對(duì)施工單位的施工進(jìn)度、質(zhì)量以及成本實(shí)行控制的。所以良好的組織協(xié)調(diào)施工單位的施工過程是監(jiān)理工程師工作的重點(diǎn)內(nèi)容。在實(shí)施監(jiān)理的過程中，要始終堅(jiān)持實(shí)事求是的原則，在遵守規(guī)程和制度的前提下，實(shí)施科學(xué)管理。監(jiān)理工程師應(yīng)該在保證建設(shè)的總目標(biāo)不變的前提下，平衡各方面的利益，鼓勵(lì)施工單位及時(shí)的對(duì)遇到的問題和困難、工程的實(shí)際施工狀態(tài)進(jìn)行匯報(bào)，掌握一手的施工信息，對(duì)影響目標(biāo)的問題進(jìn)行排除。在進(jìn)行協(xié)調(diào)溝通的時(shí)候應(yīng)該注意分寸，使工作中的分歧技能得到有效的解決，又不影響各方的關(guān)系，主要應(yīng)該最好以下幾個(gè)方面要：

(3) 跌倒?fàn)顟B(tài)：采集均值大于70°.

如圖3所示為沒有經(jīng)過處理的原始數(shù)據(jù)，結(jié)合測試時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從圖3中可以看到人開始的時(shí)候靜止不動(dòng)，加速度平穩(wěn)，兩次跌倒加速度值都接近于零或小于零，而活動(dòng)時(shí)的加速度周期性變化.

圖3 加速度計(jì)采樣數(shù)據(jù)

2.3 應(yīng)變壓力傳感器信息采集

應(yīng)變壓力傳感器HM2600輸出的是PWM波形，周期為32 μs.而編碼方式是通過PWM波形的占空比來輸出的，采用的數(shù)字輸出協(xié)議的編碼為

(1) 起始位：占空比為50 %周期.

(2) 邏輯1位：占空比為75 %周期.

(3) 邏輯0位：占空比為25 %周期.

(4) 停止位：占空比50 % 1/2周期.

數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)每幀為兩個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)為10個(gè)位(1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位奇偶校驗(yàn)位)，在手冊(cè)中可以得到0～40 MPa對(duì)應(yīng)輸出數(shù)值為1 638～14 745，其壓力對(duì)應(yīng)數(shù)值按線性計(jì)算，所以壓力計(jì)算公式如下：

p=40(x-1 638)/(14 745-1 638)

(4)

其中，p為壓力瓶的壓力值，x為傳感器輸出值.

3 智能化消防人員監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)利用IAR對(duì)三個(gè)不同模塊進(jìn)行C語言編程.信息采集板采用塊同步方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以字母be標(biāo)識(shí)塊的開始，然后加上發(fā)送長度，而以end為結(jié)束標(biāo)識(shí).GPRS無線通信模塊通過發(fā)送AT指令的方式建立UDP服務(wù)器[7]，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線通信.信息采集板和報(bào)警頭板處于休眠模式，直到接收到數(shù)據(jù)才喚醒，處理完相應(yīng)操作后，又重新進(jìn)入休眠模式，有效地降低了系統(tǒng)的功耗.其中主控板的程序框圖如圖4所示.

圖4 主控板程序框圖

4 樣機(jī)顯示描述及系統(tǒng)測試界面

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)測試界面采用基于MSComm控件[8]的VC++串口通信[9]編寫，通過對(duì)主控板發(fā)來的信息進(jìn)行分析，以最直觀的形式實(shí)時(shí)展現(xiàn)消防員狀態(tài)的變化.從編寫的系統(tǒng)測試界面可以看到人體是否倒地、人所處高度、氧氣罐剩余氧氣量等信息.基于對(duì)復(fù)雜環(huán)境清晰顯示的需求，樣機(jī)顯示僅采用數(shù)碼管來標(biāo)定系統(tǒng)傳輸狀態(tài)，上電連接正確標(biāo)定為C01，啟動(dòng)GPRS數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)標(biāo)定為C02，等待IP地址狀態(tài)標(biāo)定為C03，搜索網(wǎng)絡(luò)并成功建立服務(wù)器標(biāo)定為C04.而對(duì)于出現(xiàn)的連接錯(cuò)誤標(biāo)定為E00，接收錯(cuò)誤標(biāo)定為E01.

實(shí)驗(yàn)人員佩戴著消防設(shè)備在實(shí)驗(yàn)樓進(jìn)行了實(shí)地測試，圖5為人在二樓倒地時(shí)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行的顯示，從圖5中可以看到編號(hào)為63號(hào)的消防員在離初始高度3 m處跌倒，氧氣瓶剩余氧氣量為25 MPa.由于人員倒地，所以顯示紅色報(bào)警.

圖5 系統(tǒng)測試界面

5 結(jié)束語

主要闡述了智能化消防人員監(jiān)控的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案.在總結(jié)消防救援需求的基礎(chǔ)上，給出了系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)性框架圖，從原理上對(duì)智能化消防人員監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行劃分，同時(shí)給出了上位機(jī)測試界面.系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)控消防員多種實(shí)際有效的個(gè)人信息，對(duì)于提高救援效率和消防人員的生命安全系數(shù)，具有重要的社會(huì)意義和應(yīng)用前景.

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Intelligent Monitoring System Design for Fireman

WANG Qing-hui， GU Hu-jie， FENG An-song， WEI Li-feng

(Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142， China)

A monitoring system，which is used for real-time monitoring of the residual aeration in the air respirator，posture，personnel height and other information，was designed and developed.The collecting technology RS485 is used among main control board,head alarm board and information collection board to communicate with each other.And then main control board sends the data to the command center through the telecom GPRS network.The monitoring system design give implementation scheme of lower machine design and monitoring center software.The key technologies in the process of implementing，such as motion detection based on triaxial accelerometer and height detection based on altimeter sensor were explained.The management software can monitor the scene environment and the real-time information from the firemen.

montioring system； height； motion detection； 485 communication

2014-10-30

王慶輝(1972-)，男，遼寧沈陽人，副教授，博士，主要從事智能測控技術(shù)與裝置的開發(fā)與研制和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)的研究.

2095-2198(2017)02-0177-05

10.3969/j.issn.2095-2198.2017.02.017

TP274

： A