消防员空气呼吸器实时监测系统的设计

李 增，裴建国，朱红伟，马曙光

（中国人民武装警察部队学院 河北 廊坊　065000）

消防员空气呼吸器实时监测系统的设计

李 增，裴建国，朱红伟，马曙光

（中国人民武装警察部队学院 河北 廊坊065000）

为了保障在灾害现场实施抢险救援作业的消防员的个人安全，设计了基于Android平台的空气呼吸器实时监测系统，主要包括气体压力传感器测量系统，数据服务器和移动指挥平台，实现将灾害现场消防员空气呼吸器状态信息实时、不间断地传输到后方指挥中心和一线指挥员的便携式指挥平台，辅助指挥员决策，提高指挥自动化水平。

呼吸器；信息；测量；消防；传输

正压式空气呼吸器是消防员进入火灾现场，特别是处置危险化学品、天然气泄露时所必须佩带的个人防装备，为保障消防员的人身安全发挥了重要作用，常用的气瓶压力为30 MPa，容量6.8 L或9 L，标称时间60～90 Min，但是由于肺活量的差异，运动状态的不同，使得正压式空气呼吸器的使用时间因人而异，同一个人，跑步或者静止状态下使用时间也不相同，这就造成了指挥员很难掌握每个人的具体情况，无法有效指挥，组织救援行动，也不能第一时间命令那些空呼容量用尽达到报警阈值的消防员及时撤出。特别是在消防员被困或者迷路的情况下，因空呼用尽施救不及时而造成消防员牺牲惨剧时有发生。

随着技术的发展，把消防员的空气呼吸器状态信息及时采集、传输到后方指挥中心和前沿指挥员，根据消防员实际使用情况实时更新使用时间，能够有效辅助指挥员决策，提高指挥自动化水平，保障消防员人身安全［1］。机处理及低功耗蓝牙无线收发器，基于Android系统的数据中继转发平台，支队数据服务器和移动指挥平台。设计系统框图如图1所示。

单兵终端包括固定在气瓶终端气体压力感知摸块和数据中继转发平台，数据中继转发平台依托消防员配备的防暴手机，在此基础上进行软件开发设计、通过蓝牙无线互联气瓶压力感知终端［2］，并把所测数据通过3G通信的方式传输到现场支队数据服务器。支队数据服务器通过网关和防火墙与3G公网互联，用于缓存数据，便携式移动指挥平台采用平板电脑，集中显示每个消防员气体压力参数。人机交互，辅助现场指挥员决策。

2　硬件系统的设计

1　系统设计

消防员抢险救援的场所包括建筑物内部、地下空间、隧道等场所，目前3G公网信号基本都能实现这些场所的覆盖。根据系统设计的需求，结合实际情况，本系统主要包括如下几部分：PT500-500气体压力传感器及外围电路设计，单片

硬件系统的设计以MSP430F2249单片机为控制核心，包括前端信号采集，放大电路，后端的蓝牙数据传输摸块，系统的整体框图如图2所示。

PT500-500系列气体压力传感器器采用高精度高稳定性电阻应变计/扩散硅晶体/陶瓷晶体等做为感压芯片，贴片工艺，配套带有零点、满量程补偿，温度补偿的高精度和高稳定性放大集成电路，输出4～20 mA微电流，测量压力可达60 MPa，满足最大30 MPa的测量需求。

图1　系统设计框图Fig.1　Structure diagram of the system

图2　硬件系统框图Fig.2　Hardware diagram of the system

负载电阻800 Ω，转化为响应的电压信号，第一级放大电路采用AD620放大器，传感器测得的电流信号转化为电压信号后放大10～1000倍，根据实际情况调整合适的放大倍数后经过电容C6实现直流分量和交流分量的分离，交流分支进入二级放大机构进行再次放大，而直流分量直接进入MSP430F2249的AD采样模块AD0，用于测量气瓶压力的平均值，模拟信号通过经过OP07放大滤波后进入单片机AD转换器的AD1，用于气瓶压力的波动值，最后实测值为两者之间的叠加，如图3所示。

MSP430F2249是MSP430系列单片机之一，内置16位AD转换模块和两个定时器，主要完成数据的AD采样，单片机内部的初始化和传输模块CC2540寄存器的设置以及发射、接受数据的读写操作。

CC2540是TI公司单模低功耗蓝牙芯片，内置51单片机内核，能够实现对数据的初步处理。第一步：以1 000个数据信息为一个处理周期，对这1 000个值取平均值，滤波，并降低数据的更新次数，因为系统对数据得更新频率要求不要，0.5～1次/秒即可；第二步：据信息进行判断，如果信号不属于正确气瓶压力传感器范围，则抛弃这段数据不处理，反之推送到蓝牙模块的缓冲区传输到Android数据中转发平台。Android手机中转平台设置报警门限5MPa，一旦低于该值，则报警。

图3　气瓶压力传感器二级放大电路Fig.3　Two level amplifier circuit of air press sensor

3　系统的软件设计

软件主要包括Android数据中继转发平台和移动指挥平台的设计，Android数据中继转发平台依托消防员配备的防暴手机（Android平台）［4］，以蓝牙的方式接收气瓶压力数据，加上数据的报头，报尾，组成F5+5F+数据+5F+F5帧结构，打包后以3G通信的发方式发送到后方指挥中心数据服务器，后方指挥中心数据服务器缓存后再以3G无线通信的形式发送到前沿指挥员的移动指挥平台，移动指挥平台采用防暴处理并加固后的平板电脑，7～8寸，Android系统，主要完成对气瓶压力数据的显示，并根据最近1分钟消防员的空呼使用情况，估计余量的使用时间，一旦时间低于10 Min，5 Min，以不同的报警音进行提示，辅助指挥员采取相关措施。两者都在Android应用的专业开发环境Eclipse基础上使用java语言进行界面和数据传输，处理的开发，程序流程如图4所示。

Android数据中继转发平台和移动指挥终端的定时器为1 000 ms，即数据以1次/秒的频率进行更新，保证前沿指挥员能够及时获取室内抢险救援作业消防员的空气呼吸器状态信息，一旦超过预先设置阈值，移动指挥平台则发出特定声音或以特定频率闪烁来提醒指挥员，而Android数据中继转发平台，即智能手机以震动的方式通知消防员［5］。

图4　通信终端和指挥平台软件设计程序流程图Fig.4　Program flow chart of communication terminal and command platform

无论是Android数据中继转发平台和移动指挥终端，数据的操作（包括发送和接收）都是非常耗时的过程，为了保证用户体验，在编程的过程中必须开辟单独的接收和发送数据线程，接收数据线程的部分代码为：

这部分是操作蓝牙和3G适配器传输访问发送和接收缓存的代码，其中mmInStream和mmOutStream是Android Socket通信模型中InputStream和OutputStream的实例化对象，它们通过调用Socket模型中read（）和write（）方法，实现数据的读写。

4　实验数据及结果

PT500-500系列气体压力传感器由于受到温飘、零飘等因素的影响，其传感器有一定的非线性，实验测得，该压力传感器在2～35 MPa区间，线性度都比较好，如图5左图所示。较好地满足了30 MPa量程的测量要求。移动指挥终端除了显示空气呼吸器的压力，余量使用时间，还可以显示消防员的基本信息，包括姓名、性别，所所属机构，以及消防员的生命体征信息，如图5右图所示。

5　结　论

图5　PT500-500压力传感器线性特性和数据显示界面Fig.5　PT500-500 pressure sensor characteristic and Data interface

本系统中设计的气体压力传感器测量装置安装在在消防员佩戴的正压式呼吸器的末端［6］，采用干电池供电，开机后自动扫描并建立传输链路，能够将气瓶压力参数实时传输到后方指挥中心和前沿指挥员手里，辅助指挥决策，提高指挥自动化水平。

［1］唱欢欢.基于GSM模块的体温和脉搏数据采集系统设计［D］．哈尔滨：哈尔滨理工大学，2011．

［2］赵文丽.便携式生命体征动态监测仪设计［J］.电子设计工程，2015，23（2）：130-133.

［3］朱宇，齐乐.基于智能手机的Holter系统［J］.电子设计工程，2015，23（2）：130-133.

［4］邹辉林.脉搏信号远程自动监控器系统原型研究 ［D］.广州：华南理工大学，2011.

［5］李国辉.自给正压式空气呼吸器应用研究［J］.消防技术与产品信息，2011，6（20）：16-44.

［6］梁卫国.浅议空呼使用时间的有效控制［J］.中国教育技术装备，2012，267（9）：103-104.

Positive pressure air breathing information real-time collection system

LI Zeng，PEI Jian-guo，ZHU Hong-wei，MA Shu-guang
（The Armed Police Academy，Langfang 065000，China）

In order to protect the firefighters working on disaster scene，positive pressure air breathing information collection and transmission system based on Android terminal is designed，which including air press sensor terminal，data servers and portable command platform.As a result，information of positive pressure air breathing parameter are transmit to command center and commander on site real-time and uninterrupted，playing an important role on decision-making reason，and the level of automation of command is improved.

disaster；information；collection；fire；transmission

TN923

A

1674-6236（2016）03-0190-04

2015-05-04稿件编号：201505011

公安部应用创新计划项目（2014YYCXWJXY60）

李 增（1982—），男，河南邓州人，博士，讲师。研究方向：消防通信。