无线压力传感器在消防员空气呼吸面罩设计中的应用

吴文凯， 赵寒涛

(1.黑龙江省科学院自动化研究所，哈尔滨 150090； 2.黑龙江省科学院高技术研究院，哈尔滨 150020)



无线压力传感器在消防员空气呼吸面罩设计中的应用

吴文凯1，2， 赵寒涛1，2

(1.黑龙江省科学院自动化研究所，哈尔滨 150090； 2.黑龙江省科学院高技术研究院，哈尔滨 150020)

介绍了正压式消防员空气呼吸面罩的组成和基本工作过程，以及无线压力传感器的技术特点，提出了一种基于无线传输的空气呼吸面罩的设计，讨论了无线压力传感器在消防员空气呼吸面罩设计中的应用。

无线传输；消防；呼吸面罩；传感器

火灾是最经常、最普遍威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一，而直接和火灾相斗争的便是消防员。随着经济建设的发展，我国的大型商场、高层建筑及大规模的化工厂越来越多，消防员面临的火场环境越来越复杂，进入火场的时间越来越长，对消防员必须佩戴的防护装备的安全性、可靠性、功能性等提出越来越高的要求。

正压式空气呼吸面罩是目前消防员普遍采用的火场穿戴设备之一，为消防员在缺乏氧气、充满有毒气体、浓烟的高温环境中提供安全、充足的空气，以保证消防员能够正常呼吸。实时掌握所背负气瓶的空气余量，对处于火场的消防员判断继续行动的时长起到重要的参考作用。由于火场现场环境干扰因素较多，方便快捷地读取气瓶压力尤为重要。本文主要讨论了无线压力传感器在消防员空气呼吸面罩设计中的应用。

1 空气呼吸面罩及气瓶

1.1 正压式空气呼吸面罩

消防员呼吸面罩按其工作原理可以分为氧气呼吸面罩和空气呼吸面罩。氧气呼吸面罩与氧气瓶构成的呼吸系统为封闭式，消防员的每次呼吸不与外界大气进行交流，因此工作时面罩内温度较高，使用者佩戴舒适度较差，由于可供气时间较长，主要适用于矿井等救援时间较长的火灾场景[1]。而空气呼吸面罩虽然供气时间较氧气面罩短，但使用者呼吸顺畅、阻力小、佩戴舒适，且空气瓶的充气方便、安全性高、成本较低，是目前消防员主要采用的呼吸面罩。此外，空气呼吸面罩可以采用固定气流速度或根据使用者每次呼吸的气量供应两种供气方式，分别称为定量式和动力式。

空气呼吸面罩以罩内气压大小分为负压式和正压式两种。其中，正压式空气呼吸面罩是指在呼吸过程中，面罩与消防员脸部之间的空间内压力不低于外界压力的开路式空气呼吸面罩[2]。消防员在使用正压式空气呼吸面罩的过程中，面罩内的正压起到将周围环境的气体等阻隔在面罩之外的作用，有效防止消防员在火场中吸入浓烟及有毒气体。目前，正压式空气呼吸面罩已经取代负压式，被国内消防部门普遍采用。

1.2 空气压缩气瓶

据数据显示，我国发生火灾的扑救时间平均约为43 min[3]。目前，国内消防部门普遍装备的是额定压力为30 MPa，液体容积为6.8 L的铝合金内胆碳纤维外缠绕空气压缩气瓶，重量约为4 kg。该气瓶以中等耗气速度30 L/min的标准来计算，设计供气时长为55 min。但救援过程中空气消耗速度受作业强度、消防员的身体素质和心理状态等影响，根据测试消防员站立、快走、小跑时的耗气速度，并结合实战中的使用情况，气瓶的实际供气时间约为16～30 min[4]。

随着火灾规模越来越大的发展趋势，30 MPa气瓶在抢险救灾过程中受到的限制越来越多。随着科技的发展，目前已经有厂家研制出40 MPa/6.8 L及40 MPa/8 L的复合气瓶，研制的40 MPa/6.8 L气瓶空气储量提高到2 266 L，40 MPa/8 L提升到2 666 L，比传统30 MPa气瓶高22%，供气时间增加10 min[5]。

1.3 工作过程

正压式空气呼吸面罩与空气压缩气瓶及供气阀、减压器、气瓶阀等共同构成消防员空气呼吸系统。空气气瓶的气体通过气瓶阀，经减压阀使高压气体减压到小于1 MPa，再经供气阀向面罩供应消防员能够正常呼吸的压力的空气[6]。当消防员呼吸时，供气阀根据吸气的程度将相应量的空气输入面罩内，呼出气体时则直接排到外界大气中。这样就能保证消防员舒畅地呼吸到新鲜的空气。正压式空气呼吸面罩工作过程如图1所示。

图1 正压式空气呼吸面罩工作过程Fig.1 Working process of pressure air breathing mask

2 无线压力传感器

2.1 压力表分类

压力表是一种将外界压力对弹性元件产生的变形量通过机械传动等方式放大，来指示被测液体或气体的压强参数的仪表。压力表按使用方式不同，分为指示型压力表和电信号控制型压力表[7]。如一般压力表、真空压力表、耐腐蚀压力表、不锈钢压力表、防爆压力表等不具备除指示压强值以外的其他功能的压力表为指示型压力表。电信号控制型压力表输出的信号可以是开关信号、电阻信号、电流信号等，具体包括电接点压力表、电阻远传压力表、电感压力变送器等，可实现报警、控制和传输信号等功能。无线压力传感器(如图2所示)实质上是一种具有无线传输功能的压力变送器，即电信号控制型中压压力表。

图2 无线压力传感器Fig.2 Wireless pressure sensor

2.2 基于ZigBee的无线压力传感器

无线压力传感器可以通过蓝牙、ZigBee、WIFI等无线通信方式，将压力信号传输到接收装置，实现无线读取空气压缩气瓶实时压力值的功能。这三种通信方式都是工作在2.4 GHz频道的近距离通讯协议。其中ZigBee通讯方式理论传输速率为250 kPs，而实际传输速率小于100 kPs，远远低于蓝牙和WIFI技术，但是具有传输距离较远、功耗小(发射功率约为10 mw)、续航时间长、协议简单、成本低等特点[8]。由于压力传感器的信息量较少且读取的频率不高，因此可以将ZigBee技术的无线压力传感器应用于消防员空气呼吸面罩的设计中。这样，不仅可靠实现消防员对气瓶余量的随时观察，还可以通过ZigBee的联网技术，将现场实时信息传送到指挥中心，以便指挥员掌握火场情况、消防员的身体及装备状况。

3 基于无线传输的空气呼吸面罩的设计

消防用空气呼吸面罩是消防队单兵作业的重要安全防护装备之一。本文参照2014年公安部消防口开始实施的GA124-2013：《中华人民共和国公共安全行业标准》，提出了一种基于无线传输的消防员智能型空气呼吸面罩的设计。主要由智能平显通讯扩音面罩、无线传输平显报警压力表和空气压缩气瓶构成。其中，空气气瓶采用6.8 L/30 MPa碳纤维高压复合气瓶，如图3所示。

图3 碳纤维高压复合气瓶Fig.3 Carbon fiber high pressure composite cylinder

3.1 智能平显通讯扩音面罩

智能平显通讯扩音面罩按亚洲人脸型设计，确保消防员在火场中呼吸舒适、视野开阔，同时通讯的音质清晰、传输效果好、佩戴舒适、智能程度高、操作简单、使用方便。智能面罩主要由耐高温面罩、低电压显示灯、电源按钮、电池、发话喇叭、接收喇叭、压力显示灯、发射装置与显示装置配对显示灯、通讯按钮、远距离通讯插头等组成，如图4所示。面罩外形尺寸为220×180×150(mm)，重量为780 g。

图4 智能平显通讯扩音面罩Fig.4 Intelligent head-up display communication public address mask

智能面罩电池采用锰酸锂离子电池，其成本低、安全性高、常温及高温循环性好。本设计采用的锰酸锂离子电池型号为JR103450/1.5Ah。电池最高输出电压值4.2 V，最大输出电流值为2.4 A，额定工作电压3.7 V，额定工作电流270 mA，电池总容量150 mAh，音频发射功率≤1 w，工作时间≥7 h，防爆类型为厂用本质安全型，防爆等级为Exia II CT4Ga。

使用前将电池电量充满电，按电源按钮接通电源，智能面罩上电初始化，自检扩音系统、通讯系统、反射接收装置，如正常蜂鸣器提示一声表示正常工作。消防员试音扩音及通讯清晰、无噪音即可进一步检查气瓶压力是否正常。气瓶压力以压力指示灯提示消防员气瓶余量，压力指示灯有红、黄、绿三个灯，其指示灯工作逻辑如下：气瓶压力为30 MPa～10 MPa时，绿灯常亮；气瓶压力为10 MPa～6 MPa时，黄灯常亮；当气压低于6 MPa时，红灯一直闪亮提醒消防员空气余量不足，及时作出决策。此外，当智能面罩电源电压过低时，黄灯闪亮提示；发射装置与显示装置配对时，蓝灯闪亮，完成后熄灭。

3.2 无线传输压力传感器

传统空气呼吸面罩采用机械压力表和报警哨来提示空气气瓶是否不足，抢险作业中查看不便，且当压力过低时才提醒，提供给消防员的信息过少。采用无线压力传感器，配合智能面罩的平显系统(或称HUD抬头显示系统)，可以分等级提醒消防员气瓶余量。气瓶的空气余量不能直接测得，可以通过测量固定容积容器内的气体压力来监控气瓶余量。气体体积与压强的换算可以依据理论公式，但考虑到实际应用并不需要精确的测量，气压与余量可以视为反比例关系，如6.8 L/30 MPa气瓶压力为10 MPa时，余量视为充满时的1/3，6 MPa时余量视为1/5。因此，可以用 两个气压值作为报警节点：气瓶压力高于10 MPa时，表示气瓶余量仍十分充足；当低于10 MPa高于6 MPa时，表示空气余量尚可支持一段时间；当低于6 MPa时，表示空气余量已经不足，需要及时撤离。

本文采用YBF-60(F/J)无线传感器，与抬头显示装置共同组成气瓶压力余量报警平显系统，作为空气呼吸面罩的子模块。传感器防爆等级为Exia II CT4，防护等级为IP67，电池采用两节CR2032锂电池(纽扣)，可连续工作20 h，当电压低于额定电压80%后提示欠电，仍可工作2 h。使用时通过传感器上的配置按键，与智能面罩的平显装置进行配对，成功后进入工作状态。打开气瓶阀后，当压力升高到1 MPa之后，传感器开始检测并发出开机提示。无线传感器根据测得的压力值发出相应的信号，智能面罩的平显装置根据接收到的信号，按照设定的逻辑点亮相应的指示灯以提示空气余量。无线压力传感器其他参数如下：测量范围为0～40 MPa；工作压力为0～30 MPa；精度等级为1.6级；工作电压为6.6 V；工作时间约为60 h；通讯距离为1.5 m；发射功率<10 mw；工作环境温度为-20 ℃～60 ℃；相对湿度为5%～95%RH。

4 结语

本文介绍了正压式消防员空气呼吸面罩的组成和基本工作过程，介绍了无线压力传感器的技术特点，提出了一种基于无线传输的空气呼吸面罩的设计，通过无线压力传感器的应用实现了实时直观读取空气气瓶余量的功能，为消防员在火场中的空气供给提供了一定的安全保证。

[1] 袁媛.浅谈正压式空气呼吸器及潜在的安全问题[J].安全技术与管理，2011，(10)：35-36.

[2] 胡绪尧.空气呼吸器的使用与维护方法[J].山东化工，2016，45(6)：68-72.

[3] 张宁.消防部队灭火救援安全现状分析及对策[J].科技展望，2017，(14)：301.

[4] 杜希.不同劳动强度下消防员佩戴正压式消防空气呼吸器的生命体征指标和使用时间研究[C]//中国消防协会2013中国消防协会科学技术年会论文集.北京：中国科学技术出版社，2013：295-297.

[5] 徐耀亮.40 MPa正压式消防空气呼吸器研制消[J].消防技术与产品信息，2017，(02)：5-7.

[6] 杜欣.正压式空气呼吸器供气性能对比试验研究[J].武警学院学报，2016，32(2)：5-9.

[7] 张大海.常用压力表分类及使用原理的辨别[J].中国石油和化工标准与质量，2012，(09)：227.

[8] 刘强伟.基于Zig Bee技术的无线压力传感器的设计[J].信息通信，2017，169(1)：59-60.

Application of wireless pressure sensor in the design of firefighter′s air breathing mask

WU Wen-kai1,2, ZHAO Han-tao1,2

(1.The Institute of Automation, Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin 150090, China; 2.The Institute of Advanced Technology, Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin 150020, China)

This paper introduced the composition and basic working process of positive pressure air breathing mask for firefighters, and the technical features of wireless pressure sensor. This paper proposed a design of air breathing mask based on wireless transmission, and discussed the application of wireless pressure sensor in the design of firefighter′s air breathing mask.

Wireless transmission; Fire protection; Air breathing mask; Sensor

2017-02-04

2015年黑龙江省应用技术研究与开发计划对外合作项目“消防员定位系统”(WB15C102)

吴文凯(1987-)，男，助理研究员，硕士。

赵寒涛(1974-)，男，研究员级高级工程师，硕士，e-mail：zhaohantao@haai.com.cn。

TP274.4

A

1674-8646(2017)08-0002-03