智能化消防人员监控的系统设计

王庆辉， 顾胡杰， 封岸松， 魏立峰

(沈阳化工大学 信息工程学院， 辽宁 沈阳 110142)

智能化消防人员监控的系统设计

王庆辉， 顾胡杰， 封岸松， 魏立峰

(沈阳化工大学 信息工程学院， 辽宁 沈阳 110142)

设计并开发了一种用于实时监测消防员空气呼吸器剩余氧气量、高度、姿态等信息的系统.利用485通信实现主控板、头部报警板与信息采集板的下位机硬件通信，通过GPRS将数据发到指挥中心，给出下位机的软硬件设计和监控指挥中心软件的实现方案.对实施过程中的关键技术，如基于三轴加速度计的运动监测和基于气压计的高度检测等，进行了说明.通过上位机软件对现场环境和消防员的实时信息进行监控.

监控系统； 高度； 运动检测； 485通信

火灾是威胁公众安全和社会发展的灾害之一，也是造成群死群伤事故的最主要灾害之一.随着城市现代化的发展，楼层不断地加高，火灾所导致的危害越来越严重.很多火灾事故常常由于早期没被及时发现，错过灭火的最佳时机，引发悲剧.国内外对消防救援[1]已早有研究，例如在英国拉夫堡(Loughborough) 大学研究小组设计的系统中可提供指定地点的环境和险情信息，但该系统需要预先在建筑物内布设传感器，这在目前的实际救援中还有些困难.其他这方面的研究也多存在信息采集方式不够可靠，采集的信息尚不够完善，对信息的处理欠缺实用性等问题，不能很好地适应当前消防救援复杂的现场状况，由此导致的滞后性直接影响抢险救援工作的顺利展开.

针对现阶段消防救援的局限性，为了充分保障消防人员的生命安全，本系统从系统稳定性和传输可靠性出发，综合消防现场消防人员可能突发的紧急状况，在充分研究目前消防救援系统和综合嵌入式技术、高度计、485通信、加速度计等技术[2]的基础上,提出一种新型智能化消防人员监控系统[3]，引入多种消防救援中实用的功能，对消防救援用到的多种信息进行可靠的采集和传输，实现消防指挥中心对消防人员进行远程监控.

1 智能化消防人员监控系统的整体方案设计

1.1 系统结构设计

智能化消防人员监控系统(如图1所示)由消防员信息采集装置和监控指挥中心两部分组成.消防员信息采集装置由消防员随身配备，负责信息的采集和上传；监控指挥中心负责接收并处理采集的数据，为救援调度提供决策依据.

消防员信息采集装置由主控制板、信息采集板和头部报警板3部分组成.

(1) 主控板集成LED数码管、GPRS、蜂鸣器和电源管理芯片等器件，负责与监控指挥中心进行信息传输，控制信息采集板的信息采集和向头部报警板发送剩余电量等一系列的控制和处理工作.

(2) 信息采集板用来接收主控板发送的控制信息，完成消防员的高度、身体姿态和氧气瓶剩余气体量的采集等工作.

(3) 头部报警板用来接收主控板发送的电量剩余信息和信息采集板发来的剩余氧气量，对接收到的氧气剩余量用6个发光二级管进行剩余量的标定等.

监控指挥中心利用基于MSComm控件的VC++串口通信方式所编写的上位机界面，对消防员所处的高度、人员编号、人员是否跌倒等信息进行智能化管理.

图1 系统结构框图

1.2 系统功能设计

针对救援现场的复杂环境和业务需求，智能化消防人员监控系统具体应具有以下功能和优点：

(1) 系统通过对消防员身体姿态的研究并结合消防营救的实地情况，将消防员的身体姿态分为静止、活动和倒地3种状态.

(2) 其中针对楼宇或山体等需要消防员垂直爬升的火灾现场，引入高度传感器，准确定位消防员所在的高度.

(3) 国外整个网络都利用无线传输，但传输距离有限；本文提出利用GPRS进行信息传输.该链路稳定，传输距离大，覆盖范围广.

(4) 针对消防现场状况复杂、对传输的稳定性要求极高的特点，小范围内采用485传输有线通信.整个网络采用无线与有线结合的方式，不仅避免了小范围内大量无线信号传输带来的整个系统的不可靠性，而且又能发挥远距离无线传输的优势.

(5) 从系统的稳定性和消防员生命安全等多方面考虑，引入板间连接判断和消防员一键向指挥中心报警等多种针对消防救援实际的有效机制.

(6) 当剩余电量不足时，在头盔内间隔时间的短暂震动报警提示消防员电量剩余不足；当剩余氧气量不足时，在主控板自动进行间隔时间的蜂鸣器报警：有效地增强了消防员对自身设备状况的了解.

2 系统电路及硬件设计

考虑到便携设备的低功耗要求，同时考虑到主控制板既要负责与指挥中心传输，又要同另外两板通信，所以，主控制板cpu选用有两个串口的msp430f249芯片[4]，而信息采集板和头部报警板则选用msp430G2533芯片；这两款芯片都是TI公司推出的超低功耗的16位单片机芯片，由5种低功耗模式相组合，可有效延长电池使用时间和电池寿命.远距离传输部分采用华为公司的GTM900模块，GTM900使用串口进行通信，既方便与单片机的连接又方便和PC机连接；并且支持GSM标志AT命令，同时支持短信以及GPRS数据业务.在电源部分，电源管理芯片选用bq24041，电源芯片使用ms1117作为稳压芯片(3.3V)；外部电源使用便携式设计，选用了可充电的2 400 mAH的锂电池供电.图2为信息采集板的设计框图.

图2 信息采集板的硬件设计框图

2.1 基于气压计的高度检测

将气压计采集出来的气压通过公式(1)转化为高度，以采集初始位置的高度作为初始高度，其他采集到的数据与初始高度相减，求出消防员爬升的相对高度(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为计算出的当前高度；H0为初始高度；H为相对的楼层高度.尽管大气压在同一地点受温度、湿度等因素影响，但在一段时间内，可以有效地确认出消防员的相对高度变化，实现消防员的高度定位.

2.2 基于三轴加速度计的运动监测

姿态的测量选用三轴加速计芯片ADXL345.该芯片通讯采用IIC接口，具有±16 g的测量范围，其分辨率为3.9 mg/LSB.对于轴加速度传感器，假设它的传感方向和重力加速度方向一致时，为零倾斜角度，加速度传感器测量结果为F(θ)，θ为倾斜角度，g为重力加速度，则测试结果为：

F(θ)=gcosθ

(3)

算出人体姿态角[5].因为用的是单轴判断，对消防员每次佩戴器件有严格要求，为了避免因为情况紧急消防员佩戴出现错误，上电时将加速度计值在大于0.8 g或小于-0.8 g时的轴作为加速度传感器测量轴，同时根据计算出来的人体倾角判断当前运动状态[6].

(1) 静止状态：采集均值小于70°且15次采集的人体姿态角差小于10°.

(2) 运动状态：采集均值小于70°且15次采集的人体姿态角差大于10°.

监理是通过对施工单位的施工进度、质量以及成本实行控制的。所以良好的组织协调施工单位的施工过程是监理工程师工作的重点内容。在实施监理的过程中，要始终坚持实事求是的原则，在遵守规程和制度的前提下，实施科学管理。监理工程师应该在保证建设的总目标不变的前提下，平衡各方面的利益，鼓励施工单位及时的对遇到的问题和困难、工程的实际施工状态进行汇报，掌握一手的施工信息，对影响目标的问题进行排除。在进行协调沟通的时候应该注意分寸，使工作中的分歧技能得到有效的解决，又不影响各方的关系，主要应该最好以下几个方面要：

(3) 跌倒状态：采集均值大于70°.

如图3所示为没有经过处理的原始数据，结合测试时的运动状态，从图3中可以看到人开始的时候静止不动，加速度平稳，两次跌倒加速度值都接近于零或小于零，而活动时的加速度周期性变化.

图3 加速度计采样数据

2.3 应变压力传感器信息采集

应变压力传感器HM2600输出的是PWM波形，周期为32 μs.而编码方式是通过PWM波形的占空比来输出的，采用的数字输出协议的编码为

(1) 起始位：占空比为50 %周期.

(2) 逻辑1位：占空比为75 %周期.

(3) 逻辑0位：占空比为25 %周期.

(4) 停止位：占空比50 % 1/2周期.

数据帧结构每帧为两个字节，每个字节为10个位(1位起始位，8位数据位，1位奇偶校验位)，在手册中可以得到0～40 MPa对应输出数值为1 638～14 745，其压力对应数值按线性计算，所以压力计算公式如下：

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

(4)

其中，p为压力瓶的压力值，x为传感器输出值.

3 智能化消防人员监控系统的软件设计

下位机软件设计利用IAR对三个不同模块进行C语言编程.信息采集板采用块同步方式进行数据传输，以字母be标识块的开始，然后加上发送长度，而以end为结束标识.GPRS无线通信模块通过发送AT指令的方式建立UDP服务器[7]，实现远距离无线通信.信息采集板和报警头板处于休眠模式，直到接收到数据才唤醒，处理完相应操作后，又重新进入休眠模式，有效地降低了系统的功耗.其中主控板的程序框图如图4所示.

图4 主控板程序框图

4 样机显示描述及系统测试界面

设计的系统测试界面采用基于MSComm控件[8]的VC++串口通信[9]编写，通过对主控板发来的信息进行分析，以最直观的形式实时展现消防员状态的变化.从编写的系统测试界面可以看到人体是否倒地、人所处高度、氧气罐剩余氧气量等信息.基于对复杂环境清晰显示的需求，样机显示仅采用数码管来标定系统传输状态，上电连接正确标定为C01，启动GPRS数据传输状态标定为C02，等待IP地址状态标定为C03，搜索网络并成功建立服务器标定为C04.而对于出现的连接错误标定为E00，接收错误标定为E01.

实验人员佩戴着消防设备在实验楼进行了实地测试，图5为人在二楼倒地时对采集到的数据进行的显示，从图5中可以看到编号为63号的消防员在离初始高度3 m处跌倒，氧气瓶剩余氧气量为25 MPa.由于人员倒地，所以显示红色报警.

图5 系统测试界面

5 结束语

主要阐述了智能化消防人员监控的系统设计和实现方案.在总结消防救援需求的基础上，给出了系统硬件的结构性框架图，从原理上对智能化消防人员监控系统的硬件部分进行划分，同时给出了上位机测试界面.系统能实时监控消防员多种实际有效的个人信息，对于提高救援效率和消防人员的生命安全系数，具有重要的社会意义和应用前景.

[1] CHEN T,YUAN H Y,FAN W C.The Developing Fire Detection Technology[J].Fire Safety Science,2001,10(2):108-112.

[2] 杨树峰,姜学费,马青波，等.基于嵌入式技术的消防车信息采集与传输装置[J].消防科学与技术,2013,32(3):290-293.

[3] 王庆辉,金烨,魏立峰，等.无线消防救援信息采集与监测系统[J].自动化仪表,2014,35(5):26-33.

[4] 洪利,章扬,李世宝.MSP430原理与应用实例详解[M].北京:北京航空航天大学出版社,2010:266-283.

[5] 郭敏,尹光洪,田曦，等.基于三轴加速度计的倾斜角传感器的研究与设计[J].现代电子技术,2010,33(8):173-177.

[6] 杨树峰,隋虎林,李志刚.消防员生命体征监测系统设计与实现[J].消防科学与技术,2014,33(3):314-317.

[7] 马丁.移动通信GPRS模块应用开发分析[J].现代商业,2009(23):215，214.

[8] 王华,岳丽全,岳志高.MSComm控件在VC++6.0串口通信中的应用[J].长春工程学院学报(自然科学版),2009,10(1):72-73.

[9] 孙鑫,余安萍.VC++深入详解[M].北京:电子工业出版社,2006:431-434.

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

王庆辉(1972-)，男，辽宁沈阳人，副教授，博士，主要从事智能测控技术与装置的开发与研制和无线传感器网络应用技术的研究.

2095-2198(2017)02-0177-05

10.3969/j.issn.2095-2198.2017.02.017

TP274

： A