基于物联网的消防指挥系统

禤永哲，詹万汇，陈少锋，孙劲

（广州大学华软软件学院计算机系，广州 510990）

0 引言

随着经济、科技的不断发展，目前已有部分企业和个人在研发消防救援方面的信息化系统。在国内外的一些企业和专家的钻研下，并通过一系列的实验，已有部分相关产品推出市场。但是这部分产品由于成本过高或性能不佳等原因，暂时还未能够在市场中被推广起来。

在大多数的消防信息化系统的应用中，厂商和消防部门许多都乐于遵循消防通信指挥系统的三级网布局，即一级网即管区覆盖网，由基地台、固定台、车载台组成；二级网即火场指挥网，由便携台或袖珍台组成；三级网即灭火战斗网，由中队内用袖珍台或头盔台组成。其中在对其实际应用中，消防指挥系统的信息化建设都更为着力于对一级、二级网的建设，在城市整体消防通讯系统的整体布局建设中投入更大。而在消防现场的消防战斗指挥当中，存在着如下等问题。

（1）通讯手段单寡

在市场上和消防部门所配备的消防指挥系统在火灾现场的实时指挥的通讯技术手段并不够完善。大多数消防部队对救援现场中消防支队与消防员单兵的通讯技术手段，停留于短波无线对讲的层面。为此，本文提出不仅要使用短波无线语音通讯作为指挥通道，同时应该引入更多通信方式，如高增益性Wi-Fi通信网络等方式，提供更为广阔的信息传输通道沟通指挥车平台与消防员移动端，使更多的实时信息能更为有效地从消防员移动端传输至指挥车平台上。

（2）消防员实时生命体征信息监测手段缺失

在消防员单兵实时生命体征监测技术的层面上，目前在国内外的消防部队信息化系统中尚有缺失，在《消防员个人防护装备配备标准》和《消防通讯装备的配备技术》中，对消防员火场中的物理性防护和消防员单兵通信系统技术要求以及通信系统的基本构成提出了硬性要求，但没有对消防员的远程生命体征监测做出要求。的而在美军部队中用于单兵生命体征监测的可穿戴设备已逐步开始得到应用，这类设备有如用于测量心率、血氧等数据的单兵手环。故此，基于物联网的消防指挥系统中，使用了SON1205心率传感器、热电偶温度传感器等传感器采集得消防员消防服内、外部实时温度以及消防员心率等数据，并通过高增益性Wi-Fi网络传输到消防指挥车平台上，并加入警报系统，使消防指挥车上指挥员能及时获悉火场中执勤的消防员当前生命体征基本信息。

（3）室内位置信息获取存在障碍

从消防救援单兵实时定位的层面上看，又由于成本高、性能一般的原因，部分采用单兵定位系统的国内外消防部队使用的是GPS技术实现单兵定位。GPS技术在消防救援中，针对于户外救援可实现实时单兵定位，但是由于GPS卫星信号无法穿越过多的墙壁，所以在室内环境几乎无法实现定位功能。对此，在本系统中，引入了9轴运动姿态传感器，通过加速度、地磁传感器、陀螺仪所测得的数据综合处理，在消防指挥车平台上基于OpenGL搭建出三维室内坐标图，并描绘出消防员在室内的远动轨迹，得出消防员在室内的大致位置信息。

1 系统总体框架

整个系统可以主要分为消防员移动端和消防车载终端平台。

消防员移动端，是以Arduino Mega2560 R3开发板为核心，使用温度、心率、运动姿态、氧气瓶气压传感器，对信息进行初步处理，并通过HC-24 Wi-Fi模块将信息通过Wi-Fi网络向终端平台传输。消防员移动端还附带IP网络摄像头和语音传输模块。IP摄像头能够通过Wi-Fi网络实时向终端平台传输视像信息；语音传输模块能够通过短波通信，实现实时语音对讲。

消防车载终端平台，是以指挥车上的计算机为中心，利用高增益天线和无线路由，通过Wi-Fi网络接收来自消防员终端的数据信息，并对其进行解析和处理，通过Qt程序呈现出来，另外终端平台上还外置有语音通讯模块，可实现让指挥人员与消防员语音实时对话。

2 具体实施

2.1 消防员移动端

消防员移动端是由消防服、消防背包、消防员头盔共同组成。

消防员头盔上嵌有IP摄像头，通过IP摄像头将消防员所处的大致环境向终端传输，利用CHD05_V模块与我们搭建的增益性的Wi-Fi网络组网，并通过无线网络通道传输救援人员第一视觉的视频信息，摄像头采集到的数据会在指挥系统终端实时显示，在指挥终端呈现出来，可供指挥人员了解救援人员的所处的环境情况。

图1 系统总体框架图

图2 消防头盔

消防服上嵌有多个热电偶温度传感器、SON1205心率传感器、OLED显示屏、9轴运动姿态传感器以及短波语音通讯模块，实现对救援人员消防服内部温度、外部温度、心率情况、消防员运动姿态的实时采集，并将采集到的模拟信号通过Arduino单片机将其转换为数字信号以及对运动姿态数据进行滤波处理，再将消防服内部、外部温度、心率情况以及氧气瓶的氧气量在OLED显示屏上显示，同时让数据通过无线网络向指挥终端传输。利用语音传输模块通过短波通信，实现消防员间、消防员与终端间的语音实时对讲。

消防背包内置氧气瓶和核心盒子。氧气瓶头部接入电子气压传感器，通过对氧气瓶内的气压检测进而换算出氧气瓶内氧气量，核心盒子内含Arduino Mega2560核心板，对外界传感器传入的数据信进行处理及通过Wi-Fi模块转发。

在火场的救援工作中，消防员都处在相对危险的环境中，该系统可以判断一些较为危机的情况，如遇到火场温度过高、体感温度过高、氧气瓶气压过低等情况会通过语音或者显示屏及时向消防员报警。

图3 消防服和消防背包

2.2 消防车载终端平台

消防车载终端指挥平台是通过Qt编程构建的终端软件，可在其上进行网络设置，绑定本地IP和端口号接收外来数据信息，并具有远端消防员温度、心率、氧气量等数据显示曲线图表以及利用消防员运动轨迹而成定位系统、利用远端传来的视像信息进行远端即时视像监测。

图4 消防车载终端平台操作界面

2.3 基于消防员运动轨迹的室内三维定位图的测绘

基于物联网的消防指挥系统利用消防员移动端上集合了加速度传感器、地磁传感器、陀螺仪的9轴运动姿态传感器，将测得的加速度、地磁偏角、运动水平旋转角数据结合起来，从而通过运算获得消防员偏转角度和运动向量，并通过自建的高增益性Wi-Fi网络向消防指挥车终端平台传送。

在消防指挥车终端平台上利用OpenGL开放图形库在Qt应用程序上建立三维直角坐标系，在其上进行三角函数运算、向量叠加，得出当前消防员所处室内环境相对的位置信息，并将消防员不同时期的一系列位置坐标记录下来，形成运动轨迹记录，以此实现三维室内实时定位图。

图5 九轴运动姿态传感器上位机调试

（1）通过九轴运动姿态传感器获取偏转方位角

九轴运动姿态传感器内部集成了姿态结算器，通过内置的地磁传感器计算磁场方向，再通过陀螺仪对传感器自身的倾斜程度进行补偿处理。直接从传感器读取的是地磁方位角信息，因此是绝对方向的偏转角度，在实际应用中一般是以x轴作为初始方向，程序设计了对初始角度的获取程序，获取传感器读取到了前200个数值，然后抛弃前10个不稳定值，将剩下的190个值相加得到 α，再将 α除以190得到初始角度平均值。从传感器读取的第201个值开始，每次获得的角度 β都去减去初始角度并将其转换成弧度，这样就能获取到一个相对的方位角弧度r，并将r传到上位机进行处理。

（2）通过九轴运动姿态传感器获取位移信息

判断三个轴的加速度，进行对于行走时每一步的判断，以每一步为计时间隔。每50ms读取传感器获取的x、y、z轴上的原始加速度，进行卡尔曼滤波处理后得到加速度ax、ay、az，每次都将三个轴的上一次的加速度保存下来，将获取的新的值都与保存的上一个值相减，从而得到三个轴的加速度增量Δax、Δay、Δaz，代入以下公式：得出x、y、z轴的加速度向量的模D，D的值就是反映了人体在走动时所产生的震动情况。在测算出并判断出每一步的基础上，以最新一步的出现为中断信号，根据每一步的加速度大小，判断每一步的步长，计算出位移增量 S，将 S传到上位机进行处理。

（3）上位机三维室内定位图的绘算

全局定位程序会通过前文所述网络层中所分拣的数据，获取当前消防员正面所朝向方向与起始位置正前方所成的相对夹角弧度 r，以及消防员每一步伐所前进的位移增量 S，利用三角函数算出 x轴位移偏移量 Sx，以及 y轴位移偏移量 Sy。通过与上一次得到的坐标进行叠加，从而算出当前消防员的坐标，以实现室内定位功能，而每个点之间的所连接而成的线段，正是消防员在室内的运动轨迹。Sx、Sy均通过数学分类讨论方式解算出来，具体解算方式如下：

y为相对偏转夹角弧度，S为每步间的直线距离，Sx、Sy分别为 x轴、y轴上的偏移分量。

（1）若 0≤r＜π 则有：

（2）若 π≤r＜2π 则有：

（4）绝对位置坐标获取

当移动端某个时段处于GPS信号较好的环境时，会自动通过GPS定位模块获取到人员目前所在的经纬度信息，尤其是在作业处于就绪状态时，消防员处于室外环境启动系统的情况下，会通过GPS定位模块获取人员此时的经纬度信息。然后将消防员的运动轨迹与GPS模块间歇获取的绝对经纬度信息和地图结合起来，可实现在地图上显示人员的运动轨迹，从而实现更为精确的室内定位。

图6 不显示轨迹的全局定位图

3 结语

现今的消防服主要以对消防员的生命安全提供保障为主要目的，着重点在于提高消防服的隔热性、防火性、防生化等方面。当前消防员之间的信息交互，主要集中在短波语音通信上。这样的传统消防服,无法满足应急指挥对现场实时信息的迫切需求。针对这些缺陷我们利用增益性的Wi-Fi网络，搭建起一个具备如下创新性消防指挥系统：

（1）通过多种手段进行实时通讯。本作品不仅使用短波无线语音通讯作为指挥通道，同时引入无线传输模块实现无线通讯，提供了更为广阔的信息传输通道，沟通指挥车平台与消防员移动端，通过传感器组件使更多的实时信息能更为有效地从消防员移动端传输至消防车载终端平台上。

（2）加入消防员实时生命体征信息监测手段：消防服组件上设置有温度传感器、心率传感器、气压传感器，可以实时监测关乎消防员生命安全的各项信息，并将这些信息通过无线及时传输到消防指挥车平台上，使消防指挥车上指挥员能及时获悉火场中执勤的消防员当前生命体征基本信息，且指挥人员可以在界面上看到所有消防员的历史信息记录，在消防员进行救援工作的同时，更能保证他们自身的生命安全。

图7 显示运动轨迹的全局定位图

（3）消防员在非露天环境下的定位。目前市场上的大多数产品对于消防员的定位是基于GPS实现的，而火场环境往往是环境复杂的楼房或仓库等地方，这不利于GPS的定位。本作品对于人员的定位是以基于九轴运动姿态传感器为主，GPS定位为辅，通过测算消防员在室内的相对运动轨迹，计算出消防员所在的室内位置，当移动端处于作业就绪状态时或某个时段处于GPS信号较好的环境时，会自动通过GPS定位模块获取到人员目前所在的经纬度信息，然后将两者结合起来，这样更有利于消防控制中心对消防员的指挥和调度。

当然，整个系统的设计可积极迎合如国务院印发的《关于加强和改进消防工作的意见》等相关政策，积极推动消防科学技术创新，建立健全灭火应急救援指挥平台，并进一步完善消防体系的三级网布局。

参考文献：

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