基于物联网技术的智能消防头盔研制

唐鑫　金佳旺　曹文辉　程家贵　杜宇人

摘 要：消防员在救援过程中身处危险的可能性非常大，在实际消防中，如果能够实时了解消防现场的环境和消防员的安全状况，消防员就能及时作出反应，避免危险发生。消防指挥员也能根据消防现场的情况，对消防进行优化调度，更好地指挥消防员；在保障消防员安全的前提下，极大可能解救灾难现场，挽救生命和财产安全。文章研究了基于物联网技术的智能消防头盔研制，在传统消防头盔的基础上，基于物联网技术的消防头盔由WiFi模块、STM32处理器、环境检测模块、消防员体征信息检测模块构成。数据的传输和通信由WiFi模块完成。

关键词：STM32处理器；WiFi模块；温度传感器

1 智能消防头盔总体结构与工作原理

本项目硬件电路设计以STM32F103ZET6为核心进行开发，其时钟频率可达72 MHz，内部有电机控制PWM资源，还有温湿度传感器、耳道气压传感器等外围资源，电路中含有AD转换电路、时钟电路等，该芯片的资源完全符合智能消防头盔的开发需求。通过温度传感器等采集火灾现场信息，借助WiFi模块将采集到的信息传至消防指挥员处。通过耳道气压传感器监测消防员的呼吸频率和心率，实时监控消防员的安全。

系统结构如图1所示，主要由STM32控制器[1]、CC3200型WiFi模块[2-4]、DS18B20型温度传感器[5]、耳道气压传感器构成，其中STM32控制器主要起总体控制作用，温度传感器用于检测环境温度，这些温度信息经过单片机处理，借助无线通信的方式传至消防管理员的电脑处。微控制器将测得的温度信息与其预设的数值进行比较，若超过其预设的温度，则将火灾现场危险的信息告知指挥员，并通知消防员及时撤离或作出及时的应对措施。

2 系统的硬件设计

头盔的硬件系统电路以主控制器为核心，此外还有传感器、摄像头、短距通信（WiFi）模块、电源模块等。

硬件电路框图设计如图2所示。

2.1 WiFi模块

本项目采用CC3000-WG1300芯片来实现头盔与指挥中心的数据传输，该芯片尺寸小、集成度高、功耗低，且数据连接稳定，内置无线网络协议与TCP/IP协议，可实现串口到无线网络之间的转换，与此同时，芯片处理其他核心数据的能力也十分可观。本芯片的主要协议为802.11b/g WiFi标准[2-4]。

2.2 温度传感器

本项目环境温度测量采用DS18B20温度传感器，DS18B20是常用的数字温度传感器，其输出的是数字信号，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特點。这种传感器可直接测量周围的环境温度，用于本产品可大大减小编程难度，并准确地测得火场温度[5]。

2.3 耳道气压传感器

通过耳道气压传感器实时测量消防员的体温、呼吸频率及心率，由于该传感器通过人体的耳道测量，因此受环境温度影响较小，测量结果较为准确，且具有体积小、功耗低、便于携带等优点，测量的结果可以通过单片机传输至主机处。

3 接收火灾现场信息的软件设计

本项目借助Visual Studio平台，使用C#语言设计上位机[6]作为火灾信息接收软件，程序流程如图3所示。

火灾监测系统的功能主要是接收消防员的体征信息、火灾现场的温湿度信息，以及火灾现场的监控摄像，将这些信息显示在消防指挥员的主机中，并根据此时的温湿度判断火灾现场是否会产生突发情况，若温湿度不处于正常范围内，则软件中的红灯会闪烁报警，让消防指挥员提醒消防员及时撤离或转移；若消防员的心率、呼吸频率过快或过慢，软件中的黄灯会闪烁，提醒消防指挥员及时派人营救，同时，软件还可以接收摄像头拍摄的图像，帮助消防指挥员判断火灾的现场情况，防止现场的突发情况消防员无法观察到。

4 系统测试与测量结果分析

在实验室中，要营造真正的火灾现场难度很大，因此可以通过恒温箱或小型火源来制造高温条件，通过这时的温湿度来判断火灾现场是否有危险；对于消防员身体的测试，可通过耳道气压传感器测试出人的心率，若人的心率超过150/min或低于50/min，则说明消防员有生命危险，软件会闪烁黄灯。通过这种测试方法，硬件的功能测试基本能满足，软件就也能对不同情况下的结果作出正确反应，目前没有异常情况出现。

4.1 温度传感器的测试

首先需要对温度传感器进行测试，将产品放入恒温的空调房内，对房间的温度进行测试[5]，若温度大体一致，则该模块正常，否则需对其维修或更换处理，测试结果如表1所示；再对WiFi模块进行测试，通过检测电脑与该模块的连接匹配实现，若匹配正常，则该模块正常。最后，对系统进行整体测试和维护。

4.2 耳道气压传感器的测试

再按同样的方法对耳道气压传感器进行测试，为了保证测试结果的科学性与可靠性，我们选取不同时间段对消防员进行体温测试，并与水银温度计相比较[5]，测试结果如表2所示。

[参考文献]

[1]王晓晶，赵银花，宋柏林，等.基于STM32生产环境监控系统[J].长春工业大学学报，2015（1）：61-65.

[2]袁修宾，茅建华，吴占傲.基于WiFi技术的实时提醒系统的设计[J].无线通信技术，2014（2）：34-37，41.

[3]LIANG M H，HE Y F，CHEN L J，et al.Greenhouse environment dynamic monitoring system based on WiFi[J].IFAC Papers Online，2018（17）：157-159.

[4]张耀峰.基于CC3200的数据采集无线传输系统的设计与实现[D].太原：中北大学，2017.

[5]江晓军，王建军，陈宝玉，等.基于DS18B20温度传感器的虚拟温度指示系统[J].上海第二工业大学学报，2012（1）：7-11.

[6]申晓杰，翁惠辉.基于C#的串口通信上位机的设计与应用[J].电子世界，2014（3）：155.