0 引言

　　當(dāng)消防員采用內(nèi)攻戰(zhàn)術(shù)時(shí),常常需要進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)、危化品處置現(xiàn)場(chǎng)以及危險(xiǎn)的狹小空間等區(qū)域，由于身著各種防護(hù)服，行動(dòng)笨重緩慢，僅靠感官無(wú)法及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)各種潛在的危險(xiǎn)。另外常規(guī)的無(wú)線通信方式僅靠前后方對(duì)話獲取有效信息，需要消防員邊作業(yè)邊利用對(duì)講機(jī)匯報(bào)各種信息，后方指揮員獲取信息的手段單一，效率低下，一旦中斷則徹底失去聯(lián)系，后方指揮員無(wú)法及時(shí)有效地獲取內(nèi)攻消防員的個(gè)人信息和場(chǎng)景信息，特別是在消防員被困或者迷路的情況下，無(wú)法第一時(shí)間展開(kāi)施救，因施救不及時(shí)而造成消防員犧牲慘劇時(shí)有發(fā)生。

　　隨著可穿戴技術(shù)的發(fā)展，可穿戴設(shè)備采集消防員的生命體征信息、災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)溫度和毒氣濃度等各種參數(shù)并傳輸?shù)胶蠓剑岣呦到y(tǒng)的集成度和便攜性，保障消防員人身安全，是消防員個(gè)人防護(hù)設(shè)備的重要發(fā)展方向。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　由于3G公網(wǎng)覆蓋范圍非常廣泛，在建筑物內(nèi)部、地下空間、隧道等場(chǎng)所都能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的覆蓋，而且?guī)挻螅?G公網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息傳輸不僅能夠滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)信息測(cè)量傳輸?shù)男枨螅覟閱伪鴪D像傳輸開(kāi)辟傳輸通道，有利于集成單兵頭盔式攝像頭，采集現(xiàn)場(chǎng)圖像信息。根據(jù)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)救援的需求，結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　單兵終端包括可佩戴式感知終端和通信終端， 可佩戴式感知終端有脈搏感知終端、溫度測(cè)量終端、毒氣(CO，H2S)濃度測(cè)量終端，通信終端藍(lán)牙無(wú)線互聯(lián)感知終端，接收各種現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)信息，并把所測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)3G傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)后方。支隊(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)器工作于消防指揮調(diào)度內(nèi)網(wǎng)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)和防火墻與3G公網(wǎng)互聯(lián)，用于緩存現(xiàn)場(chǎng)單兵的各種場(chǎng)景參數(shù)， 也可在指揮中心大屏幕上顯示參戰(zhàn)消防員的各種信息，用于遠(yuǎn)程指揮。顯示與指揮平臺(tái)包括車(chē)載式移動(dòng)指揮平臺(tái)和手持式移動(dòng)指揮平臺(tái)，集中顯示每個(gè)單兵終端采集到的場(chǎng)景參數(shù)信息。人機(jī)交互為現(xiàn)場(chǎng)指揮員提供決策，并與支隊(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)器互聯(lián)互通。

2 脈搏感知模塊設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)采用NeuroSky的BMD101生物信號(hào)檢測(cè)和處理設(shè)備，傳感器部分主要由LED光源和光敏器件組成，LED光源發(fā)出綠色波長(zhǎng)的光波，光敏器件可以接收手腕皮膚反射光感測(cè)光場(chǎng)強(qiáng)度的變化。后端處理電路包括低噪音一級(jí)放大電路、二級(jí)放大電路、調(diào)零電路器和16位精度的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換，增益可控，內(nèi)置DSP處理模塊， 能夠通過(guò)藍(lán)牙傳輸?shù)姆绞綄⑸w征信息傳輸?shù)酵ㄐ沤K端，開(kāi)機(jī)即自動(dòng)搜索并建立傳輸鏈路。通信終端再經(jīng)過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)將該生理指標(biāo)傳輸?shù)胶蠓街笓]平臺(tái)，一旦出現(xiàn)異常，后方指揮員據(jù)此可及時(shí)展開(kāi)營(yíng)救。

　　CC2540內(nèi)置51單片機(jī)內(nèi)核，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的初步處理。 第一步:以1000個(gè)數(shù)據(jù)信息為一個(gè)處理周期，對(duì)這1000個(gè)值取平均值，濾波，并降低數(shù)據(jù)的更新次數(shù)，因?yàn)橄到y(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的更新頻率要求不高，0.5～1次/秒即可；第二步:據(jù)信息進(jìn)行判斷，如果信號(hào)不屬于正確佩戴脈搏傳感器范圍，則拋棄這段數(shù)據(jù)不處理，反之推送到藍(lán)牙模塊的緩沖區(qū)傳輸?shù)酵ㄐ沤K端。通信終端設(shè)置報(bào)警門(mén)限40次/min，一旦低于該值，則報(bào)警。數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

3 毒氣濃度感知模塊設(shè)計(jì)

　　災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)特別是火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)保溫板、塑料等化學(xué)物質(zhì)的燃燒會(huì)產(chǎn)生多種有毒氣體，其中H2S和CO最常見(jiàn)，危害也大。因此本系統(tǒng)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)毒氣主要是指H2S和CO兩種氣體，選用電化學(xué)H2S和CO氣體傳感器，即通過(guò)化學(xué)反應(yīng)來(lái)檢測(cè)電解液載流子的變化對(duì)外部電流的影響，傳感器輸出為電流信號(hào)，線形好，體積小，可干電池供電。

　　以MSP430單片機(jī)為控制核心設(shè)計(jì)了毒氣濃度的測(cè)量裝置，主要包括傳感器、放大電路、濾波器和處理核心MSP430F2249以及藍(lán)牙傳輸模塊CC2540，MSP430F2249是MSP430系列單片機(jī)之一，內(nèi)置16位AD轉(zhuǎn)換模塊和兩個(gè)定時(shí)器，主要完成數(shù)據(jù)的AD采樣、單片機(jī)內(nèi)部的初始化和傳輸模塊CC2540寄存器的設(shè)置以及發(fā)射、接收數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作[4]，測(cè)量原理如圖4所示。

　　第一級(jí)放大電路采用AD620放大器，傳感器測(cè)得的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)后放大10~1 000倍，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整合適的放大倍數(shù)后經(jīng)過(guò)電容C6實(shí)現(xiàn)直流分量和交流分量的分離。交流分支進(jìn)入二級(jí)放大機(jī)構(gòu)進(jìn)行再次放大，而直流分量直接進(jìn)入MSP430F2249的AD采樣模塊AD0， 用于測(cè)量環(huán)境中毒氣濃度的平均值，模擬信號(hào)通過(guò)經(jīng)過(guò)OP07放大濾波后進(jìn)入單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換器的AD1，用于測(cè)量環(huán)境中毒氣濃度的波動(dòng)值，最后實(shí)測(cè)值為兩者之間的疊加。最后將疊加值傳輸?shù)剿{(lán)牙模塊，再經(jīng)過(guò)改模塊輸出的通信終端。H2S和CO兩種氣體傳感器的檢測(cè)處理電路完全一致，如圖5所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

　　軟件主要包括通信終端和移動(dòng)指揮平臺(tái)的設(shè)計(jì)，通信終端依托消防員配備的防爆手機(jī)（Android平臺(tái))，主要完成現(xiàn)場(chǎng)各種參數(shù)的接收，打包后以3G通信的方式發(fā)送到后方指揮中心，后方指揮中心緩存后再以3G無(wú)線通信的形式發(fā)送到前沿指揮員的移動(dòng)指揮平臺(tái)， 移動(dòng)指揮平臺(tái)采用防爆處理并加固后的平板電腦，7～8寸， Android系統(tǒng)，主要完成對(duì)各種參數(shù)的顯示，判斷并初步告警，輔助指揮員采取相關(guān)措施。兩者都在Android應(yīng)用的專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)環(huán)境Eclipse基礎(chǔ)上使用java語(yǔ)言進(jìn)行界面和數(shù)據(jù)傳輸、處理的開(kāi)發(fā)，程序流程圖如圖6所示。

　　通信終端和移動(dòng)終端的定時(shí)器為1 000 ms，即數(shù)據(jù)以1次/秒的頻率進(jìn)行更新，再加上傳輸鏈路上不確定的傳輸延遲，這樣的速度也能夠保證后方指揮員能夠及時(shí)獲取內(nèi)攻消防員的生命體征和現(xiàn)場(chǎng)情況，且有利于降低鏈路的通信負(fù)荷。由于現(xiàn)場(chǎng)背景非常嘈雜，一旦超過(guò)閾值，通信終端以震動(dòng)的方式通知消防員， 而移動(dòng)終端則發(fā)出特定聲音或以特定頻率閃爍來(lái)提醒指揮員。

　　無(wú)論是通信終端還是移動(dòng)終端，數(shù)據(jù)的操作(包括發(fā)送和接收)都是非常耗時(shí)的過(guò)程，為了保證用戶(hù)體驗(yàn)，在編程的過(guò)程中必須開(kāi)辟單獨(dú)的接收和發(fā)送數(shù)據(jù)線程，接收數(shù)據(jù)線程的部分代碼為：

　　public void run()

　　{ Log.i(TAG， "BEGIN mConnectedThread");

　　byte[] buffer = new byte[1024];

　　int bytes;

　　while (true) //監(jiān)聽(tīng)I(yíng)nputStream連接

　　{try{

　　bytes=mmInStream.read(buffer);//讀取輸入流

　　mHandler.obtainMessage(BluetoothChat.MESSAGE_

　　READ，bytes，-1，buffer).sendToTarget();}

　　//發(fā)送獲得的字節(jié)的用戶(hù)界面

　　catch (IOException e)

　　{Log.e(TAG， "disconnected"， e); break;}}}

　　發(fā)送數(shù)據(jù)線程的部分代碼為:

　　public void write(byte[] buffer)

　　{try {

　　mmOutStream.write(buffer); //寫(xiě)入輸出流

　　mHandler.obtainMessage(BluetoothChat.MESSAGE_

　　WRITE， -1，  -1，buffer).sendToTarget();}

　　//更新用戶(hù)界面

　　catch (IOException e)

　　{Log.e(TAG， "Exception during write"， e); }}

　　其中mmInStream和mmOutStream是Android Socket通信模型中InputStream和OutputStream的實(shí)例化對(duì)象，它們通過(guò)調(diào)用Socket模型中read()和write()方法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。

5 結(jié)論

　　系統(tǒng)中毒氣濃度測(cè)量器固定在消防員佩戴的正壓式呼吸器的末端，裸露外表并防爆處理，附帶測(cè)量環(huán)境溫度，脈搏測(cè)量采用腕表式設(shè)計(jì)，系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后自動(dòng)掃描并建立傳輸鏈路，消防員本身除了打開(kāi)系統(tǒng)外，無(wú)需其它操作。整個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)F(xiàn)場(chǎng)各種場(chǎng)景參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)胶蠓街笓]中心和前沿指揮員，輔助指揮決策，提高指揮自動(dòng)化水平。未來(lái)可使通信終端開(kāi)啟WIFI模式，為頭盔式攝像設(shè)備開(kāi)辟無(wú)線傳輸通道，能夠?qū)F(xiàn)場(chǎng)視頻信息及時(shí)傳輸?shù)街笓]中心或者指揮車(chē)，信息將更加豐富，集成度也會(huì)更高。

　　參考文獻(xiàn)

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