消防員空氣呼吸器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李 增，裴建國(guó)，朱紅偉，馬曙光

（中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院 河北 廊坊　065000）

消防員空氣呼吸器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李 增，裴建國(guó)，朱紅偉，馬曙光

（中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院 河北 廊坊065000）

為了保障在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施搶險(xiǎn)救援作業(yè)的消防員的個(gè)人安全，設(shè)計(jì)了基于Android平臺(tái)的空氣呼吸器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要包括氣體壓力傳感器測(cè)量系統(tǒng)，數(shù)據(jù)服務(wù)器和移動(dòng)指揮平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)將災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)消防員空氣呼吸器狀態(tài)信息實(shí)時(shí)、不間斷地傳輸?shù)胶蠓街笓]中心和一線(xiàn)指揮員的便攜式指揮平臺(tái)，輔助指揮員決策，提高指揮自動(dòng)化水平。

呼吸器；信息；測(cè)量；消防；傳輸

正壓式空氣呼吸器是消防員進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，特別是處置危險(xiǎn)化學(xué)品、天然氣泄露時(shí)所必須佩帶的個(gè)人防裝備，為保障消防員的人身安全發(fā)揮了重要作用，常用的氣瓶壓力為30 MPa，容量6.8 L或9 L，標(biāo)稱(chēng)時(shí)間60～90 Min，但是由于肺活量的差異，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不同，使得正壓式空氣呼吸器的使用時(shí)間因人而異，同一個(gè)人，跑步或者靜止?fàn)顟B(tài)下使用時(shí)間也不相同，這就造成了指揮員很難掌握每個(gè)人的具體情況，無(wú)法有效指揮，組織救援行動(dòng)，也不能第一時(shí)間命令那些空呼容量用盡達(dá)到報(bào)警閾值的消防員及時(shí)撤出。特別是在消防員被困或者迷路的情況下，因空呼用盡施救不及時(shí)而造成消防員犧牲慘劇時(shí)有發(fā)生。

隨著技術(shù)的發(fā)展，把消防員的空氣呼吸器狀態(tài)信息及時(shí)采集、傳輸?shù)胶蠓街笓]中心和前沿指揮員，根據(jù)消防員實(shí)際使用情況實(shí)時(shí)更新使用時(shí)間，能夠有效輔助指揮員決策，提高指揮自動(dòng)化水平，保障消防員人身安全［1］。機(jī)處理及低功耗藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，基于Android系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)平臺(tái)，支隊(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)器和移動(dòng)指揮平臺(tái)。設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

單兵終端包括固定在氣瓶終端氣體壓力感知摸塊和數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)平臺(tái)，數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)平臺(tái)依托消防員配備的防暴手機(jī)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)互聯(lián)氣瓶壓力感知終端［2］，并把所測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)3G通信的方式傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)支隊(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)器。支隊(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)關(guān)和防火墻與3G公網(wǎng)互聯(lián)，用于緩存數(shù)據(jù)，便攜式移動(dòng)指揮平臺(tái)采用平板電腦，集中顯示每個(gè)消防員氣體壓力參數(shù)。人機(jī)交互，輔助現(xiàn)場(chǎng)指揮員決策。

2　硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

消防員搶險(xiǎn)救援的場(chǎng)所包括建筑物內(nèi)部、地下空間、隧道等場(chǎng)所，目前3G公網(wǎng)信號(hào)基本都能實(shí)現(xiàn)這些場(chǎng)所的覆蓋。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求，結(jié)合實(shí)際情況，本系統(tǒng)主要包括如下幾部分：PT500-500氣體壓力傳感器及外圍電路設(shè)計(jì)，單片

硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以MSP430F2249單片機(jī)為控制核心，包括前端信號(hào)采集，放大電路，后端的藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸摸塊，系統(tǒng)的整體框圖如圖2所示。

PT500-500系列氣體壓力傳感器器采用高精度高穩(wěn)定性電阻應(yīng)變計(jì)/擴(kuò)散硅晶體/陶瓷晶體等做為感壓芯片，貼片工藝，配套帶有零點(diǎn)、滿(mǎn)量程補(bǔ)償，溫度補(bǔ)償?shù)母呔群透叻€(wěn)定性放大集成電路，輸出4～20 mA微電流，測(cè)量壓力可達(dá)60 MPa，滿(mǎn)足最大30 MPa的測(cè)量需求。

圖1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.1　Structure diagram of the system

圖2　硬件系統(tǒng)框圖Fig.2　Hardware diagram of the system

負(fù)載電阻800 Ω，轉(zhuǎn)化為響應(yīng)的電壓信號(hào)，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10～1000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)量氣瓶壓力的平均值，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，用于氣瓶壓力的波動(dòng)值，最后實(shí)測(cè)值為兩者之間的疊加，如圖3所示。

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、接受數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作。

CC2540是TI公司單模低功耗藍(lán)牙芯片，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1 000個(gè)數(shù)據(jù)信息為一個(gè)處理周期，對(duì)這1 000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)得更新頻率要求不要，0.5～1次/秒即可；第二步：據(jù)信息進(jìn)行判斷，如果信號(hào)不屬于正確氣瓶壓力傳感器范圍，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)紸ndroid數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)發(fā)平臺(tái)。Android手機(jī)中轉(zhuǎn)平臺(tái)設(shè)置報(bào)警門(mén)限5MPa，一旦低于該值，則報(bào)警。

圖3　氣瓶壓力傳感器二級(jí)放大電路Fig.3　Two level amplifier circuit of air press sensor

3　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件主要包括Android數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)平臺(tái)和移動(dòng)指揮平臺(tái)的設(shè)計(jì)，Android數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)平臺(tái)依托消防員配備的防暴手機(jī)（Android平臺(tái)）［4］，以藍(lán)牙的方式接收氣瓶壓力數(shù)據(jù)，加上數(shù)據(jù)的報(bào)頭，報(bào)尾，組成F5+5F+數(shù)據(jù)+5F+F5幀結(jié)構(gòu)，打包后以3G通信的發(fā)方式發(fā)送到后方指揮中心數(shù)據(jù)服務(wù)器，后方指揮中心數(shù)據(jù)服務(wù)器緩存后再以3G無(wú)線(xiàn)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)采用防暴處理并加固后的平板電腦，7～8寸，Android系統(tǒng)，主要完成對(duì)氣瓶壓力數(shù)據(jù)的顯示，并根據(jù)最近1分鐘消防員的空呼使用情況，估計(jì)余量的使用時(shí)間，一旦時(shí)間低于10 Min，5 Min，以不同的報(bào)警音進(jìn)行提示，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)，程序流程如圖4所示。

Android數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)平臺(tái)和移動(dòng)指揮終端的定時(shí)器為1 000 ms，即數(shù)據(jù)以1次/秒的頻率進(jìn)行更新，保證前沿指揮員能夠及時(shí)獲取室內(nèi)搶險(xiǎn)救援作業(yè)消防員的空氣呼吸器狀態(tài)信息，一旦超過(guò)預(yù)先設(shè)置閾值，移動(dòng)指揮平臺(tái)則發(fā)出特定聲音或以特定頻率閃爍來(lái)提醒指揮員，而Android數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)平臺(tái)，即智能手機(jī)以震動(dòng)的方式通知消防員［5］。

圖4　通信終端和指揮平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)程序流程圖Fig.4　Program flow chart of communication terminal and command platform

無(wú)論是Android數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)平臺(tái)和移動(dòng)指揮終端，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(xiàn)程，接收數(shù)據(jù)線(xiàn)程的部分代碼為：

這部分是操作藍(lán)牙和3G適配器傳輸訪(fǎng)問(wèn)發(fā)送和接收緩存的代碼，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)。

4　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果

PT500-500系列氣體壓力傳感器由于受到溫飄、零飄等因素的影響，其傳感器有一定的非線(xiàn)性，實(shí)驗(yàn)測(cè)得，該壓力傳感器在2～35 MPa區(qū)間，線(xiàn)性度都比較好，如圖5左圖所示。較好地滿(mǎn)足了30 MPa量程的測(cè)量要求。移動(dòng)指揮終端除了顯示空氣呼吸器的壓力，余量使用時(shí)間，還可以顯示消防員的基本信息，包括姓名、性別，所所屬機(jī)構(gòu)，以及消防員的生命體征信息，如圖5右圖所示。

5　結(jié)　論

圖5　PT500-500壓力傳感器線(xiàn)性特性和數(shù)據(jù)顯示界面Fig.5　PT500-500 pressure sensor characteristic and Data interface

本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的氣體壓力傳感器測(cè)量裝置安裝在在消防員佩戴的正壓式呼吸器的末端［6］，采用干電池供電，開(kāi)機(jī)后自動(dòng)掃描并建立傳輸鏈路，能夠?qū)馄繅毫?shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)胶蠓街笓]中心和前沿指揮員手里，輔助指揮決策，提高指揮自動(dòng)化水平。

［1］唱?dú)g歡.基于GSM模塊的體溫和脈搏數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］．哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2011．

［2］趙文麗.便攜式生命體征動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2015，23（2）：130-133.

［3］朱宇，齊樂(lè).基于智能手機(jī)的Holter系統(tǒng)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2015，23（2）：130-133.

［4］鄒輝林.脈搏信號(hào)遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)控器系統(tǒng)原型研究 ［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2011.

［5］李國(guó)輝.自給正壓式空氣呼吸器應(yīng)用研究［J］.消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2011，6（20）：16-44.

［6］梁衛(wèi)國(guó).淺議空呼使用時(shí)間的有效控制［J］.中國(guó)教育技術(shù)裝備，2012，267（9）：103-104.

Positive pressure air breathing information real-time collection system

LI Zeng，PEI Jian-guo，ZHU Hong-wei，MA Shu-guang
（The Armed Police Academy，Langfang 065000，China）

In order to protect the firefighters working on disaster scene，positive pressure air breathing information collection and transmission system based on Android terminal is designed，which including air press sensor terminal，data servers and portable command platform.As a result，information of positive pressure air breathing parameter are transmit to command center and commander on site real-time and uninterrupted，playing an important role on decision-making reason，and the level of automation of command is improved.

disaster；information；collection；fire；transmission

TN923

A

1674-6236（2016）03-0190-04

2015-05-04稿件編號(hào)：201505011

公安部應(yīng)用創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（2014YYCXWJXY60）

李 增（1982—），男，河南鄧州人，博士，講師。研究方向：消防通信。