基于嵌入式的消防員信息監(jiān)測(cè)服裝研究

摘 要：消防服是消防員在救災(zāi)時(shí)重要的防護(hù)工具，傳統(tǒng)的消防服只是對(duì)身體各個(gè)部位進(jìn)行防護(hù)。在信息、電子和智能服裝技術(shù)不斷發(fā)展的今天，消防服的智能化勢(shì)在必行。課題設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的消防服用探測(cè)系統(tǒng)，將消防服納入到消防檢測(cè)系統(tǒng)之中，使得消防服不僅是保護(hù)消防員人身安全的防護(hù)工具，還可以用來(lái)檢測(cè)消防員的信息。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)出的嵌入式系統(tǒng)，和各個(gè)模塊的測(cè)試以及整體測(cè)試，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

關(guān)鍵詞：消防服；嵌入式系統(tǒng)；溫度；心率

1 研究背景

消防服顧名思義就是用來(lái)在火災(zāi)以及別的事故災(zāi)害中保護(hù)消防人員人身不受到傷害的專用服裝。在環(huán)境惡劣的救援現(xiàn)場(chǎng)，各種突發(fā)的情況都是有可能給救援人員的生命構(gòu)成威脅，所以消防服對(duì)于消防員來(lái)說(shuō)就顯得尤為重要。我國(guó)消防服的發(fā)展經(jīng)歷了幾個(gè)過(guò)程：最開(kāi)始的是81、85式戰(zhàn)斗服，81、85式戰(zhàn)斗服具備了最基本的防護(hù)功能，被廣泛的運(yùn)用于各個(gè)消防部隊(duì)，以及企事業(yè)的消防部門。但是隨著社會(huì)的發(fā)展，實(shí)際的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的突發(fā)情況越來(lái)越復(fù)雜，81、85式戰(zhàn)斗服的缺點(diǎn)和不足不斷地暴露了出來(lái)，漸漸地也就被市場(chǎng)所淘汰。后來(lái)出現(xiàn)了97、02式消防服，這款消防服改進(jìn)了前一代的很多不足，具有較好的防護(hù)作用。現(xiàn)今，在國(guó)外，對(duì)于消防服已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)十分成熟的階段了，特別是在耐火和隔熱的性能的研究上。所以，對(duì)新型的消防服的研究還是需要消防相關(guān)的研究人員不斷地去努力的，推出新類型的消防服任重而道遠(yuǎn)。本文研究的消防服用探測(cè)系統(tǒng)在服裝層面上來(lái)講為智能服裝。智能服裝是可穿戴技術(shù)、服裝技術(shù)和智能算法的集合。服裝是穿在人的身上的，它與人之間有著密切的關(guān)系，把服裝同監(jiān)護(hù)生理特征聯(lián)系在一起，現(xiàn)在已經(jīng)成為了一個(gè)研究的熱點(diǎn)。

2 基于嵌入式的消防員信息監(jiān)測(cè)服裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本章研究消防服內(nèi)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，它是本次研究的系統(tǒng)的感知層。感知層在整個(gè)系統(tǒng)中的作用是用來(lái)感知以及識(shí)別外界物體，感知層對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)就相當(dāng)于人的皮膚和五官，通常意義上的感知層囊括了二維碼標(biāo)簽和識(shí)讀器、RFID標(biāo)簽和讀寫(xiě)器、攝像頭、GPS、傳感器、M2M終端、傳感器網(wǎng)關(guān)等，主要功能是識(shí)別物體、采集信息。本論文研究的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的防化系統(tǒng)的感知層是由各種傳感器構(gòu)成，他們可以檢測(cè)消防服使用者所處位置周圍的環(huán)境信息以及生理情況。數(shù)據(jù)的采集用到了心率傳感器、煙霧傳感器、溫度傳感器。在數(shù)據(jù)的無(wú)線通信上使用的是藍(lán)牙4.0通信協(xié)議以及移動(dòng)通信。整體架構(gòu)如圖1所示。

2.1 心率傳感器的設(shè)計(jì)

本文中心率傳感器是一款用于脈搏心率測(cè)量的光電發(fā)射式的模擬傳感器，通過(guò)傳感器采集到的模擬信號(hào)傳輸給單片機(jī)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再由單片機(jī)計(jì)算后就可以得到心率值。人的生理信號(hào)都比較弱，一般只有微伏或者毫伏級(jí)別，這種微小信號(hào)很容易受到外界的干擾，一個(gè)小小的信號(hào)都可以將人的生理信號(hào)湮滅。所以在此處選用的是光電容積法來(lái)測(cè)量心率。這種方法在使用簡(jiǎn)單、方便佩戴的同時(shí)、而且還有較高的可靠性。

2.2 心率模塊電路設(shè)計(jì)

此次研究中的心率模塊電路，主要由電源模塊，濾波電路和放大電路幾個(gè)部分組成。其中D1為傳感器光源，型號(hào)是AM2523，用來(lái)發(fā)射峰值為波長(zhǎng)515nm的綠光。U1為光感受器，通過(guò)芯片手冊(cè)了解到它的感受峰值的波長(zhǎng)為565nm，這個(gè)與我們的需求比較接近。低通濾波器由C2，C3，C4，R2組成，用來(lái)排除信號(hào)干擾。由MCP6001組成的放大模塊把信號(hào)放大了340倍左右，然后使用了分壓偏置電阻將電壓偏置為出入電壓5V的一半。這樣處理器S3C2440自帶的AD模塊就可以檢測(cè)到放大之后的信號(hào)了。

2.3 煙霧濃度傳感器模塊

此次研究的系統(tǒng)正對(duì)煙霧濃度的檢測(cè)設(shè)計(jì)了一款煙霧濃度傳感器電路，檢測(cè)煙霧的傳感器采用的是MQ-2型傳感器。這種類型的傳感器是由二氧化錫半導(dǎo)體構(gòu)成的，當(dāng)表面接觸到煙霧的時(shí)候，氧化錫晶體粒之間的勢(shì)壘收到煙霧的調(diào)制而變化，那么就會(huì)引起表面電導(dǎo)率的變化，運(yùn)用這個(gè)特點(diǎn)就可以獲得煙霧存在的信息

MQ-2轉(zhuǎn)化出的電壓是非常微小的，我們使用的處理器沒(méi)有辦法采集到這個(gè)信號(hào)，必須還得另外設(shè)計(jì)了放大電路將信號(hào)放大到處理器可以檢測(cè)到的范圍之內(nèi)，然后接到處理器的AD端口就可以了，這部分輸出的是模擬量。同時(shí)還設(shè)計(jì)了電壓比較模塊，如果超過(guò)一定的濃度，模塊就會(huì)輸出高電平，將這個(gè)信號(hào)可以直接外接處理器模塊。此處的滑動(dòng)變阻器Rp，可以調(diào)節(jié)待檢測(cè)煙霧濃度的閾值，調(diào)節(jié)阻值的大小可以做煙霧報(bào)警的靈敏度的高低進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 結(jié)論與展望

本論文研究的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的消防服用探測(cè)系統(tǒng)通過(guò)在消防服中內(nèi)植入嵌入式系統(tǒng)，使得傳統(tǒng)的消防服成為了智能化的電子消防服。在傳感器設(shè)計(jì)方面設(shè)計(jì)了心率傳感器、氣體煙霧傳感器，再結(jié)合著數(shù)字溫度傳感器，可以準(zhǔn)確的判斷出火災(zāi)。嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)上設(shè)計(jì)出了嵌入式最小的硬件系統(tǒng)。設(shè)計(jì)出了一套系統(tǒng)，可以達(dá)到監(jiān)控消防人員所在環(huán)境信息、生理信息、位置信息實(shí)時(shí)檢測(cè)的目的。

作者簡(jiǎn)介：

強(qiáng)發(fā)瑞（1995-），男，漢族，甘肅省靖遠(yuǎn)縣劉川鄉(xiāng)鷹咀村人，本科，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。