基于物聯網的消防指揮系統

禤永哲，詹萬匯，陳少鋒，孫勁

（廣州大學華軟軟件學院計算機系，廣州 510990）

0 引言

隨著經濟、科技的不斷發展，目前已有部分企業和個人在研發消防救援方面的信息化系統。在國內外的一些企業和專家的鉆研下，并通過一系列的實驗，已有部分相關產品推出市場。但是這部分產品由于成本過高或性能不佳等原因，暫時還未能夠在市場中被推廣起來。

在大多數的消防信息化系統的應用中，廠商和消防部門許多都樂于遵循消防通信指揮系統的三級網布局，即一級網即管區覆蓋網，由基地臺、固定臺、車載臺組成；二級網即火場指揮網，由便攜臺或袖珍臺組成；三級網即滅火戰斗網，由中隊內用袖珍臺或頭盔臺組成。其中在對其實際應用中，消防指揮系統的信息化建設都更為著力于對一級、二級網的建設，在城市整體消防通訊系統的整體布局建設中投入更大。而在消防現場的消防戰斗指揮當中，存在著如下等問題。

（1）通訊手段單寡

在市場上和消防部門所配備的消防指揮系統在火災現場的實時指揮的通訊技術手段并不夠完善。大多數消防部隊對救援現場中消防支隊與消防員單兵的通訊技術手段，停留于短波無線對講的層面。為此，本文提出不僅要使用短波無線語音通訊作為指揮通道，同時應該引入更多通信方式，如高增益性Wi-Fi通信網絡等方式，提供更為廣闊的信息傳輸通道溝通指揮車平臺與消防員移動端，使更多的實時信息能更為有效地從消防員移動端傳輸至指揮車平臺上。

（2）消防員實時生命體征信息監測手段缺失

在消防員單兵實時生命體征監測技術的層面上，目前在國內外的消防部隊信息化系統中尚有缺失，在《消防員個人防護裝備配備標準》和《消防通訊裝備的配備技術》中，對消防員火場中的物理性防護和消防員單兵通信系統技術要求以及通信系統的基本構成提出了硬性要求，但沒有對消防員的遠程生命體征監測做出要求。的而在美軍部隊中用于單兵生命體征監測的可穿戴設備已逐步開始得到應用，這類設備有如用于測量心率、血氧等數據的單兵手環。故此，基于物聯網的消防指揮系統中，使用了SON1205心率傳感器、熱電偶溫度傳感器等傳感器采集得消防員消防服內、外部實時溫度以及消防員心率等數據，并通過高增益性Wi-Fi網絡傳輸到消防指揮車平臺上，并加入警報系統，使消防指揮車上指揮員能及時獲悉火場中執勤的消防員當前生命體征基本信息。

（3）室內位置信息獲取存在障礙

從消防救援單兵實時定位的層面上看，又由于成本高、性能一般的原因，部分采用單兵定位系統的國內外消防部隊使用的是GPS技術實現單兵定位。GPS技術在消防救援中，針對于戶外救援可實現實時單兵定位，但是由于GPS衛星信號無法穿越過多的墻壁，所以在室內環境幾乎無法實現定位功能。對此，在本系統中，引入了9軸運動姿態傳感器，通過加速度、地磁傳感器、陀螺儀所測得的數據綜合處理，在消防指揮車平臺上基于OpenGL搭建出三維室內坐標圖，并描繪出消防員在室內的遠動軌跡，得出消防員在室內的大致位置信息。

1 系統總體框架

整個系統可以主要分為消防員移動端和消防車載終端平臺。

消防員移動端，是以Arduino Mega2560 R3開發板為核心，使用溫度、心率、運動姿態、氧氣瓶氣壓傳感器，對信息進行初步處理，并通過HC-24 Wi-Fi模塊將信息通過Wi-Fi網絡向終端平臺傳輸。消防員移動端還附帶IP網絡攝像頭和語音傳輸模塊。IP攝像頭能夠通過Wi-Fi網絡實時向終端平臺傳輸視像信息；語音傳輸模塊能夠通過短波通信，實現實時語音對講。

消防車載終端平臺，是以指揮車上的計算機為中心，利用高增益天線和無線路由，通過Wi-Fi網絡接收來自消防員終端的數據信息，并對其進行解析和處理，通過Qt程序呈現出來，另外終端平臺上還外置有語音通訊模塊，可實現讓指揮人員與消防員語音實時對話。

2 具體實施

2.1 消防員移動端

消防員移動端是由消防服、消防背包、消防員頭盔共同組成。

消防員頭盔上嵌有IP攝像頭，通過IP攝像頭將消防員所處的大致環境向終端傳輸，利用CHD05_V模塊與我們搭建的增益性的Wi-Fi網絡組網，并通過無線網絡通道傳輸救援人員第一視覺的視頻信息，攝像頭采集到的數據會在指揮系統終端實時顯示，在指揮終端呈現出來，可供指揮人員了解救援人員的所處的環境情況。

圖1 系統總體框架圖

圖2 消防頭盔

消防服上嵌有多個熱電偶溫度傳感器、SON1205心率傳感器、OLED顯示屏、9軸運動姿態傳感器以及短波語音通訊模塊，實現對救援人員消防服內部溫度、外部溫度、心率情況、消防員運動姿態的實時采集，并將采集到的模擬信號通過Arduino單片機將其轉換為數字信號以及對運動姿態數據進行濾波處理，再將消防服內部、外部溫度、心率情況以及氧氣瓶的氧氣量在OLED顯示屏上顯示，同時讓數據通過無線網絡向指揮終端傳輸。利用語音傳輸模塊通過短波通信，實現消防員間、消防員與終端間的語音實時對講。

消防背包內置氧氣瓶和核心盒子。氧氣瓶頭部接入電子氣壓傳感器，通過對氧氣瓶內的氣壓檢測進而換算出氧氣瓶內氧氣量，核心盒子內含Arduino Mega2560核心板，對外界傳感器傳入的數據信進行處理及通過Wi-Fi模塊轉發。

在火場的救援工作中，消防員都處在相對危險的環境中，該系統可以判斷一些較為危機的情況，如遇到火場溫度過高、體感溫度過高、氧氣瓶氣壓過低等情況會通過語音或者顯示屏及時向消防員報警。

圖3 消防服和消防背包

2.2 消防車載終端平臺

消防車載終端指揮平臺是通過Qt編程構建的終端軟件，可在其上進行網絡設置，綁定本地IP和端口號接收外來數據信息，并具有遠端消防員溫度、心率、氧氣量等數據顯示曲線圖表以及利用消防員運動軌跡而成定位系統、利用遠端傳來的視像信息進行遠端即時視像監測。

圖4 消防車載終端平臺操作界面

2.3 基于消防員運動軌跡的室內三維定位圖的測繪

基于物聯網的消防指揮系統利用消防員移動端上集合了加速度傳感器、地磁傳感器、陀螺儀的9軸運動姿態傳感器，將測得的加速度、地磁偏角、運動水平旋轉角數據結合起來，從而通過運算獲得消防員偏轉角度和運動向量，并通過自建的高增益性Wi-Fi網絡向消防指揮車終端平臺傳送。

在消防指揮車終端平臺上利用OpenGL開放圖形庫在Qt應用程序上建立三維直角坐標系，在其上進行三角函數運算、向量疊加，得出當前消防員所處室內環境相對的位置信息，并將消防員不同時期的一系列位置坐標記錄下來，形成運動軌跡記錄，以此實現三維室內實時定位圖。

圖5 九軸運動姿態傳感器上位機調試

（1）通過九軸運動姿態傳感器獲取偏轉方位角

九軸運動姿態傳感器內部集成了姿態結算器，通過內置的地磁傳感器計算磁場方向，再通過陀螺儀對傳感器自身的傾斜程度進行補償處理。直接從傳感器讀取的是地磁方位角信息，因此是絕對方向的偏轉角度，在實際應用中一般是以x軸作為初始方向，程序設計了對初始角度的獲取程序，獲取傳感器讀取到了前200個數值，然后拋棄前10個不穩定值，將剩下的190個值相加得到 α，再將 α除以190得到初始角度平均值。從傳感器讀取的第201個值開始，每次獲得的角度 β都去減去初始角度并將其轉換成弧度，這樣就能獲取到一個相對的方位角弧度r，并將r傳到上位機進行處理。

（2）通過九軸運動姿態傳感器獲取位移信息

判斷三個軸的加速度，進行對于行走時每一步的判斷，以每一步為計時間隔。每50ms讀取傳感器獲取的x、y、z軸上的原始加速度，進行卡爾曼濾波處理后得到加速度ax、ay、az，每次都將三個軸的上一次的加速度保存下來，將獲取的新的值都與保存的上一個值相減，從而得到三個軸的加速度增量Δax、Δay、Δaz，代入以下公式：得出x、y、z軸的加速度向量的模D，D的值就是反映了人體在走動時所產生的震動情況。在測算出并判斷出每一步的基礎上，以最新一步的出現為中斷信號，根據每一步的加速度大小，判斷每一步的步長，計算出位移增量 S，將 S傳到上位機進行處理。

（3）上位機三維室內定位圖的繪算

全局定位程序會通過前文所述網絡層中所分揀的數據，獲取當前消防員正面所朝向方向與起始位置正前方所成的相對夾角弧度 r，以及消防員每一步伐所前進的位移增量 S，利用三角函數算出 x軸位移偏移量 Sx，以及 y軸位移偏移量 Sy。通過與上一次得到的坐標進行疊加，從而算出當前消防員的坐標，以實現室內定位功能，而每個點之間的所連接而成的線段，正是消防員在室內的運動軌跡。Sx、Sy均通過數學分類討論方式解算出來，具體解算方式如下：

y為相對偏轉夾角弧度，S為每步間的直線距離，Sx、Sy分別為 x軸、y軸上的偏移分量。

（1）若 0≤r＜π 則有：

（2）若 π≤r＜2π 則有：

（4）絕對位置坐標獲取

當移動端某個時段處于GPS信號較好的環境時，會自動通過GPS定位模塊獲取到人員目前所在的經緯度信息，尤其是在作業處于就緒狀態時，消防員處于室外環境啟動系統的情況下，會通過GPS定位模塊獲取人員此時的經緯度信息。然后將消防員的運動軌跡與GPS模塊間歇獲取的絕對經緯度信息和地圖結合起來，可實現在地圖上顯示人員的運動軌跡，從而實現更為精確的室內定位。

圖6 不顯示軌跡的全局定位圖

3 結語

現今的消防服主要以對消防員的生命安全提供保障為主要目的，著重點在于提高消防服的隔熱性、防火性、防生化等方面。當前消防員之間的信息交互，主要集中在短波語音通信上。這樣的傳統消防服,無法滿足應急指揮對現場實時信息的迫切需求。針對這些缺陷我們利用增益性的Wi-Fi網絡，搭建起一個具備如下創新性消防指揮系統：

（1）通過多種手段進行實時通訊。本作品不僅使用短波無線語音通訊作為指揮通道，同時引入無線傳輸模塊實現無線通訊，提供了更為廣闊的信息傳輸通道，溝通指揮車平臺與消防員移動端，通過傳感器組件使更多的實時信息能更為有效地從消防員移動端傳輸至消防車載終端平臺上。

（2）加入消防員實時生命體征信息監測手段：消防服組件上設置有溫度傳感器、心率傳感器、氣壓傳感器，可以實時監測關乎消防員生命安全的各項信息，并將這些信息通過無線及時傳輸到消防指揮車平臺上，使消防指揮車上指揮員能及時獲悉火場中執勤的消防員當前生命體征基本信息，且指揮人員可以在界面上看到所有消防員的歷史信息記錄，在消防員進行救援工作的同時，更能保證他們自身的生命安全。

圖7 顯示運動軌跡的全局定位圖

（3）消防員在非露天環境下的定位。目前市場上的大多數產品對于消防員的定位是基于GPS實現的，而火場環境往往是環境復雜的樓房或倉庫等地方，這不利于GPS的定位。本作品對于人員的定位是以基于九軸運動姿態傳感器為主，GPS定位為輔，通過測算消防員在室內的相對運動軌跡，計算出消防員所在的室內位置，當移動端處于作業就緒狀態時或某個時段處于GPS信號較好的環境時，會自動通過GPS定位模塊獲取到人員目前所在的經緯度信息，然后將兩者結合起來，這樣更有利于消防控制中心對消防員的指揮和調度。

當然，整個系統的設計可積極迎合如國務院印發的《關于加強和改進消防工作的意見》等相關政策，積極推動消防科學技術創新，建立健全滅火應急救援指揮平臺，并進一步完善消防體系的三級網布局。

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