基于Raspberry Pi的消防員定位系統設計

■ 何 鋒

（烏魯木齊市消防救援支隊，新疆 烏魯木齊 830000）

采取案例分析法，歸納消防員參與大型火場撲救傷亡案情，在查閱文獻資料的基礎上進一步總結消防員傷亡原因，分析消防員定位系統存在的問題，并結合當前Raspberry Pi的卡片機優勢，有針對性地設計Raspberry Pi消防員定位系統所需的模塊和實現的功能。

消防員；Raspberry Pi；火災事故；定位系統

0 引言

消防員在大跨度大空間的災害現場，因迷失方向而傷亡的案例較多。例如，2010年2月9日，中央電視臺新臺址的北配樓因違法燃放煙花引發大火，參加救援的消防指戰員6人負傷，內攻搜救時1名消防員犧牲；2012年2月1日，蘇州工業園區廠房發生火災，1名消防員在內攻偵察時，因導向繩被倒塌的貨物埋住，在復雜的環境中迷失方向英勇犧牲；2013年10月11日，北京石景山區蘋果園南路喜隆多商場發生火災，在處置過程中，2名消防員進入火場偵查，因火勢迅速蔓延，建筑突然坍塌，導致2人在火場迷失方向壯烈犧牲。

分析上述案例，可以看出進入火場的消防員除了配備常規個人防護裝備，并沒有配備內攻定位設備。定位設備既可以充當消防員“搜救眼睛”，避免在濃煙能見度低的環境中重復搜索，又可以充當消防員“自救眼睛”，找到安全出口。本文應用卡片機Raspberry Pi與加速度傳感器模塊，提出消防員內攻定位系統設計。消防員攜帶Raspberry Pi定位系統，能即時顯示所處位置，并具備實時原路返回導航指示和定時報警功能。

1 當前消防員定位系統存在的問題

1.1 定位精度低

在進入災害環境作業后遇到意外情況，消防員啟動身上的報警裝置，外界人員根據發出信號的強弱，搜索被困消防員所在位置，這種定位技術操作簡便，但是定位性不強、搜救時間長。2011年，沈陽消防支隊分析無線定位技術的方案及其選擇原則，探討手機定位技術的原理、方案及應用后發現，這種定位方式需要每個房間安裝屏蔽器。另外，進入室內消防員在搜救、滅火等過程中很容易與手機分離，不一定能準確定位到被困人員。

1.2 環境適應差

對進入樓層的消防員進行定位，主要是在火災初期和發展階段，還未大面積燃燒的時候。因此，消防員定位系統要克服烈火、濃煙、高溫、噪聲、建筑物遮蔽等的影響。目前，在一些消防員定位系統設計中，對定位準確性考慮多，對特殊應用環境考慮少。2013年，云南省消防總隊結合慣導技術,設計了可對建筑內消防救援人員位置分布進行實時監控及分析的無線消防定位系統，但是該系統在信號傳輸過程易受建筑物遮蔽，實際火場應用不便。

1.3 系統造價高

消防員定位系統中，有一種采用預布點的定位技術。該方案需要預先布置感應節點，建立建筑物室內分布圖，消防員攜帶發射芯片進入建筑物內，感應節點接收到芯片發射的無線信號后相互傳遞，相互協調通信進而準確定位，但造價高。2009年，極頻譜公司和摩托羅拉公司開發一套基于超寬帶（UWB）無線電人員定位系統，該系統計劃耗資約1 000萬美金。

2 Raspberry Pi消防員定位系統模塊設計

消防火場定位系統設計需要考慮定位精度、環境適應性、系統造價等問題，而本系統利用Raspberry Pi卡片機開源的Linux系統，編寫程序方便，市場上售價200元人民幣左右，用于消防員建筑物內自助式定位導航，較好地解決了以上問題。圖1為Raspberry Pi自助定位系統結構圖。

圖1 Raspberry Pi自助定位系統組成

2.1 Raspberry Pi模塊

Raspberry Pi模塊又稱為樹莓派模塊，該模塊是整個自助定位系統的核心構件模塊，能夠執行所編程序代碼，驅動加速度傳感器模塊和報警器模塊，輸出的信號能直接轉化為顯示器模塊讀取。Raspberry Pi中文名叫“樹莓派”，雖然只有名片盒子一樣大小，但是具備電腦所有基本功能。該產品與其他單片機相比具有兩大優勢：1）硬件價格便宜，目前在市場上銷售的Raspberry Pi主要有兩款型號（如圖2、3），Raspberry Pi A型只需25美元，Raspberry Pi B型只需35美元；2）采用Linux作為操作系統，該系統具有開放源代碼的特點，很容易移植到其他硬件上，使其更方便調試操作。

圖2 Raspberry Pi A型

圖3 Raspberry Pi B型

2.2 加速度傳感器模塊

將該模塊與Raspberry Pi卡片機相連，可以實時測量出進入室內消防員移動的數據。消防員在建筑物內部搜救滅火過程中，加速度傳感器模塊顯示的加速度、矢量實時變化，通過一定的方法，采用最小二乘法處理數據減少測量誤差，建立速度、位移模型。

2.3 顯示器模塊

顯示器模塊主要與Raspberry Pi相連，能夠顯示出系統的界面，如在路徑顯示模式下，將消防員運動軌跡的坐標數據直觀顯示在界面上；在返回路徑模式下，同樣還能顯示消防員返回路線的數據。由于Raspberry Pi自助導航系統主要應用于消防員進入的著火建筑物內，因此該顯示器模塊要考慮防水、耐高溫等設計問題。

2.4 報警器模塊

由于在火場濃煙高溫、視線模糊的環境中，消防員進入后對時間估算不準確易造成進入著火建筑時間長，沒有及時聽到空氣呼吸器的報警閥聲音，氣瓶空氣量少而無法及時返回出口，添加報警器模塊可以在有效時間內提醒消防員及時返回。報警器模塊通過擴展板與Raspberry Pi主板的GPIO接口相連，設定一個時間間隔進行報警，進而實現在有效時間內提醒消防員及時返回。

2.5 移動電源模塊

由于Raspberry Pi自助導航系統是消防員自己攜帶的，因此要給本系統配備移動電源模塊。該模塊要能符合Raspberry Pi主板和顯示器模塊的供電設計需求，滿足消防員進入建筑物內偵察搜救所需時間的要求，并且能夠具備一定的防水功能，在高溫環境下仍然能夠持續供電。

3 Raspberry Pi消防員定位系統功能設計

3.1 位置路徑顯示

設計路徑顯示功能，是Raspberry Pi自助導航系統最為主要的部分。室內建筑物火災復雜多變，消防員在其環境中進行偵察搜救時，利用本系統將自己行走的路徑實時顯示在電子屏上，可以在心理上克服黑暗濃煙帶來的恐懼感。

具體設計思路，消防員進入著火建筑物內，自己啟動隨身攜帶的Raspberry Pi自助導航系統，加速度傳感器模塊開始實時收集測量數據，通過擴展板模塊將數據實時傳輸到Raspberry Pi卡片機預先設計的程序上，該程序實時計算出其移動的距離，然后傳輸到相連的HDMI顯示器模塊上顯示出人員移動移動狀態的相關信息。位置路徑顯示流程如圖4所示。

圖4 定位路徑設計流程

3.2 路徑返回指向

設計實時返回路徑指示功能，是為進入建筑物內偵察搜救消防人員如遇建筑物坍塌、空氣呼吸器報警等突發情況，能夠以較快速度及時準確返回到原安全入口的設計。

具體設計思路，在Raspberry Pi自助定位系統中編寫一套返回路徑模式程序，消防員若想原路返回，點擊進入返回路徑模式。該模式程序，能讀取剛開始啟動定位路徑模式里存儲的三維坐標（x軸、y軸、z軸）數據，同時計算出當前的三維坐標數據與之分析處理，通過顯示器模塊標出一條返回路線圖。該程序模式下實時響應加速度傳感器傳來的數據，對每次移動過程中都自動計算返回的路徑，并在顯示器模塊標出路線，并設計可視箭頭指示返回方向。圖5為返回路徑模式效果圖。

圖5 返回路徑模式效果

圖6 定時報警模式方式

3.3 定時報警提醒

設計的定時報警模式連接方式如圖6所示。設計此功能，是為提醒消防員進入室內建筑物內，如遇惡劣環境（濃煙、高溫、能見度低、聲音嘈雜等）搜索救援時間長，在未聽到空氣呼吸器氣壓不足發出的報警聲時，消防員能夠通過定時報警器提醒功能，及時撤離現場，減少人員傷亡。

具體設計思路，在Raspberry Pi卡片機的通用輸出輸入接口上，添加聲音報警器模塊。消防員佩戴空氣呼吸器的使用時間與氣瓶的壓力、氣瓶的體積、消防員呼吸速率有關，具體關系如下：t=VP/kv。其中，t表示消防員佩戴作業時的時間；V表示氣瓶儲存空氣的容量；P表示消防員在打開閥門作業時的壓力；v表示消防員在內攻搜救過程消耗氣瓶氣量的速率，；k為常數，通常取0.098。

基層消防救援站常規配備的空氣呼吸器的體積是6.8 L，正常操作過程時壓力值上限是30 MPa，從而可以推算出一般消防員佩戴空氣呼吸器使用的時間為30 min左右。為有效提醒消防員空氣呼吸器氣壓不足，設計的報警程序應在啟動后25 min開始發出報警聲音，提醒進入室內消防員返回出口。

4 結語

本文提出消防員在樓層平面自助式定位方案，解決了火場信號傳輸難題。有線或無線網絡火場導航，都需要實時信號傳輸，在實際著火建筑物中高溫、火焰可能損壞線路，或者鋼筋混泥土墻體屏蔽網絡都有可能將火場內信號中斷，而本系統為消防員進入火災現場環境采用自助式定位，因而能避免信號傳輸不暢、無法定位問題。