《无线压力传感器在消防员空气呼吸面罩设计中的应用》研究背景与意义



专家导读

《无线压力传感器在消防员空气呼吸面罩设计中的应用》研究背景与意义

火灾是比较常见的灾害，无论是自然发生还是人为造成的，往往伴随着人员伤亡和经济损失，一直是威胁公众安全和社会发展的不稳定因素。

正压式空气呼吸面罩是目前消防员普遍采用的火场穿戴设备之一。据统计，我国发生火灾的扑救时间平均约为43 min，而国内消防部队普遍装备的是30 MPa/6.8 L的空气压缩气瓶，在实际操作过程中的供气时间约为16～30 min，即使是新型的40 MPa/6.8 L的气瓶也仅能多提供10 min左右的空气。因此，实时掌握所背负气瓶的空气余量，对处于火场的消防员判断继续行动的时长起到重要的参考作用。由于火场现场环境干扰因素较多，方便快捷地读取气瓶压力尤为重要。

黑龙江省科学院自动化研究所的“消防员定位系统”项目从实际出发，研究基于GPS、加速度传感器导航(惯性导航)和无线传感器网络定位技术(RSSI)融合的新型定位系统，通过无线传感器网络来修正惯性定位的解算精度，从而提高系统的定位精度。系统通过建立多种复杂环境模型，同时考虑了火场环境因素对算法的影响，利用RSSI衰减来衡定复杂环境中墙壁、玻璃等对无线通讯信号的影响值，并用多次校准方式以减少由惯性导航随着时间和距离的增加带来的测量精度减低，有效减少消防员三维定位过程中的高度误差，在一定程度上提高算法的准确性。

消防员定位系统建立了建筑物地理信息模型和导航系统，为消防员和指挥员提供了逼真的可视路径和结构信息，可对消防员状态(位置、姿态和生命体征等)和火场情况进行实时显示和记录，进而对消防员进行路径规划和任务调配。系统可以实现对建筑三维的缩放、平移、旋转定位功能。根据人员定位设备传输回来的三维参数，在建筑三维中实现佩带人员定位设备的人员定位。在建筑三维中实现人员行走轨迹实时动态模拟，可用不同颜色表现。能查看人员在楼宇内部分布，以及人员的基本信息，实现人员队友搜救、安全退出引导、氧气倒计时、现场毒气报警等一系列功能。

“基于无线传输的消防员空气呼吸智能面罩”是消防员定位系统中处于救火现场的消防员佩戴的终端设备之一，是定位系统功能实现不可或缺的一部分。消防员空气呼吸面罩为消防员在火场高温缺氧、充满有毒有害气体或粉尘的环境下提供最基本的供气保障，以便消防员在现场抢险作业。“基于无线传输的消防员空气呼吸面罩”通过无线压力传感器与智能面罩的结合，将经过气瓶阀输出的气瓶压力读取出来，再与智能面罩的无线接收器相连，根据得到的数据以6 MPa和10 MPa分段指示，以不同颜色LED灯的闪亮来标识气瓶压力值。无线压力传感器(压力变送器)采用ZigBee通讯方式，其理论传输速率为250 kps，实际传输速率小于100 kps，虽然远远低于蓝牙和WIFI技术，但是具有传输距离较远、功耗小(发射功率约为10 mw)、续航时间长、协议简单、成本低等特点。由于压力传感器的信息量较少且读取的频率不高，因此可以将ZigBee技术的无线压力传感器应用于消防员空气呼吸面罩的设计中，这样，不仅可靠实现消防员对气瓶余量的随时观察，还可以通过ZigBee的联网技术，将现场实时信息传送到指挥中心，便于指挥员掌握火场情况、消防员的身体及装备的状况。