基于微惯导+蓝牙技术的消防现场智能定位监测装置

2018-07-04武汉工程大学电气信息学院戴璐平刘海英叶沛坚

电子世界 2018年12期

武汉工程大学电气信息学院戴璐平刘海英叶沛坚

伴随着现代智能建筑的高速发展，对消防手段提出了更加严峻的要求。我国这几年经济的快速增长，消防系统在进步中也出现了许多新的问题亟待解决，火灾发生的概率和现场救援的难度不断加大，当消防员采用内攻战术时，常常需要进入到诸如危化品处置现场或者危险的狭小空间等区域，而目前消防人员进入火场后与外界联系的手段单一，效率低下，一旦中断则彻底失去联系，后方指挥员无法及时有效的获取消防员的个人信息和场景信息，特别是在消防员被困或者迷路的情况下，无法第一时间展开施救。

本文基于MENS微惯性参考系统提出一种小型消防终端，通过传感器收集各种有效信息，与智能楼宇消防安全及应急系统的服务器进行交互，对现场救援人员进行有效定位和生命体征监控，并对救援的环境进行检测。具有一定的推广性[1]。

1.系统救援定位

1.1 MEMS微惯导航系统

微惯性导航系统（Micro-INS，Micro-Inertial-Navigation System）简称微惯导，主要包含陀螺仪、加速度计、微处理器，根据实际需求还可增加磁力计、气压计等MEMS器件。基本原理是以陀螺仪和加速度计为敏感器件的导航参数解算系统，该系统根据陀螺仪的输出建立导航坐标系，根据加速度计输出解算出运载体在导航坐标系中的速度和位置。

其最大的优势在于可自主定位，即不借助于卫星信号，也不需要外部基站等辅助设备或先验数据库，给定了初始条件后，不需要外部参照就可确定佩戴人员当前的位置、方向及速度。工作不受气候、地理位置、人为因素等复杂条件的干扰，可精确定位。同时微惯导系统还兼具成本低，重量轻，体积小，功效低等优点。

1.2 微惯导+蓝牙定位

由于微惯导系统的数据是通过积分产生的，所以随着工作时间的增加，定位累计误差会加大，这就需要外部的信息进行辅助定位。而蓝牙信标可应用于室内定位，但是信号发射范围比较小。我们将蓝牙信号与微惯导系统定位信息进行间或校准，可以达到长时间维持在一个稳定的可接受的精度范围。这种迭代融合的定位方案，非常有利于消防救援中人员定位的需求。[2,3,4]

2.功能需求分析

消防现场的感应点应能通过网络将报警信息发送到系统服务器，消防员通过个人手持终端的装载程序可访问报警点信息，同时通过服务器和随身的微惯性导航芯片交互，再根据服务器端关于行走大数据的对比计算，返回消防员现在的位置信息，而所有数据都是实时的。

个人手持终端包括感知终端和通信终端，还有方便消防员进行操作的终端平台系统。

感知终端要有对消防员的生命体征进行检测的脉搏感知终端，要对救援场所内对温度进行测量的温度感知终端，对救援场所内气体进行分析的毒气感知终端，对现场图像进行采集的摄像头等。

通信终端将感知终端采集到的信息，发送到现场后方。通过蓝牙的无线通讯协议获取信息。

终端平台完成感知终端接收的各种参数，自动打包以4G通信的方式发送到后方指挥中心，后方指挥中心分析决策后再将信息发送到前沿指挥员的移动指挥平台和消防员的个人手持终端。系统硬件设计概要图如图1所示：

图1 系统硬件设计概要图

3.消防系统个人终端

3.1 脉搏感知终端

脉搏感知系统采用NeuroSky的BMD101生物信号检测和处理设备。光敏器件可以接收皮肤反射光感测光场强度的变化。后端处理电路包括低噪音一级放大电路、二级放大电路、调零电路器和16位精度的ADC模数转换，增益可控，内置DSP处理模块，能够通过蓝牙传输的方式将生命体征信息传输到通信终端，开机即自动搜索并建立传输链路。蓝牙模块采用CC2541，其内置51单片机内核，能够实现对数据的初步处理。脉搏感知蓝牙模块架构图如图2所示：

其工作流程如下：以1000数据信息为一个处理周期，对这1000个值取平均值，滤波、然后根据信息进行判断，如果信号在传感器阈值范围内，则抛弃这段数据不处理，反之推送到蓝牙模块的缓冲区传输到通信终端。通信终端设置报警门限40次/min，一旦低于该值，则报警。数据处理流程如图3所示[5]：

图2 脉搏感知蓝牙模块

图3 脉搏感知模块数据处理流程

3.2 毒气浓度感知终端

本终端还具有毒气体浓度感知终端。主要对H2S和Co气体进行检测，选用电化学H2S和CO气体传感器，即通过化学反应来检测电解液载流子的变化对外部电流的影响，传感器输出为电流信号。以MSP430单片机为控制核心设计了毒气浓度的测量装置，测量装置内部含有传感器、放大电路、滤波器和处理核心MSP430F2249以及蓝牙传输模块CC2541，MSP430F2249是MSP430系列的单片机之一，里面有16位AD转换模块和两个定时器，作用是完成数据的AD采样、初始化单片机内部和传输模块CC2541寄存器的设置以及发射、接收数据的读写操作。测量原理图4如下[6]：

3.3 蓝牙通讯模块设计

蓝牙模块的硬件结构图如6所示，包括蓝牙芯片cc2541、FLASH芯片、滤波器+平衡不平衡变换器、陶瓷天线等。蓝牙模块的电源由主设备提供，经过电平转换，可以得到1.8v和3.3v的工作电压，其中1.8V是为了滤波器和转换器供电，3.3V是为了FLASH芯片和蓝牙芯片外围I/O脚提供电压。蓝牙模块硬件框图如图5所示：

本设计中选用了蓝牙芯片，采用的是分立门电路的元件设计方式和氧化通道喷射技术，并根据蓝牙协议栈的大小采用8Mbit的芯片，读取时间为70s，工作电压为2.7～3.6V，为了适应火灾现场的苛刻要求，选择了耐高温的型号[7,8,9]。

图4 毒气浓度测量与传输原理

图5 蓝牙模块硬件框图

4.设计结果与讨论

本论文提出了由微惯性导航系统与蓝牙相结合的技术，不仅取代了传统的消防场所用对讲机进行人员定位的方法，而且相对解决了在危险封闭小环境中人员定位不清的问题。通过仿真实验对单纯使用微惯性导航系统与加入了蓝牙系统的微惯导系统进行比较发现：微惯导+蓝牙定位系统精度高，误差小，且大大降低了微惯导所固有的漂移率。如图6(a)及6(b)所示[10]：