基于物联网的灭火防护服监测系统设计与实现

张伟 徐晖 陈馥婧

摘要：本文提出了基于物联网技术的灭火防护服监测系统，该系统在传统的灭火防护服中嵌入各类传感器，来监测火场环境信息。这些重要的信息通过无线网络传输到消防通信指挥系统，在上位机界面直观显示，对处于危险之中的消防员，指挥中心快速做出反应，为消防指挥调度提供参考依据。

关键词：物联网;消防员;灭火防护服;监测系统

随着社会经济的快速发展，人口与建筑密度日益增大，火灾发生率越来越高，扑救难度也越来越大。据应急管理部消防救援局统计，2005-2013 年，我国消防部门在灭火救援中共发生 70 起消防员伤亡事故，造成85名消防员死亡，其中爆炸、中毒、轰燃、坍塌事故占83% ，消防员伤亡事故受到了社会各界的广泛关注。随着信息与通信技术的发展，尤其是短距无线通信技术的进步，给火灾现场信息识别与传输带来了新的发展机遇，为消防员安全进行灭火作业提供了有力的信息支持。灭火防护服作为保障消防员生命安全的重要防护装备之一，应该通过技术手段进行革新和升级，朝着智能化方向发展，成为指挥员获取火场环境信息、消防员身体健康状况和潜在危险因素的重要手段。

一、智能灭火防护服监测系统的功能

智能灭火防护服系统除了具备基本的防护功能外，还应满足探测感知周围的环境信息、传输数据、终端可视化等功能，具备数据驱动、精确供给、开放延展、多员互联和动态适应等典型特征。

（一）感知功能

智能灭火防护服要具备感知功能，通过在服装的外层和内层集成了多种传感器等硬件设备，来监测周围的环境信息（火场温度、一氧化碳浓度），消防员生命体征信息（体温、心率、血压）和位置信息（站立、摔倒），实时感知存在的潜在危险。

（二）反馈功能

设置在服装内部的处理器将传感器收集到的信息进行加工处理，通过短距离通信设备对数据进行传输，在消防指挥中心上位机上直观显示。

（三）决策功能

将PC端获取的监测数据，通过多源信息融合技术来综合评估和判定消防员的身体健康状况和火场环境的危险程度，为指挥员合理运用灭火战术、科学决策提供理论依据。

二、智能灭火防护服监测系统框架

智能灭火防护服监测系统主要由硬件和软件两大部分组成，包括信息感知模块、无线通信模块、可视化模块和多源信息融合模块，通过各子系统之间相互作用与联系，数据实时有效的传递，经过多元融合算法來将各种风险因素进行综合分析，评估消防员面临的环境危险和健康状况，并在指挥平台上直观显示给出决策信息，总体框架如图1所示。

（一）信息感知模块

1.传感器

获取火场信息的最好工具是传感器，传感器是一种能够高效率、高精度、高可靠性采集各种形式信息的技术，如各种遥感技术和智能传感技术等。智能灭火防护服将心率、血压、体温、CO、红外温度传感器和三轴加速度传感器集成嵌入到服装中，来获取消防员身体机能信息、火场环境信息和消防员位置信息。传感器能够将各类信息转化为可识别的信号，发送至嵌入式处理单元对数据进行处理分析，由通信网络传输到云端储存。随着数字化的发展浪潮和应用领域的拓展，传感器越来越集成化、轻量化、小型化，方便其在各种领域的应用。

2.模数转换器

传感器将采集的大量信息通过A/D转换器进行模数转换。模数转换的主要原理就是将模拟信号转化为数字信号，经过特定的电路将模拟量转变为数字量。A/D转换四步骤：采样、保持、量化、编码。通过A/D转换将消防员生理信息、周围环境信息和位置信息转化为可以识别的数字信号，为数据的分析、处理、传输与融合做好准备。

3.核心处理器

在信息感知模块中，如果将传感器比作人的皮肤和五官，那么核心处理器就是人的大脑，是整个信息感知模块的核心部件。传感器接收处理器的指令对各种信息进行采集，并把这些数据传输给处理器，处理器将信息进行分类存储、分析和处理。存储器里存储着算法代码和通信协议，处理器通过内部存储算法解析、分析数据，通过一定的通信协议将信号发送至无线通信模块。核心处理器是信息感知层和无线通信层之间的信息转换枢纽，它将处理过的数据利用无线通信技术向下传递，并回收其他节点传送的信息，集成的信息感知模块由统一的电源进行供电，如图2所示。

（二）无线通信模块

无线通信模块的任务是将处理单元的数据发送给指挥中心平台，在指挥终端上位机中直观显示。为了满足同时将多名消防员各种监测数据实时并行传输的要求，需要一款能够提供多组网功能的局域网传输协议，ZigBee智能传感网络是理想的选择，它是一种短距离、低功耗、低成本、低复杂度、抗干扰性强、布网容易的无线通信技术。针对ZigBee通信距离短，通过无线中继器可以非常方便地将网络覆盖范围扩展至数十倍，因此从小空间到大空间、从简单空间环境到复杂空间环境的场合都可以使用。ZigBee的节点模块通常较小，满足可穿戴设备的基本要求，可以方便地嵌入到灭火防护服中。采集节点将获取的信息，通过自组网络整合到汇聚节点，汇聚节点再按照通信协议将数据传输至管理节点，管理节点对信息进行分析处理，并将结果通过网络传输协议和自组网络发送指令到上位机。

（三）可视化模块

人机交互是用户与计算机交流信息的动态过程，用户界面是人与计算机传递、交换信息的媒介，是用户使用计算机系统的综合操作环境。为了让各项监测数据更加直观和方便地显示，用户能够更加简便的操作，设计了基于VB编程的上位机界面，可以实时显示文本和图形，监控消防员的身体健康状况、周围的环境和位置信息。上位机主要通过与ZigBee 路由器进行通信，获取从灭火防护服无线传输的实时数据。

（四）多元信息融合

大量的实时数据在上位机上存储显示，要利用这些数据直观地判别消防员是否处在危险之中，PC端自动的给出决策信息，这就需要用到多源信息融合理论。多源信息融合理论是指对相似或不同特征的多元信息进行处理，以获得具有相关和集成特性的融合信息，重点是特征识别和算法，这些算法使得多传感信息的互补集成，改善不确定环境中的决策过程，解决把数据用于确定共同时间和空间框架的信息理论问题，同时用来解决模糊与矛盾问题。将消防员身体健康状况信息（心率、体温、血压）按照正常人体的生理指标进行融合，将环境信息（火场温度、一氧化碳浓度）按照人救援服装能够抵御的温度与时间进行融合，将所处位置信息按照人体沿三轴运动加速度进行融合，还要将这三类信息进行融合，给出消防员身体健康状况和环境危险信息。

（五）信息应用与决策指挥

当消防员在执行任务过程中面临潜在风险或者身体健康状况明显下降，而本人还没有察觉，指挥系统上位机会立即进行报警，指挥员根据数据进行综合判别消防员目前的状况，并利用通信设备予以确认。如果火灾现场情况十分危急，消防员处于极度危险之中，指挥员会给被困消防员下达立撤退指令，随机派出后备小队（RIT）予以救援。灭火防护服监测系统能够动态、实时、精准地显示消防员的身体状态和火场环境信息，为指挥员的部署作战计划，减少人员伤亡，预知潜在的危险提供了科学决策。

三、结语

消防员经常需要在高风险的环境中作业，面临高温、毒气、火焰、爆炸、建筑倒塌、体力耗尽等危险情况，指挥员能够实时地监测、分析他们周围的环境信息和生理健康状况就变得非常重要。本研究是在传统灭火防护服中集成了感知火场环境和人员信息的传感器，将数据实时传输到指挥中心，采用多源信息融合的方式评估和判定消防员察觉不到的潜在风险。通过研究，阐述了灭火防护服监测系统的功能和原理，构建了整体框架和模型，阐述了关键技术的实现路径，为指挥员科学部署灭火战斗行动，减少人员伤亡提供参考和依据。

参考文献：

周意浩，张存位.基于火灾统计情况统计数据的消防力量优化分析[J].武警学院学报，2019（06）：57-62.

张伟，徐晖，孙楠楠，郭其云.京津冀一体化背景下应急救援指挥体系构建[J].消防科学与技术，2018（7）962-964.

吴志鹏.基于多传感器融合的智能消防服的研究[D].上海： 东华大学，2018.

卜宇.基于传感器的消防员体征监测系统设计[J].信息安全与技术，2016 （6）46-48.

李娜.基于人体运动状态识别的可穿戴健康监测系统研究[D].北京：北京工业大学，2013.

作者简介：

张伟（1983—），男，汉族，黑龙江哈尔滨人，讲师，硕士，主要从事灭火与应急救援工作。

基金项目：

廊坊市科技支撑计划项目“基于物联网的智能消防服监测系统关键技术研究”，项目编号（2019011004）。