基于多维传感器的智能消防头盔系统研究

（南京邮电大学，江苏 南京 210023）

关键字：多维传感器；智能；消防；救援

0 引言

随着现代科学技术水平的整体提高，在消防救援工作中，各种消防情况层出不穷，这也对消防器材与消防员本身都提出了更大的挑战。在消防设备日趋智能化的时代，为了最大限度保障消防员的安全与救援效率，对消防头盔的要求也越来越高。但是作为救援主要设备之一的消防头盔，更要重点关注其使用状况。基于多维传感器的智能消防头盔的系统研究中需要解决多个难题，其中包括各个传感器模块的搭配应用，消防环境的数据采集，无线传感网络的构建，整体通信网络的稳定与安全性与故障诊断等[1]。

1 智能消防头盔的现状与分析

智能消防头盔的研究现状中当属状态评价最为重要。智能消防头盔状态评价就是根据消防头盔在消防救援过程中针对消防现场的环境对设备反映出的运行参数进行实时跟踪监视，并完整记录，然后从运行参数及曲线上对智能消防头盔现在所处的运行状况进行合理评估。这样的方法是现今较为普遍并相对真实有效的一种检查方式，能实时反映智能消防头盔在工作中的安全状况及各种安全隐患，因而在实际中广受欢迎。因而鉴于其对智能消防头盔评估的重要性，应当针对不同消防环境下的各种情况，做出一个健全的理想评估模型。我国目前对智能消防头盔的评估水平在国际上处于初级阶段，且对于更加智能的消防头盔更为细致全面的评估工作也没有很好的进展，也未统一明确的评估体系，所以针对不同的消防环境对其状态评价做出一个细致的评估，也是当前一个需要深入研究的领域。

2 多维传感器的使用及信息采集

在复杂的消防环境下，为了更加了解火场的情况，我们可以利用传感器来把消防现场的环境信息进行采集并量化，在这种情况下，传感器构成了信息传递的源头，那么各个传感器成为了不可或缺的因素[2]。为了达到使用效果，笔者用到了多个传感器，传感器模块结构图如图1所示。

2.1 一氧化碳传感器模块

当人体吸入一氧化碳后，往往毫无知觉，直至死亡。因此我们采用MQ7一氧化碳传感器来监测环境中一氧化碳的含量保证消防人员在火场中的安全[3]。

2.2 烟雾传感器模块

很多物体燃烧后会产生烟雾，烟雾不仅会漂浮在空气中阻碍人的视线，还会随着人的呼吸对人的呼吸道产生伤害，因此我们采用MQ2烟雾传感器来检测消防现场的烟雾浓度，方便保障消防员的安全[4]。

2.3 数字温度传感器模块

在消防环境中，随着各种物体的燃烧，周围温度会急剧上升，温度是一项极其重要的指标，决定着消防救援行动能否安全有效的进行。所以，实时检测出消防现场的温度十分重要，我们用数字温度传感器来采集消防现场的温度信息传送给指挥中心，保证救援安全的进行[5]。

2.4 火焰传感器模块

各种物体燃烧会产生一定的火焰，会阻碍消防员的视觉，火焰的大小在一定程度上反映了燃烧的程度，所以我们采用火焰传感器模块，便于消防员与指挥中心了解现场的燃烧程度，作出及时的反应与判断，保障消防员及被救人员的安全[6]。

2.5 摄像头模块

采用摄像头模块就可以让终端实时了解火场情况。利用树莓派摄像头B型OV5647-500万像素来实时传回火场救援视频。在火焰剧烈、网络状况不佳时，可以将视频文件和照片存储在本地，这样就可以尽可能的满足消防现场信息的采集。

3 无线传感网络的构建

在传感器采集到消防现场的数据后，数据的传输与处理极其重要，笔者通过构建无线传感网络，将监测数据传输到电脑和手机app上，并结合多个头盔反馈的数据，形成一个整体的火场数据[7]。（多个功能节点之间通过无线通信形成一个连接的网络，这个网络我们称为无线传感器网络）。

3.1 无线传感器网络中的节点

传感器节点：具有感知和通信功能的节点，在传感器网络中负责监控目标区域并获取数据，以及完成与其他传感器节点的通信，能够对数据进行简单的处理。

3.2 无线传感网器网络设计的目标

对传感网络来说，有很多指标可以用来评估传感器网络的性能情况，其中笔者主要研究以下几个指标：

（1）延迟。许多传感器应用程序需要低延迟才能保证服务，所以协议必须确保感知到的数据将在一定的延迟内交付给用户。

（2）容错。传感器和链路故障的鲁棒性必须要通过冗余和协同处理以及通信来实现。

（3）通信能力/吞吐量。由于大多数传感器数据必须传送到单个基站或融合中心，因此传感器网络中存在一个关键区域（或者节点），这些区域必须中继网络中几乎所有节点生成的数据。因此，即使在平均通信率较低的情况下，这些关键节点上的通信量也很大。显然，这一领域对系统生命周期、数据包的端到端延迟和可伸缩性有至关重要的影响[8]。

3.3 无线传感器网络安全的要求

（1）数据机密性。传感器节点不能向邻居节点泄露敏感参数；通信的信道必须保证安全可靠；加密的算法要安全可靠。

（2）数据完整性。因为在通信过程中，篡改数据包会导致恶劣的通信环境，所以需要保证数据包在发送过程中难以被篡改。

（3）数据的新鲜性。数据包要保证是最新的，防止旧消息被重播。

（4）可用性。一些传统的安全算法需要在修改后才能应用在无线传感器网络，其中一些算法在应用时也会带来更多的开销等问题，导致这些算法在实际中不实用。

4 智能消防头盔系统的应用

在消防救援的日常训练及实际救援中中，可以使得智能消防头盔得到广泛的使用，消防员佩戴智能消防头盔，能够保障消防员避免有毒气体的毒害，跨过浓烟的阻挡，找到被困人员。同时稳定可靠的数据传输与通信功能更是方便了与指挥中心的交流，智能消防头盔可以将采集的火场图像及数据信息实时传送到指挥中心终端，实现指挥中心与各消防作战小组之间的无线交流，便于根据现场环境适时调整作战方案，灵活指挥各个消防人员，最大程度保障消防员的安全，同时提高消防救援行动的效率。

5 结论

综上所述，选用更为优良的制作材料与更合理的装配会更好地保障消防人员的安全，而采用更加智能的消防头盔也大大提高了消防人员的救援工作效率与安全性。因而倡导对智能消防头盔的研究，可以促进救援安全有效的开展，进而保障消防人员与被困人员的生命安全，对于消防部队的日常训练及实际救援行动具有很大的应用价值。