基于物聯(lián)網(wǎng)的消防指揮系統(tǒng)

禤永哲，詹萬(wàn)匯，陳少鋒，孫勁

（廣州大學(xué)華軟軟件學(xué)院計(jì)算機(jī)系，廣州 510990）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)、科技的不斷發(fā)展，目前已有部分企業(yè)和個(gè)人在研發(fā)消防救援方面的信息化系統(tǒng)。在國(guó)內(nèi)外的一些企業(yè)和專家的鉆研下，并通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)，已有部分相關(guān)產(chǎn)品推出市場(chǎng)。但是這部分產(chǎn)品由于成本過(guò)高或性能不佳等原因，暫時(shí)還未能夠在市場(chǎng)中被推廣起來(lái)。

在大多數(shù)的消防信息化系統(tǒng)的應(yīng)用中，廠商和消防部門許多都樂(lè)于遵循消防通信指揮系統(tǒng)的三級(jí)網(wǎng)布局，即一級(jí)網(wǎng)即管區(qū)覆蓋網(wǎng)，由基地臺(tái)、固定臺(tái)、車載臺(tái)組成；二級(jí)網(wǎng)即火場(chǎng)指揮網(wǎng)，由便攜臺(tái)或袖珍臺(tái)組成；三級(jí)網(wǎng)即滅火戰(zhàn)斗網(wǎng)，由中隊(duì)內(nèi)用袖珍臺(tái)或頭盔臺(tái)組成。其中在對(duì)其實(shí)際應(yīng)用中，消防指揮系統(tǒng)的信息化建設(shè)都更為著力于對(duì)一級(jí)、二級(jí)網(wǎng)的建設(shè)，在城市整體消防通訊系統(tǒng)的整體布局建設(shè)中投入更大。而在消防現(xiàn)場(chǎng)的消防戰(zhàn)斗指揮當(dāng)中，存在著如下等問(wèn)題。

（1）通訊手段單寡

在市場(chǎng)上和消防部門所配備的消防指揮系統(tǒng)在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)指揮的通訊技術(shù)手段并不夠完善。大多數(shù)消防部隊(duì)對(duì)救援現(xiàn)場(chǎng)中消防支隊(duì)與消防員單兵的通訊技術(shù)手段，停留于短波無(wú)線對(duì)講的層面。為此，本文提出不僅要使用短波無(wú)線語(yǔ)音通訊作為指揮通道，同時(shí)應(yīng)該引入更多通信方式，如高增益性Wi-Fi通信網(wǎng)絡(luò)等方式，提供更為廣闊的信息傳輸通道溝通指揮車平臺(tái)與消防員移動(dòng)端，使更多的實(shí)時(shí)信息能更為有效地從消防員移動(dòng)端傳輸至指揮車平臺(tái)上。

（2）消防員實(shí)時(shí)生命體征信息監(jiān)測(cè)手段缺失

在消防員單兵實(shí)時(shí)生命體征監(jiān)測(cè)技術(shù)的層面上，目前在國(guó)內(nèi)外的消防部隊(duì)信息化系統(tǒng)中尚有缺失，在《消防員個(gè)人防護(hù)裝備配備標(biāo)準(zhǔn)》和《消防通訊裝備的配備技術(shù)》中，對(duì)消防員火場(chǎng)中的物理性防護(hù)和消防員單兵通信系統(tǒng)技術(shù)要求以及通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成提出了硬性要求，但沒(méi)有對(duì)消防員的遠(yuǎn)程生命體征監(jiān)測(cè)做出要求。的而在美軍部隊(duì)中用于單兵生命體征監(jiān)測(cè)的可穿戴設(shè)備已逐步開始得到應(yīng)用，這類設(shè)備有如用于測(cè)量心率、血氧等數(shù)據(jù)的單兵手環(huán)。故此，基于物聯(lián)網(wǎng)的消防指揮系統(tǒng)中，使用了SON1205心率傳感器、熱電偶溫度傳感器等傳感器采集得消防員消防服內(nèi)、外部實(shí)時(shí)溫度以及消防員心率等數(shù)據(jù)，并通過(guò)高增益性Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)较乐笓]車平臺(tái)上，并加入警報(bào)系統(tǒng)，使消防指揮車上指揮員能及時(shí)獲悉火場(chǎng)中執(zhí)勤的消防員當(dāng)前生命體征基本信息。

（3）室內(nèi)位置信息獲取存在障礙

從消防救援單兵實(shí)時(shí)定位的層面上看，又由于成本高、性能一般的原因，部分采用單兵定位系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外消防部隊(duì)使用的是GPS技術(shù)實(shí)現(xiàn)單兵定位。GPS技術(shù)在消防救援中，針對(duì)于戶外救援可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)單兵定位，但是由于GPS衛(wèi)星信號(hào)無(wú)法穿越過(guò)多的墻壁，所以在室內(nèi)環(huán)境幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)定位功能。對(duì)此，在本系統(tǒng)中，引入了9軸運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器，通過(guò)加速度、地磁傳感器、陀螺儀所測(cè)得的數(shù)據(jù)綜合處理，在消防指揮車平臺(tái)上基于OpenGL搭建出三維室內(nèi)坐標(biāo)圖，并描繪出消防員在室內(nèi)的遠(yuǎn)動(dòng)軌跡，得出消防員在室內(nèi)的大致位置信息。

1 系統(tǒng)總體框架

整個(gè)系統(tǒng)可以主要分為消防員移動(dòng)端和消防車載終端平臺(tái)。

消防員移動(dòng)端，是以Arduino Mega2560 R3開發(fā)板為核心，使用溫度、心率、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、氧氣瓶氣壓傳感器，對(duì)信息進(jìn)行初步處理，并通過(guò)HC-24 Wi-Fi模塊將信息通過(guò)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)向終端平臺(tái)傳輸。消防員移動(dòng)端還附帶IP網(wǎng)絡(luò)攝像頭和語(yǔ)音傳輸模塊。IP攝像頭能夠通過(guò)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)向終端平臺(tái)傳輸視像信息；語(yǔ)音傳輸模塊能夠通過(guò)短波通信，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)語(yǔ)音對(duì)講。

消防車載終端平臺(tái)，是以指揮車上的計(jì)算機(jī)為中心，利用高增益天線和無(wú)線路由，通過(guò)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)接收來(lái)自消防員終端的數(shù)據(jù)信息，并對(duì)其進(jìn)行解析和處理，通過(guò)Qt程序呈現(xiàn)出來(lái)，另外終端平臺(tái)上還外置有語(yǔ)音通訊模塊，可實(shí)現(xiàn)讓指揮人員與消防員語(yǔ)音實(shí)時(shí)對(duì)話。

2 具體實(shí)施

2.1 消防員移動(dòng)端

消防員移動(dòng)端是由消防服、消防背包、消防員頭盔共同組成。

消防員頭盔上嵌有IP攝像頭，通過(guò)IP攝像頭將消防員所處的大致環(huán)境向終端傳輸，利用CHD05_V模塊與我們搭建的增益性的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通道傳輸救援人員第一視覺(jué)的視頻信息，攝像頭采集到的數(shù)據(jù)會(huì)在指揮系統(tǒng)終端實(shí)時(shí)顯示，在指揮終端呈現(xiàn)出來(lái)，可供指揮人員了解救援人員的所處的環(huán)境情況。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

圖2 消防頭盔

消防服上嵌有多個(gè)熱電偶溫度傳感器、SON1205心率傳感器、OLED顯示屏、9軸運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器以及短波語(yǔ)音通訊模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)救援人員消防服內(nèi)部溫度、外部溫度、心率情況、消防員運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的實(shí)時(shí)采集，并將采集到的模擬信號(hào)通過(guò)Arduino單片機(jī)將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)以及對(duì)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，再將消防服內(nèi)部、外部溫度、心率情況以及氧氣瓶的氧氣量在OLED顯示屏上顯示，同時(shí)讓數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向指揮終端傳輸。利用語(yǔ)音傳輸模塊通過(guò)短波通信，實(shí)現(xiàn)消防員間、消防員與終端間的語(yǔ)音實(shí)時(shí)對(duì)講。

消防背包內(nèi)置氧氣瓶和核心盒子。氧氣瓶頭部接入電子氣壓傳感器，通過(guò)對(duì)氧氣瓶?jī)?nèi)的氣壓檢測(cè)進(jìn)而換算出氧氣瓶?jī)?nèi)氧氣量，核心盒子內(nèi)含Arduino Mega2560核心板，對(duì)外界傳感器傳入的數(shù)據(jù)信進(jìn)行處理及通過(guò)Wi-Fi模塊轉(zhuǎn)發(fā)。

在火場(chǎng)的救援工作中，消防員都處在相對(duì)危險(xiǎn)的環(huán)境中，該系統(tǒng)可以判斷一些較為危機(jī)的情況，如遇到火場(chǎng)溫度過(guò)高、體感溫度過(guò)高、氧氣瓶氣壓過(guò)低等情況會(huì)通過(guò)語(yǔ)音或者顯示屏及時(shí)向消防員報(bào)警。

圖3 消防服和消防背包

2.2 消防車載終端平臺(tái)

消防車載終端指揮平臺(tái)是通過(guò)Qt編程構(gòu)建的終端軟件，可在其上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，綁定本地IP和端口號(hào)接收外來(lái)數(shù)據(jù)信息，并具有遠(yuǎn)端消防員溫度、心率、氧氣量等數(shù)據(jù)顯示曲線圖表以及利用消防員運(yùn)動(dòng)軌跡而成定位系統(tǒng)、利用遠(yuǎn)端傳來(lái)的視像信息進(jìn)行遠(yuǎn)端即時(shí)視像監(jiān)測(cè)。

圖4 消防車載終端平臺(tái)操作界面

2.3 基于消防員運(yùn)動(dòng)軌跡的室內(nèi)三維定位圖的測(cè)繪

基于物聯(lián)網(wǎng)的消防指揮系統(tǒng)利用消防員移動(dòng)端上集合了加速度傳感器、地磁傳感器、陀螺儀的9軸運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器，將測(cè)得的加速度、地磁偏角、運(yùn)動(dòng)水平旋轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，從而通過(guò)運(yùn)算獲得消防員偏轉(zhuǎn)角度和運(yùn)動(dòng)向量，并通過(guò)自建的高增益性Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)向消防指揮車終端平臺(tái)傳送。

在消防指揮車終端平臺(tái)上利用OpenGL開放圖形庫(kù)在Qt應(yīng)用程序上建立三維直角坐標(biāo)系，在其上進(jìn)行三角函數(shù)運(yùn)算、向量疊加，得出當(dāng)前消防員所處室內(nèi)環(huán)境相對(duì)的位置信息，并將消防員不同時(shí)期的一系列位置坐標(biāo)記錄下來(lái)，形成運(yùn)動(dòng)軌跡記錄，以此實(shí)現(xiàn)三維室內(nèi)實(shí)時(shí)定位圖。

圖5 九軸運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器上位機(jī)調(diào)試

（1）通過(guò)九軸運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器獲取偏轉(zhuǎn)方位角

九軸運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器內(nèi)部集成了姿態(tài)結(jié)算器，通過(guò)內(nèi)置的地磁傳感器計(jì)算磁場(chǎng)方向，再通過(guò)陀螺儀對(duì)傳感器自身的傾斜程度進(jìn)行補(bǔ)償處理。直接從傳感器讀取的是地磁方位角信息，因此是絕對(duì)方向的偏轉(zhuǎn)角度，在實(shí)際應(yīng)用中一般是以x軸作為初始方向，程序設(shè)計(jì)了對(duì)初始角度的獲取程序，獲取傳感器讀取到了前200個(gè)數(shù)值，然后拋棄前10個(gè)不穩(wěn)定值，將剩下的190個(gè)值相加得到 α，再將 α除以190得到初始角度平均值。從傳感器讀取的第201個(gè)值開始，每次獲得的角度 β都去減去初始角度并將其轉(zhuǎn)換成弧度，這樣就能獲取到一個(gè)相對(duì)的方位角弧度r，并將r傳到上位機(jī)進(jìn)行處理。

（2）通過(guò)九軸運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器獲取位移信息

判斷三個(gè)軸的加速度，進(jìn)行對(duì)于行走時(shí)每一步的判斷，以每一步為計(jì)時(shí)間隔。每50ms讀取傳感器獲取的x、y、z軸上的原始加速度，進(jìn)行卡爾曼濾波處理后得到加速度ax、ay、az，每次都將三個(gè)軸的上一次的加速度保存下來(lái)，將獲取的新的值都與保存的上一個(gè)值相減，從而得到三個(gè)軸的加速度增量Δax、Δay、Δaz，代入以下公式：得出x、y、z軸的加速度向量的模D，D的值就是反映了人體在走動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的震動(dòng)情況。在測(cè)算出并判斷出每一步的基礎(chǔ)上，以最新一步的出現(xiàn)為中斷信號(hào)，根據(jù)每一步的加速度大小，判斷每一步的步長(zhǎng)，計(jì)算出位移增量 S，將 S傳到上位機(jī)進(jìn)行處理。

（3）上位機(jī)三維室內(nèi)定位圖的繪算

全局定位程序會(huì)通過(guò)前文所述網(wǎng)絡(luò)層中所分揀的數(shù)據(jù)，獲取當(dāng)前消防員正面所朝向方向與起始位置正前方所成的相對(duì)夾角弧度 r，以及消防員每一步伐所前進(jìn)的位移增量 S，利用三角函數(shù)算出 x軸位移偏移量 Sx，以及 y軸位移偏移量 Sy。通過(guò)與上一次得到的坐標(biāo)進(jìn)行疊加，從而算出當(dāng)前消防員的坐標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位功能，而每個(gè)點(diǎn)之間的所連接而成的線段，正是消防員在室內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡。Sx、Sy均通過(guò)數(shù)學(xué)分類討論方式解算出來(lái)，具體解算方式如下：

y為相對(duì)偏轉(zhuǎn)夾角弧度，S為每步間的直線距離，Sx、Sy分別為 x軸、y軸上的偏移分量。

（1）若 0≤r＜π 則有：

（2）若 π≤r＜2π 則有：

（4）絕對(duì)位置坐標(biāo)獲取

當(dāng)移動(dòng)端某個(gè)時(shí)段處于GPS信號(hào)較好的環(huán)境時(shí)，會(huì)自動(dòng)通過(guò)GPS定位模塊獲取到人員目前所在的經(jīng)緯度信息，尤其是在作業(yè)處于就緒狀態(tài)時(shí)，消防員處于室外環(huán)境啟動(dòng)系統(tǒng)的情況下，會(huì)通過(guò)GPS定位模塊獲取人員此時(shí)的經(jīng)緯度信息。然后將消防員的運(yùn)動(dòng)軌跡與GPS模塊間歇獲取的絕對(duì)經(jīng)緯度信息和地圖結(jié)合起來(lái)，可實(shí)現(xiàn)在地圖上顯示人員的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而實(shí)現(xiàn)更為精確的室內(nèi)定位。

圖6 不顯示軌跡的全局定位圖

3 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)今的消防服主要以對(duì)消防員的生命安全提供保障為主要目的，著重點(diǎn)在于提高消防服的隔熱性、防火性、防生化等方面。當(dāng)前消防員之間的信息交互，主要集中在短波語(yǔ)音通信上。這樣的傳統(tǒng)消防服,無(wú)法滿足應(yīng)急指揮對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息的迫切需求。針對(duì)這些缺陷我們利用增益性的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，搭建起一個(gè)具備如下創(chuàng)新性消防指揮系統(tǒng)：

（1）通過(guò)多種手段進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。本作品不僅使用短波無(wú)線語(yǔ)音通訊作為指揮通道，同時(shí)引入無(wú)線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線通訊，提供了更為廣闊的信息傳輸通道，溝通指揮車平臺(tái)與消防員移動(dòng)端，通過(guò)傳感器組件使更多的實(shí)時(shí)信息能更為有效地從消防員移動(dòng)端傳輸至消防車載終端平臺(tái)上。

（2）加入消防員實(shí)時(shí)生命體征信息監(jiān)測(cè)手段：消防服組件上設(shè)置有溫度傳感器、心率傳感器、氣壓傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)乎消防員生命安全的各項(xiàng)信息，并將這些信息通過(guò)無(wú)線及時(shí)傳輸?shù)较乐笓]車平臺(tái)上，使消防指揮車上指揮員能及時(shí)獲悉火場(chǎng)中執(zhí)勤的消防員當(dāng)前生命體征基本信息，且指揮人員可以在界面上看到所有消防員的歷史信息記錄，在消防員進(jìn)行救援工作的同時(shí)，更能保證他們自身的生命安全。

圖7 顯示運(yùn)動(dòng)軌跡的全局定位圖

（3）消防員在非露天環(huán)境下的定位。目前市場(chǎng)上的大多數(shù)產(chǎn)品對(duì)于消防員的定位是基于GPS實(shí)現(xiàn)的，而火場(chǎng)環(huán)境往往是環(huán)境復(fù)雜的樓房或倉(cāng)庫(kù)等地方，這不利于GPS的定位。本作品對(duì)于人員的定位是以基于九軸運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器為主，GPS定位為輔，通過(guò)測(cè)算消防員在室內(nèi)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，計(jì)算出消防員所在的室內(nèi)位置，當(dāng)移動(dòng)端處于作業(yè)就緒狀態(tài)時(shí)或某個(gè)時(shí)段處于GPS信號(hào)較好的環(huán)境時(shí)，會(huì)自動(dòng)通過(guò)GPS定位模塊獲取到人員目前所在的經(jīng)緯度信息，然后將兩者結(jié)合起來(lái)，這樣更有利于消防控制中心對(duì)消防員的指揮和調(diào)度。

當(dāng)然，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可積極迎合如國(guó)務(wù)院印發(fā)的《關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)消防工作的意見(jiàn)》等相關(guān)政策，積極推動(dòng)消防科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，建立健全滅火應(yīng)急救援指揮平臺(tái)，并進(jìn)一步完善消防體系的三級(jí)網(wǎng)布局。

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