基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能消防頭盔研制

唐鑫　金佳旺　曹文輝　程家貴　杜宇人

摘 要：消防員在救援過程中身處危險的可能性非常大，在實(shí)際消防中，如果能夠?qū)崟r了解消防現(xiàn)場的環(huán)境和消防員的安全狀況，消防員就能及時作出反應(yīng)，避免危險發(fā)生。消防指揮員也能根據(jù)消防現(xiàn)場的情況，對消防進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，更好地指揮消防員；在保障消防員安全的前提下，極大可能解救災(zāi)難現(xiàn)場，挽救生命和財(cái)產(chǎn)安全。文章研究了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能消防頭盔研制，在傳統(tǒng)消防頭盔的基礎(chǔ)上，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的消防頭盔由WiFi模塊、STM32處理器、環(huán)境檢測模塊、消防員體征信息檢測模塊構(gòu)成。數(shù)據(jù)的傳輸和通信由WiFi模塊完成。

關(guān)鍵詞：STM32處理器；WiFi模塊；溫度傳感器

1 智能消防頭盔總體結(jié)構(gòu)與工作原理

本項(xiàng)目硬件電路設(shè)計(jì)以STM32F103ZET6為核心進(jìn)行開發(fā)，其時鐘頻率可達(dá)72 MHz，內(nèi)部有電機(jī)控制PWM資源，還有溫濕度傳感器、耳道氣壓傳感器等外圍資源，電路中含有AD轉(zhuǎn)換電路、時鐘電路等，該芯片的資源完全符合智能消防頭盔的開發(fā)需求。通過溫度傳感器等采集火災(zāi)現(xiàn)場信息，借助WiFi模塊將采集到的信息傳至消防指揮員處。通過耳道氣壓傳感器監(jiān)測消防員的呼吸頻率和心率，實(shí)時監(jiān)控消防員的安全。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由STM32控制器[1]、CC3200型WiFi模塊[2-4]、DS18B20型溫度傳感器[5]、耳道氣壓傳感器構(gòu)成，其中STM32控制器主要起總體控制作用，溫度傳感器用于檢測環(huán)境溫度，這些溫度信息經(jīng)過單片機(jī)處理，借助無線通信的方式傳至消防管理員的電腦處。微控制器將測得的溫度信息與其預(yù)設(shè)的數(shù)值進(jìn)行比較，若超過其預(yù)設(shè)的溫度，則將火災(zāi)現(xiàn)場危險的信息告知指揮員，并通知消防員及時撤離或作出及時的應(yīng)對措施。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

頭盔的硬件系統(tǒng)電路以主控制器為核心，此外還有傳感器、攝像頭、短距通信（WiFi）模塊、電源模塊等。

硬件電路框圖設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.1 WiFi模塊

本項(xiàng)目采用CC3000-WG1300芯片來實(shí)現(xiàn)頭盔與指揮中心的數(shù)據(jù)傳輸，該芯片尺寸小、集成度高、功耗低，且數(shù)據(jù)連接穩(wěn)定，內(nèi)置無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與TCP/IP協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)串口到無線網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換，與此同時，芯片處理其他核心數(shù)據(jù)的能力也十分可觀。本芯片的主要協(xié)議為802.11b/g WiFi標(biāo)準(zhǔn)[2-4]。

2.2 溫度傳感器

本項(xiàng)目環(huán)境溫度測量采用DS18B20溫度傳感器，DS18B20是常用的數(shù)字溫度傳感器，其輸出的是數(shù)字信號，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)。這種傳感器可直接測量周圍的環(huán)境溫度，用于本產(chǎn)品可大大減小編程難度，并準(zhǔn)確地測得火場溫度[5]。

2.3 耳道氣壓傳感器

通過耳道氣壓傳感器實(shí)時測量消防員的體溫、呼吸頻率及心率，由于該傳感器通過人體的耳道測量，因此受環(huán)境溫度影響較小，測量結(jié)果較為準(zhǔn)確，且具有體積小、功耗低、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，測量的結(jié)果可以通過單片機(jī)傳輸至主機(jī)處。

3 接收火災(zāi)現(xiàn)場信息的軟件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目借助Visual Studio平臺，使用C#語言設(shè)計(jì)上位機(jī)[6]作為火災(zāi)信息接收軟件，程序流程如圖3所示。

火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的功能主要是接收消防員的體征信息、火災(zāi)現(xiàn)場的溫濕度信息，以及火災(zāi)現(xiàn)場的監(jiān)控?cái)z像，將這些信息顯示在消防指揮員的主機(jī)中，并根據(jù)此時的溫濕度判斷火災(zāi)現(xiàn)場是否會產(chǎn)生突發(fā)情況，若溫濕度不處于正常范圍內(nèi)，則軟件中的紅燈會閃爍報(bào)警，讓消防指揮員提醒消防員及時撤離或轉(zhuǎn)移；若消防員的心率、呼吸頻率過快或過慢，軟件中的黃燈會閃爍，提醒消防指揮員及時派人營救，同時，軟件還可以接收攝像頭拍攝的圖像，幫助消防指揮員判斷火災(zāi)的現(xiàn)場情況，防止現(xiàn)場的突發(fā)情況消防員無法觀察到。

4 系統(tǒng)測試與測量結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)室中，要營造真正的火災(zāi)現(xiàn)場難度很大，因此可以通過恒溫箱或小型火源來制造高溫條件，通過這時的溫濕度來判斷火災(zāi)現(xiàn)場是否有危險；對于消防員身體的測試，可通過耳道氣壓傳感器測試出人的心率，若人的心率超過150/min或低于50/min，則說明消防員有生命危險，軟件會閃爍黃燈。通過這種測試方法，硬件的功能測試基本能滿足，軟件就也能對不同情況下的結(jié)果作出正確反應(yīng)，目前沒有異常情況出現(xiàn)。

4.1 溫度傳感器的測試

首先需要對溫度傳感器進(jìn)行測試，將產(chǎn)品放入恒溫的空調(diào)房內(nèi)，對房間的溫度進(jìn)行測試[5]，若溫度大體一致，則該模塊正常，否則需對其維修或更換處理，測試結(jié)果如表1所示；再對WiFi模塊進(jìn)行測試，通過檢測電腦與該模塊的連接匹配實(shí)現(xiàn)，若匹配正常，則該模塊正常。最后，對系統(tǒng)進(jìn)行整體測試和維護(hù)。

4.2 耳道氣壓傳感器的測試

再按同樣的方法對耳道氣壓傳感器進(jìn)行測試，為了保證測試結(jié)果的科學(xué)性與可靠性，我們選取不同時間段對消防員進(jìn)行體溫測試，并與水銀溫度計(jì)相比較[5]，測試結(jié)果如表2所示。

[參考文獻(xiàn)]

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