基于Raspberry Pi的消防員定位系統(tǒng)設(shè)計

■ 何 鋒

（烏魯木齊市消防救援支隊，新疆 烏魯木齊 830000）

采取案例分析法，歸納消防員參與大型火場撲救傷亡案情，在查閱文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上進(jìn)一步總結(jié)消防員傷亡原因，分析消防員定位系統(tǒng)存在的問題，并結(jié)合當(dāng)前Raspberry Pi的卡片機優(yōu)勢，有針對性地設(shè)計Raspberry Pi消防員定位系統(tǒng)所需的模塊和實現(xiàn)的功能。

消防員；Raspberry Pi；火災(zāi)事故；定位系統(tǒng)

0 引言

消防員在大跨度大空間的災(zāi)害現(xiàn)場，因迷失方向而傷亡的案例較多。例如，2010年2月9日，中央電視臺新臺址的北配樓因違法燃放煙花引發(fā)大火，參加救援的消防指戰(zhàn)員6人負(fù)傷，內(nèi)攻搜救時1名消防員犧牲；2012年2月1日，蘇州工業(yè)園區(qū)廠房發(fā)生火災(zāi)，1名消防員在內(nèi)攻偵察時，因?qū)蚶K被倒塌的貨物埋住，在復(fù)雜的環(huán)境中迷失方向英勇犧牲；2013年10月11日，北京石景山區(qū)蘋果園南路喜隆多商場發(fā)生火災(zāi)，在處置過程中，2名消防員進(jìn)入火場偵查，因火勢迅速蔓延，建筑突然坍塌，導(dǎo)致2人在火場迷失方向壯烈犧牲。

分析上述案例，可以看出進(jìn)入火場的消防員除了配備常規(guī)個人防護(hù)裝備，并沒有配備內(nèi)攻定位設(shè)備。定位設(shè)備既可以充當(dāng)消防員“搜救眼睛”，避免在濃煙能見度低的環(huán)境中重復(fù)搜索，又可以充當(dāng)消防員“自救眼睛”，找到安全出口。本文應(yīng)用卡片機Raspberry Pi與加速度傳感器模塊，提出消防員內(nèi)攻定位系統(tǒng)設(shè)計。消防員攜帶Raspberry Pi定位系統(tǒng)，能即時顯示所處位置，并具備實時原路返回導(dǎo)航指示和定時報警功能。

1 當(dāng)前消防員定位系統(tǒng)存在的問題

1.1 定位精度低

在進(jìn)入災(zāi)害環(huán)境作業(yè)后遇到意外情況，消防員啟動身上的報警裝置，外界人員根據(jù)發(fā)出信號的強弱，搜索被困消防員所在位置，這種定位技術(shù)操作簡便，但是定位性不強、搜救時間長。2011年，沈陽消防支隊分析無線定位技術(shù)的方案及其選擇原則，探討手機定位技術(shù)的原理、方案及應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)，這種定位方式需要每個房間安裝屏蔽器。另外，進(jìn)入室內(nèi)消防員在搜救、滅火等過程中很容易與手機分離，不一定能準(zhǔn)確定位到被困人員。

1.2 環(huán)境適應(yīng)差

對進(jìn)入樓層的消防員進(jìn)行定位，主要是在火災(zāi)初期和發(fā)展階段，還未大面積燃燒的時候。因此，消防員定位系統(tǒng)要克服烈火、濃煙、高溫、噪聲、建筑物遮蔽等的影響。目前，在一些消防員定位系統(tǒng)設(shè)計中，對定位準(zhǔn)確性考慮多，對特殊應(yīng)用環(huán)境考慮少。2013年，云南省消防總隊結(jié)合慣導(dǎo)技術(shù),設(shè)計了可對建筑內(nèi)消防救援人員位置分布進(jìn)行實時監(jiān)控及分析的無線消防定位系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)在信號傳輸過程易受建筑物遮蔽，實際火場應(yīng)用不便。

1.3 系統(tǒng)造價高

消防員定位系統(tǒng)中，有一種采用預(yù)布點的定位技術(shù)。該方案需要預(yù)先布置感應(yīng)節(jié)點，建立建筑物室內(nèi)分布圖，消防員攜帶發(fā)射芯片進(jìn)入建筑物內(nèi)，感應(yīng)節(jié)點接收到芯片發(fā)射的無線信號后相互傳遞，相互協(xié)調(diào)通信進(jìn)而準(zhǔn)確定位，但造價高。2009年，極頻譜公司和摩托羅拉公司開發(fā)一套基于超寬帶（UWB）無線電人員定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)計劃耗資約1 000萬美金。

2 Raspberry Pi消防員定位系統(tǒng)模塊設(shè)計

消防火場定位系統(tǒng)設(shè)計需要考慮定位精度、環(huán)境適應(yīng)性、系統(tǒng)造價等問題，而本系統(tǒng)利用Raspberry Pi卡片機開源的Linux系統(tǒng)，編寫程序方便，市場上售價200元人民幣左右，用于消防員建筑物內(nèi)自助式定位導(dǎo)航，較好地解決了以上問題。圖1為Raspberry Pi自助定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 Raspberry Pi自助定位系統(tǒng)組成

2.1 Raspberry Pi模塊

Raspberry Pi模塊又稱為樹莓派模塊，該模塊是整個自助定位系統(tǒng)的核心構(gòu)件模塊，能夠執(zhí)行所編程序代碼，驅(qū)動加速度傳感器模塊和報警器模塊，輸出的信號能直接轉(zhuǎn)化為顯示器模塊讀取。Raspberry Pi中文名叫“樹莓派”，雖然只有名片盒子一樣大小，但是具備電腦所有基本功能。該產(chǎn)品與其他單片機相比具有兩大優(yōu)勢：1）硬件價格便宜，目前在市場上銷售的Raspberry Pi主要有兩款型號（如圖2、3），Raspberry Pi A型只需25美元，Raspberry Pi B型只需35美元；2）采用Linux作為操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有開放源代碼的特點，很容易移植到其他硬件上，使其更方便調(diào)試操作。

圖2 Raspberry Pi A型

圖3 Raspberry Pi B型

2.2 加速度傳感器模塊

將該模塊與Raspberry Pi卡片機相連，可以實時測量出進(jìn)入室內(nèi)消防員移動的數(shù)據(jù)。消防員在建筑物內(nèi)部搜救滅火過程中，加速度傳感器模塊顯示的加速度、矢量實時變化，通過一定的方法，采用最小二乘法處理數(shù)據(jù)減少測量誤差，建立速度、位移模型。

2.3 顯示器模塊

顯示器模塊主要與Raspberry Pi相連，能夠顯示出系統(tǒng)的界面，如在路徑顯示模式下，將消防員運動軌跡的坐標(biāo)數(shù)據(jù)直觀顯示在界面上；在返回路徑模式下，同樣還能顯示消防員返回路線的數(shù)據(jù)。由于Raspberry Pi自助導(dǎo)航系統(tǒng)主要應(yīng)用于消防員進(jìn)入的著火建筑物內(nèi)，因此該顯示器模塊要考慮防水、耐高溫等設(shè)計問題。

2.4 報警器模塊

由于在火場濃煙高溫、視線模糊的環(huán)境中，消防員進(jìn)入后對時間估算不準(zhǔn)確易造成進(jìn)入著火建筑時間長，沒有及時聽到空氣呼吸器的報警閥聲音，氣瓶空氣量少而無法及時返回出口，添加報警器模塊可以在有效時間內(nèi)提醒消防員及時返回。報警器模塊通過擴展板與Raspberry Pi主板的GPIO接口相連，設(shè)定一個時間間隔進(jìn)行報警，進(jìn)而實現(xiàn)在有效時間內(nèi)提醒消防員及時返回。

2.5 移動電源模塊

由于Raspberry Pi自助導(dǎo)航系統(tǒng)是消防員自己攜帶的，因此要給本系統(tǒng)配備移動電源模塊。該模塊要能符合Raspberry Pi主板和顯示器模塊的供電設(shè)計需求，滿足消防員進(jìn)入建筑物內(nèi)偵察搜救所需時間的要求，并且能夠具備一定的防水功能，在高溫環(huán)境下仍然能夠持續(xù)供電。

3 Raspberry Pi消防員定位系統(tǒng)功能設(shè)計

3.1 位置路徑顯示

設(shè)計路徑顯示功能，是Raspberry Pi自助導(dǎo)航系統(tǒng)最為主要的部分。室內(nèi)建筑物火災(zāi)復(fù)雜多變，消防員在其環(huán)境中進(jìn)行偵察搜救時，利用本系統(tǒng)將自己行走的路徑實時顯示在電子屏上，可以在心理上克服黑暗濃煙帶來的恐懼感。

具體設(shè)計思路，消防員進(jìn)入著火建筑物內(nèi)，自己啟動隨身攜帶的Raspberry Pi自助導(dǎo)航系統(tǒng)，加速度傳感器模塊開始實時收集測量數(shù)據(jù)，通過擴展板模塊將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)絉aspberry Pi卡片機預(yù)先設(shè)計的程序上，該程序?qū)崟r計算出其移動的距離，然后傳輸?shù)较噙B的HDMI顯示器模塊上顯示出人員移動移動狀態(tài)的相關(guān)信息。位置路徑顯示流程如圖4所示。

圖4 定位路徑設(shè)計流程

3.2 路徑返回指向

設(shè)計實時返回路徑指示功能，是為進(jìn)入建筑物內(nèi)偵察搜救消防人員如遇建筑物坍塌、空氣呼吸器報警等突發(fā)情況，能夠以較快速度及時準(zhǔn)確返回到原安全入口的設(shè)計。

具體設(shè)計思路，在Raspberry Pi自助定位系統(tǒng)中編寫一套返回路徑模式程序，消防員若想原路返回，點擊進(jìn)入返回路徑模式。該模式程序，能讀取剛開始啟動定位路徑模式里存儲的三維坐標(biāo)（x軸、y軸、z軸）數(shù)據(jù)，同時計算出當(dāng)前的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)與之分析處理，通過顯示器模塊標(biāo)出一條返回路線圖。該程序模式下實時響應(yīng)加速度傳感器傳來的數(shù)據(jù)，對每次移動過程中都自動計算返回的路徑，并在顯示器模塊標(biāo)出路線，并設(shè)計可視箭頭指示返回方向。圖5為返回路徑模式效果圖。

圖5 返回路徑模式效果

圖6 定時報警模式方式

3.3 定時報警提醒

設(shè)計的定時報警模式連接方式如圖6所示。設(shè)計此功能，是為提醒消防員進(jìn)入室內(nèi)建筑物內(nèi)，如遇惡劣環(huán)境（濃煙、高溫、能見度低、聲音嘈雜等）搜索救援時間長，在未聽到空氣呼吸器氣壓不足發(fā)出的報警聲時，消防員能夠通過定時報警器提醒功能，及時撤離現(xiàn)場，減少人員傷亡。

具體設(shè)計思路，在Raspberry Pi卡片機的通用輸出輸入接口上，添加聲音報警器模塊。消防員佩戴空氣呼吸器的使用時間與氣瓶的壓力、氣瓶的體積、消防員呼吸速率有關(guān)，具體關(guān)系如下：t=VP/kv。其中，t表示消防員佩戴作業(yè)時的時間；V表示氣瓶儲存空氣的容量；P表示消防員在打開閥門作業(yè)時的壓力；v表示消防員在內(nèi)攻搜救過程消耗氣瓶氣量的速率，；k為常數(shù)，通常取0.098。

基層消防救援站常規(guī)配備的空氣呼吸器的體積是6.8 L，正常操作過程時壓力值上限是30 MPa，從而可以推算出一般消防員佩戴空氣呼吸器使用的時間為30 min左右。為有效提醒消防員空氣呼吸器氣壓不足，設(shè)計的報警程序應(yīng)在啟動后25 min開始發(fā)出報警聲音，提醒進(jìn)入室內(nèi)消防員返回出口。

4 結(jié)語

本文提出消防員在樓層平面自助式定位方案，解決了火場信號傳輸難題。有線或無線網(wǎng)絡(luò)火場導(dǎo)航，都需要實時信號傳輸，在實際著火建筑物中高溫、火焰可能損壞線路，或者鋼筋混泥土墻體屏蔽網(wǎng)絡(luò)都有可能將火場內(nèi)信號中斷，而本系統(tǒng)為消防員進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場環(huán)境采用自助式定位，因而能避免信號傳輸不暢、無法定位問題。