消防人員生命體征檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪韜涵，郝 輝，周圩穎，徐智凡，吳有龍

（1.南京師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.金陵科技學(xué)院 智能科學(xué)與控制工程學(xué)院，江蘇 南京 211169；3.金陵科技學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 211169）

0 引 言

近年我國發(fā)生多起重大火災(zāi)事故，如2014 年1 月14 日浙江溫嶺市城北街道楊家渭村臺(tái)州大東鞋廠的大火、2020 年3 月30 日四川涼山州的森林火災(zāi)等，導(dǎo)致眾多消防官兵犧牲。在復(fù)雜多變的火場環(huán)境中有多種不確定因素會(huì)危及一線消防人員的生命安全，如何保證消防員的安全，減少消防員的傷亡，在當(dāng)下迫在眉睫。因此，需要研究基于多傳感器的消防人員生命體征檢測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測消防人員的各項(xiàng)身體指標(biāo)，以保證消防人員的人身安全[1-3]。

隨著國內(nèi)科技水平的快速提高，人們越來越重視將理論用于實(shí)踐。2014 年我國地方消防總隊(duì)將消防設(shè)備與快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，利用RFID、嵌入式、北斗定位以及仿真模擬系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備升級[4-6]。國內(nèi)中衛(wèi)萊康科技公司研制了一款心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，將傳感器嵌入穿戴衣物中，實(shí)現(xiàn)心電傳感器與穿戴衣物的結(jié)合設(shè)計(jì)；此外，還實(shí)現(xiàn)了消防員生命體征監(jiān)測系統(tǒng)，包括消防員可穿戴設(shè)備，如智能手環(huán)、腰部通信設(shè)備以及后臺(tái)指揮系統(tǒng)[7-9]。國外也有不少此方面的研究，英國SOLO 公司對現(xiàn)有消防裝備進(jìn)行升級，推出SOLOunifit多功能消防頭盔及頭盔式熱像儀等一系列多功能集成消防裝備，2018 年美國開發(fā)出C-Thru 消防頭盔，可以讓消防人員在充滿濃煙的火場中獲得清晰的視野，保證消防人員能迅速地完成營救任務(wù)[10]。

為保障消防人員的生命安全，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一套基于多傳感器的消防人員生命體征監(jiān)測系統(tǒng)，其中包括可穿戴硬件設(shè)備、Visual Tools 可視化大屏、后臺(tái)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)控。系統(tǒng)通過STM32 單片機(jī)集成外部傳感器實(shí)時(shí)讀取消防人員生命體征數(shù)據(jù)，包括溫濕度、心率、血氧飽和度、有害氣體濃度和消防員位置信息。通過4G 通信傳輸給服務(wù)器，用MySQL 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)并將數(shù)據(jù)展示到可視化大屏上，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測消防員的目的。后臺(tái)管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，判斷消防員的生命體征狀態(tài)，如果發(fā)生異常，管理員可通過地圖頁面精確定位消防員的位置并及時(shí)進(jìn)行救援。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于多傳感器的消防人員生命體征監(jiān)測系統(tǒng)由消防員、硬件設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)、管理系統(tǒng)、監(jiān)測員和管理員組成。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STM32F407 單片機(jī)外加DH11 溫濕度傳感器、MAX30102 心率血氧傳感器、有害氣體傳感器、北斗定位模塊和EC20 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集傳輸。消防員將設(shè)備穿戴在身上，采用DH11 溫濕度傳感器來感知消防員周邊環(huán)境溫度和濕度，通過單總線的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控芯片；MAX30102 心率血氧傳感器通過I2C 通信方式將消防員的心率血氧數(shù)據(jù)傳給主芯片；有害氣體傳感器將讀取的高低電平信號(hào)傳送給主控芯片，以此區(qū)別是否存在有害氣體；北斗定位模塊將消防員的經(jīng)緯度信息通過串口通信方式發(fā)送給主控芯片，主控芯片將數(shù)據(jù)打包成JSON 格式，通過EC20 模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器上并由MySQL 數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)。

后臺(tái)管理系統(tǒng)連接數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，設(shè)備數(shù)據(jù)頁面展示設(shè)備全部數(shù)據(jù)，消防員信息頁面展示消防員個(gè)人信息及設(shè)備ID，預(yù)警頁面將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)取出進(jìn)行判斷，如果數(shù)據(jù)超出預(yù)設(shè)閾值則顯示異常，消防員位置信息頁面通過查詢數(shù)據(jù)庫取出經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，調(diào)用百度地圖API 定位消防員位置。Visual Tools 可以通過儀表盤、滑動(dòng)表格和地圖組件實(shí)時(shí)監(jiān)測消防員的狀態(tài)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過STM32F4 單片機(jī)連接外部傳感器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)；利用該開發(fā)板配合外部傳感器（溫濕度傳感器、心率血氧傳感器、有害氣體傳感器、北斗定位模塊）可以實(shí)現(xiàn)對消防人員生命體征數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。通過北斗定位模塊獲取消防員的位置信息并上傳到后臺(tái)管理系統(tǒng)用于搜救消防員定位。消防員可將硬件設(shè)備穿戴在身上，并為每位消防人員分配唯一設(shè)備ID，便于管理員區(qū)別每個(gè)消防員的生命體征數(shù)據(jù)和在發(fā)生意外時(shí)及時(shí)營救消防員。

2.2 主控開發(fā)板

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用STM32F407 為主控板，用來接收和處理傳感器感知的消防人員生命體征數(shù)據(jù)。主控板硬件實(shí)物和傳感器實(shí)物分別如圖2 和圖3 所示。打開主控板開關(guān)，指示燈亮起藍(lán)燈時(shí)溫濕度傳感器、心率血氧傳感器、有害氣體傳感器、北斗定位模塊和EC20 模塊開始初始化；初始化完成后所有傳感器開始采集數(shù)據(jù)，由STM32 主控芯片接收溫濕度、心率、血氧、有害氣體和經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為能夠被數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的格式，通過EC20 模塊傳輸?shù)椒?wù)器，服務(wù)器接收數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫。

圖2 STM32F4 開發(fā)板

2.3 溫濕度模塊

生命體征監(jiān)測系統(tǒng)選擇的溫濕度傳感器型號(hào)為DHT11溫濕度傳感器。溫濕度傳感器輸出信號(hào)以高低電平的方式輸出，通信方式兼容單總線方式和I2C 方式，支持溫度、濕度同時(shí)采集，且體積小、靈敏度高、易集成。在系統(tǒng)中溫濕度傳感器采用單總線通信方式，其輸出的數(shù)據(jù)包由40 bit 數(shù)據(jù)組成，數(shù)據(jù)包括整數(shù)部分和小數(shù)部分，數(shù)據(jù)格式為：8 bit 濕度整數(shù)部分+8 bit 濕度小數(shù)部分+8 bit 溫度整數(shù)部分+8 bit溫度小數(shù)部分+8 bit 校驗(yàn)和。

2.4 心率血氧傳感器

MAX30102 心率血氧傳感器將脈搏血氧檢測儀和心率監(jiān)測模塊集成到一起。模塊供電電壓為1.8 V，集成了光電檢測器使其具有環(huán)境光反射特性。將其連接到STM32 主控板上，消防員通過穿戴設(shè)備將傳感器貼合在手腕處即可采集消防員的心率血氧數(shù)據(jù)，通過I2C通信將數(shù)據(jù)傳送到STM32主控芯片。

2.5 氣體傳感器

MQ7 一氧化碳傳感器的特點(diǎn)是低成本和高靈敏度，集成SnO2模塊。SnO2的特點(diǎn)是電導(dǎo)率低，可以利用其這一特點(diǎn)來檢測一氧化碳濃度。氣體傳感器檢測一氧化碳濃度的原理為利用高低溫循環(huán)檢測，傳感器的電導(dǎo)率取決于空氣中一氧化碳的濃度，濃度越高電導(dǎo)率越高。

2.6 無線通信模塊

EC20 是一款帶分集接收功能的無線通信模塊，支持LTE-FDD、DC-HSPA+、EDGE、GPRS 等網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)連接，供電電壓在3.3～4.3 V范圍內(nèi)；FDD：最大上行速率為50 Mb/s，最大下行速率為150 Mb/s；TDD：最大上行速率為35 Mb/s，最大下行速率為130 Mb/s；支持TCP/UDP 等協(xié)議。

3 功能闡述

3.1 Visual Tools 監(jiān)測頁面設(shè)計(jì)

利用Visual Tools 提供的組件設(shè)計(jì)基于多傳感器的消防人員生命體征監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測頁面。消防員執(zhí)行任務(wù)時(shí)監(jiān)測人員通過大屏幕監(jiān)測消防員生命體征數(shù)據(jù)，包括溫濕度、心率血氧、有害氣體和位置信息，利用儀表盤組件和地圖組件使數(shù)據(jù)更客觀，滑動(dòng)表格顯示預(yù)警信息，儀表盤數(shù)據(jù)以每2 s 一次實(shí)時(shí)查詢數(shù)據(jù)庫最新數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的時(shí)效性，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測的目的。若數(shù)據(jù)發(fā)生異常，則在后端進(jìn)行判斷，然后顯示到前端頁面。

3.2 后臺(tái)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于多傳感器的消防人員生命體征監(jiān)測系統(tǒng)的后臺(tái)管理系統(tǒng)采用SSM 框架搭建。后臺(tái)管理系統(tǒng)主頁如圖4 所示。系統(tǒng)主要包括4 個(gè)頁面，分別是設(shè)備數(shù)據(jù)、消防員信息、預(yù)警信息、消防員位置信息。設(shè)備數(shù)據(jù)頁面查詢設(shè)備全部數(shù)據(jù)；消防員信息頁面顯示消防員主要信息；預(yù)警信息頁面對查詢到的數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值判斷，如果出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)則顯示某項(xiàng)數(shù)據(jù)異常，以便監(jiān)測人員判斷消防員是否出現(xiàn)生命危險(xiǎn)；消防員位置信息頁面利用百度地圖查看消防員的具體位置，如圖5所示。

圖4 后臺(tái)管理系統(tǒng)主頁

圖5 位置信息頁面

3.3 通信協(xié)議

MQTT 協(xié)議是以TCP/IP 為基礎(chǔ)的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議，提供有序、無損、雙向連接。MQTT 協(xié)議實(shí)現(xiàn)需要客戶端和服務(wù)器端，在協(xié)議中客戶端可作為發(fā)布者和訂閱者，服務(wù)器端作為代理。MQTT 協(xié)議數(shù)據(jù)包格式為固定頭、可變頭和消息，通信原理如圖6 所示。

圖6 MQTT 通信原理

4 可視化數(shù)據(jù)大屏

可視化大屏功能是將設(shè)備日常數(shù)據(jù)以可視化形式在大屏上展示，實(shí)現(xiàn)對溫濕度、心率血氧、有害氣體和位置信息狀況等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)匯總和數(shù)據(jù)顯示。主要采用Visual Tools進(jìn)行數(shù)據(jù)大屏開發(fā)。其中的組件、數(shù)據(jù)等資源豐富，代碼開源，便于數(shù)據(jù)大屏的開發(fā)。該設(shè)計(jì)可以將整個(gè)網(wǎng)站的數(shù)據(jù)通過可視化大屏的方式呈現(xiàn)，能夠?qū)崟r(shí)地展示消防人員生命體征的變化，方便管理人員能夠快速找到需求的數(shù)據(jù)。Visual Tools監(jiān)測頁面如圖7 所示。

圖7 Visual Tools 監(jiān)測頁面

5 結(jié) 語

本文基于多傳感器設(shè)計(jì)了消防人員生命體征監(jiān)測系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)采用的技術(shù)主要包括STM32 單片機(jī)、傳感器技術(shù)、4G 通信技術(shù)、MQTT 協(xié)議、JAVA 開發(fā)、北斗定位技術(shù)。利用相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對消防人員周邊環(huán)境的溫濕度、有害氣體濃度和個(gè)人心率血氧飽和度以及位置信息的采集。數(shù)據(jù)通過監(jiān)測頁面顯示給監(jiān)測人員，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測消防員生命體征的目的。如果發(fā)生異常，則通過定位消防員位置及時(shí)進(jìn)行救援，能夠提高消防員在執(zhí)行救援任務(wù)時(shí)的效率，進(jìn)一步保證消防員的生命安全。