文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.11.010
中文引用格式： 李增. 災害現場場景參數實時測量系統[J].電子技術應用，2015，41(11)：38-40，44.
英文引用格式： Li Zeng. Design of disaster scene information real-time collection system[J].Application of Electronic Technique，2015，41(11)：38-40，44.
0 引言
當消防員采用內攻戰術時,常常需要進入火災現場、?；诽幹矛F場以及危險的狹小空間等區域，由于身著各種防護服，行動笨重緩慢，僅靠感官無法及時有效地發現各種潛在的危險。另外常規的無線通信方式僅靠前后方對話獲取有效信息，需要消防員邊作業邊利用對講機匯報各種信息，后方指揮員獲取信息的手段單一，效率低下，一旦中斷則徹底失去聯系，后方指揮員無法及時有效地獲取內攻消防員的個人信息和場景信息，特別是在消防員被困或者迷路的情況下，無法第一時間展開施救，因施救不及時而造成消防員犧牲慘劇時有發生。
隨著可穿戴技術的發展，可穿戴設備采集消防員的生命體征信息、災害現場溫度和毒氣濃度等各種參數并傳輸到后方，提高系統的集成度和便攜性，保障消防員人身安全，是消防員個人防護設備的重要發展方向。
1 系統設計
由于3G公網覆蓋范圍非常廣泛，在建筑物內部、地下空間、隧道等場所都能實現信號的覆蓋，而且帶寬大，利用3G公網實現信息傳輸不僅能夠滿足現場信息測量傳輸的需求，而且為單兵圖像傳輸開辟傳輸通道，有利于集成單兵頭盔式攝像頭，采集現場圖像信息。根據災害現場救援的需求，結合實際情況，設計系統框圖如圖1所示。
單兵終端包括可佩戴式感知終端和通信終端， 可佩戴式感知終端有脈搏感知終端、溫度測量終端、毒氣(CO，H2S)濃度測量終端，通信終端藍牙無線互聯感知終端，接收各種現場參數信息，并把所測數據通過3G傳輸到現場后方。支隊數據服務器工作于消防指揮調度內網，通過網關和防火墻與3G公網互聯，用于緩存現場單兵的各種場景參數， 也可在指揮中心大屏幕上顯示參戰消防員的各種信息，用于遠程指揮。顯示與指揮平臺包括車載式移動指揮平臺和手持式移動指揮平臺，集中顯示每個單兵終端采集到的場景參數信息。人機交互為現場指揮員提供決策，并與支隊數據服務器互聯互通。
2 脈搏感知模塊設計
系統采用NeuroSky的BMD101生物信號檢測和處理設備，傳感器部分主要由LED光源和光敏器件組成，LED光源發出綠色波長的光波，光敏器件可以接收手腕皮膚反射光感測光場強度的變化。后端處理電路包括低噪音一級放大電路、二級放大電路、調零電路器和16位精度的ADC模數轉換，增益可控，內置DSP處理模塊， 能夠通過藍牙傳輸的方式將生命體征信息傳輸到通信終端，開機即自動搜索并建立傳輸鏈路。通信終端再經過3G網絡將該生理指標傳輸到后方指揮平臺，一旦出現異常，后方指揮員據此可及時展開營救。
CC2540內置51單片機內核，能夠實現對數據的初步處理。 第一步:以1000個數據信息為一個處理周期，對這1000個值取平均值，濾波，并降低數據的更新次數，因為系統對數據的更新頻率要求不高，0.5～1次/秒即可；第二步:據信息進行判斷，如果信號不屬于正確佩戴脈搏傳感器范圍，則拋棄這段數據不處理，反之推送到藍牙模塊的緩沖區傳輸到通信終端。通信終端設置報警門限40次/min，一旦低于該值，則報警。數據處理流程如圖3所示。
3 毒氣濃度感知模塊設計
災害現場特別是火災現場保溫板、塑料等化學物質的燃燒會產生多種有毒氣體，其中H2S和CO最常見，危害也大。因此本系統測量現場毒氣主要是指H2S和CO兩種氣體，選用電化學H2S和CO氣體傳感器，即通過化學反應來檢測電解液載流子的變化對外部電流的影響，傳感器輸出為電流信號，線形好，體積小，可干電池供電。
以MSP430單片機為控制核心設計了毒氣濃度的測量裝置，主要包括傳感器、放大電路、濾波器和處理核心MSP430F2249以及藍牙傳輸模塊CC2540，MSP430F2249是MSP430系列單片機之一，內置16位AD轉換模塊和兩個定時器，主要完成數據的AD采樣、單片機內部的初始化和傳輸模塊CC2540寄存器的設置以及發射、接收數據的讀寫操作[4]，測量原理如圖4所示。
第一級放大電路采用AD620放大器，傳感器測得的電流信號轉化為電壓信號后放大10~1 000倍，根據實際情況調整合適的放大倍數后經過電容C6實現直流分量和交流分量的分離。交流分支進入二級放大機構進行再次放大，而直流分量直接進入MSP430F2249的AD采樣模塊AD0， 用于測量環境中毒氣濃度的平均值，模擬信號通過經過OP07放大濾波后進入單片機AD轉換器的AD1，用于測量環境中毒氣濃度的波動值，最后實測值為兩者之間的疊加。最后將疊加值傳輸到藍牙模塊，再經過改模塊輸出的通信終端。H2S和CO兩種氣體傳感器的檢測處理電路完全一致，如圖5所示。
4 軟件設計
軟件主要包括通信終端和移動指揮平臺的設計，通信終端依托消防員配備的防爆手機（Android平臺)，主要完成現場各種參數的接收，打包后以3G通信的方式發送到后方指揮中心，后方指揮中心緩存后再以3G無線通信的形式發送到前沿指揮員的移動指揮平臺， 移動指揮平臺采用防爆處理并加固后的平板電腦，7～8寸， Android系統，主要完成對各種參數的顯示，判斷并初步告警，輔助指揮員采取相關措施。兩者都在Android應用的專業開發環境Eclipse基礎上使用java語言進行界面和數據傳輸、處理的開發，程序流程圖如圖6所示。
通信終端和移動終端的定時器為1 000 ms，即數據以1次/秒的頻率進行更新，再加上傳輸鏈路上不確定的傳輸延遲，這樣的速度也能夠保證后方指揮員能夠及時獲取內攻消防員的生命體征和現場情況，且有利于降低鏈路的通信負荷。由于現場背景非常嘈雜，一旦超過閾值，通信終端以震動的方式通知消防員， 而移動終端則發出特定聲音或以特定頻率閃爍來提醒指揮員。
無論是通信終端還是移動終端，數據的操作(包括發送和接收)都是非常耗時的過程，為了保證用戶體驗，在編程的過程中必須開辟單獨的接收和發送數據線程，接收數據線程的部分代碼為：
public void run()
{ Log.i(TAG， "BEGIN mConnectedThread");
byte[] buffer = new byte[1024];
int bytes;
while (true) //監聽InputStream連接
{try{
bytes=mmInStream.read(buffer);//讀取輸入流
mHandler.obtainMessage(BluetoothChat.MESSAGE_
READ，bytes，-1，buffer).sendToTarget();}
//發送獲得的字節的用戶界面
catch (IOException e)
{Log.e(TAG， "disconnected"， e); break;}}}
發送數據線程的部分代碼為:
public void write(byte[] buffer)
{try {
mmOutStream.write(buffer); //寫入輸出流
mHandler.obtainMessage(BluetoothChat.MESSAGE_
WRITE， -1， -1，buffer).sendToTarget();}
//更新用戶界面
catch (IOException e)
{Log.e(TAG， "Exception during write"， e); }}
其中mmInStream和mmOutStream是Android Socket通信模型中InputStream和OutputStream的實例化對象，它們通過調用Socket模型中read()和write()方法，實現數據的讀寫。
5 結論
系統中毒氣濃度測量器固定在消防員佩戴的正壓式呼吸器的末端，裸露外表并防爆處理，附帶測量環境溫度，脈搏測量采用腕表式設計，系統開機后自動掃描并建立傳輸鏈路，消防員本身除了打開系統外，無需其它操作。整個系統能夠將現場各種場景參數實時傳輸到后方指揮中心和前沿指揮員，輔助指揮決策，提高指揮自動化水平。未來可使通信終端開啟WIFI模式，為頭盔式攝像設備開辟無線傳輸通道，能夠將現場視頻信息及時傳輸到指揮中心或者指揮車，信息將更加豐富，集成度也會更高。
參考文獻
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