CN102104991A - 一种基于无线Mesh网状网架构的消防员单兵系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无线Mesh网状网架构的消防员单兵系统。该系统由无线监控主机、若干无线单兵子机和若干无线中继组成。其中无线监控主机由监控模块和无线中心节点模块组成，无线单兵子机由中央处理单元模块，定位模块、生命体征检测模块、呼救模块、环境状况检测模块、携行装具检测模块和无线终端节点模块组成。具体应用时，消防员佩带无线单兵子机进入火灾现场或其它事故现场，指挥员通过无线监控主机监测各个消防员的姿态、运动轨迹、生命体征、环境状况以及携行装具状况等信息，及时为指挥员提供指挥决策的情报支持，亦可为平时战术训练提供科学的依据。本发明对提高了消防指挥现代化、自动化和智能化水平，同时可有效降低消防员的战损率。

Description

一种基于无线Mesh网状网架构的消防员单兵系统

技术领域

本发明属于无线网络通信、检测与控制技术领域，具体涉及一种基于无线Mesh网状网架构的消防员单兵系统。

背景技术

C4ISR系统是指挥(Command)、控制(Control)、通信(Communication)、计算机(Computer)、情报(Intelligence)、监视(Surveillance)、侦察(Reconnaissance)的首字母缩写，这是军队指挥自动化系统，该系统是一个以计算机为核心，集获取情报、传递信息、指挥决策与战术控制为一体的高效作战指挥系统。在现代战争中，C4ISR系统是军队指挥作战的神经中枢，与电子战装备、精密制导武器一起构成了克敌制胜的三大法宝。

现代高技术消防系统需要消防相关单位、各种装备之间密切联系、情报信息共享、资源共享、协同作战；火场上情况瞬息万变，时间就是生命，需要及时准确地了解火场最前线的信息和消防战士的状况，知己知彼，迅速准确决策指挥。迫切需要将C4ISR理念引入到消防系统中，构建一支以计算机为核心，集情报获取、信息传递、指挥决策与战术控制为一体的高效消防灭火、抢险救援作战指挥系统。该系统主要由探测系统、通信系统、指挥系统和战术控制系统组成。探测系统借助精密的传感设备来探测火场前线的状况，为指挥机构提供所需要的准确情报；通信系统借助数字化、可视化技术，建立一个上至最高指挥机构，下至基层消防单兵的通信网络，使火场上的联络、调动、指挥简单易行、快捷准确；指挥决策系统是一种自动处理信息系统，能够快速将搜集到的信息分类、比较、判定，为指挥机构提供高效率的参谋服务；战术控制系统以前三个系统为依托，能在极短的时间内将相关人员部署到特定区域，使决策指挥与现场灭火、救援几乎同步。结合消防预警卫星、消防应急通信卫星等，打造一支空天一体的现代化消防救援作战部队。

在整个消防指挥过程中不仅需要有话音的沟通，更需要有图像和计算机数据（文字和图形）的交流，使指挥中心的领导和现场指挥员决策更加迅速、准确和有效，做到在119指挥调度中心能“一目了然”看到灾害现场。同时需要将指挥调度中心计算机管理的有关数据，如化学危险品数据库中有关化学物质的特性及处置方法；处警预案数据库中关于处警调度的指导意见和命令等以文字和图形的方式传输给现场指挥员。并且在灾害现场也可以用计算机以文字或图形的方式把数据传输到消防指挥中心。而目前消防指挥系统仍处于单一的有线电话接警、调度技术系统，无法满足以通信指挥业务层、技术支撑层、网络通信层为基本技术架构，集成计算机网络、现代通信技术、信息应用软件、消防综合数据库的消防新技术要求。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种基于无线Mesh网状网架构的消防员单兵系统。该系统在具体应用时，消防员佩带无线单兵子机进入火灾现场或其它事故现场，指挥员通过无线监控主机监测各个消防员的姿态、运动轨迹、生命体征、环境状况以及携行装具状况等信息，及时为指挥员提供指挥决策的情报支持，亦可为平时战术训练提供科学的依据。

为实现上述目的，本发明提供的基于无线Mesh网状网架构的消防员单兵系统由无线监控主机1、无线单兵子机2和无线中继3组成，其中：无线单兵子机2的数量视具体情况而定，由进入火场的消防员随身佩带，并通过无线Mesh网状网与无线监控主机1通信连接，或通过无线中继3与无线监控主机1通信连接；指挥员通过无线监控主机1动态监控各个佩带有无线单兵子机2的消防员的姿态、运动轨迹、生命体征、火灾现场环境状况以及携行装具状况等信息；

无线监控主机1由监控模块4和无线中心节点模块5连接组成；用于监控各个消防员的姿态、运动轨迹、生命体征、火灾现场环境状况以及携行装具状况等。

无线单兵子机2由定位模块6、生命体征检测模块7、呼救模块8、中央处理单元模块9、环境状况检测模块10、携行装具检测模块11和无线终端节点模块12组成，中央处理单元模块9分别与定位模块6、生命体征检测模块7、呼救模块8、环境状况检测模块10、携行装具检测模块11和无线终端节点模块12连接，用于将消防员的姿态、运动轨迹、生命体征、火灾现场环境状况以及携行装具状况等信息动态传送定位数据到无线Mesh网状网络中，直接或经由其它无线单兵子机、无线中继路由汇集到无线监控主机，从而完成数据采集和动态上传的功能；定位模块6、生命体征检测模块7、呼救模块8、环境状况检测模块10和携行装具检测模块11分别连接中央处理单元模块9。

本发明中，监控模块4可以是计算机，也可以是其它嵌入式系统组成，在监控模块中，由定位模块发来消防员的定位信息，通过信息融合和三维成像技术，将消防员的运动轨迹在二维或三维坐标系中进行动态实时显示，将消防员的姿态以动画方式显示，并在消防员倒地或高空坠落时报警，为火灾现场指挥官提供指挥决策的情报信息支持，从而最大限度的保护消防员的人身安全，消防员在遇险时，可自行打开亦或由无线监控主机远程打开消防员无线单兵子机上的呼救模块，进行声光报警，便于搜救人员及时准确定位发现；监控由生命体征检测模块发来消防员的心率、血压、体表温度、呼吸等生命体征信息，实时了解消防员身体状况；监控由环境状况检测模块发来的火灾现场的视频图像、温度、湿度、风速、空气成分等信息；监控由携行装具检测模块发来的空呼器压力、电池电量等信息；同时，监控模块还可以对数据进行存储和回放，作为消防官兵的日常战术训练评估，制定科学的训练计划。

本发明中，无线监控主机1、无线单兵子机2和无线中继3构建成无线Mesh网状网。无线中心节点模块5具有发送网络信标、建立Mesh网络、管理Mesh网络节点、存储Mesh网络节点信息、路由查找及数据收发功能。

本发明中，所述无线中继3具有路由功能，用于在远距离定位通信或地铁等环境中，对定位数据信号的多跳路由通信，扩展通信距离和拓宽应用场景。

本发明中，所述无线终端节点模块12具有路由功能及数据收发功能，即既能接收直接从无线中心节点发来或者是通过其它无线单兵子机、无线中继路由发来的无线中心节点的信息，亦能直接或者通过其它无线单兵子机、无线中继路由向无线中心节点发送信息，同时具有路由功能，为其它无线单兵子机或无线中继提供信息的路由转发。

本发明中，所述定位模块6是由惯性导航系统或卫星定位系统中一至多种组成。

本发明中，所述环境状况检测模块10是由温度传感器、湿度传感器、空气成份传感器、风速传感器或视频摄像机中一至多种组成。

本发明中，所述携行装具检测模块11采用空呼压力传感器或电池电量检测传感器。

本发明中，所述呼救模块8采用高分贝声音报警器或闪光报警器。

本发明中，所述生命体征检测模块7采用体表温度传感器、心率传感器、血压传感器或呼吸传感器中一至多种。

本发明通过多个无线单兵子机和中继节点构成无线通信网络并实时采集数据信息，无线传输到达无线监控主机，通过信息融合技术，指挥员可以及时的了解消防员的姿态、运动轨迹、生命体征、火灾现场环境状况以及携行装具状况等信息，为指挥决策提供情报支持。

本发明的有益效果体现在：

a.       实现现代化消防灭火、抢险救援作战指挥系统消防单兵装备的集成化、标准化、模块化、智能化。

集成化：多种功能的集成，小型化，增强可操作性。进入火场前，消防员只需将无线单兵子机进行佩带，此外无需消防员进行任何其他操作，从而减少了消防员的操作步骤。无线单兵子机的重量轻，体积小，有效减轻消防员的携行装备重量和体积，携带后基本不影响战术动作，便于列装，从而提高战斗力。

标准化：利于多军兵种、警种和其他部门单位间的信息情报共享，具有好的融合性；

模块化：通用性强，互操作性好，紧急情况下可将部件、模块互换应急使用。同时减少后续装备的研制中的重复开发，提高开发周期，加快列装进程；

智能化：消防装备的智能化，简化了消防员对装备的学习使用，提高了战斗力，降低操作要求和维护成本。

b.      数据传输的可靠性和实时性

本发明由无线监控主机、若干无线单兵子机、若干无线中继以及构成无线Mesh网状网，实现非视距传输，本发明具有较大的网络容量和覆盖面积，同时能够较好的实现点到多点的传输，充分保证了无线数据传输的可靠性和实时性，使火场指挥官可以动态监控消防员的姿态、运动轨迹、生命体征、火灾现场环境状况以及携行装具状况等信息，使搜救人员可以根据运动轨迹及早到达消防员遇险地点，为营救处在险境中的消防员的生命赢得了宝贵时间。

c.       快速灵活组网，具有很强的自适应性，自主修复（无单点故障）

本发明所构建的无线定位监控系统有着健壮的无线Mesh网状网结构的网络体系，组网灵活快捷，无需预先配置，具有强大的自适应性，适合应用在战场、消防灭火、抗洪抢险、地震等重特大自然灾害救援等无法预先布置的特殊和紧急环境下，并具有一般网络所没有的优点：网络的自组织性；动态的拓扑结构；路由的多跳性以及移动终端的灵活、机动性等等。无线单兵子机、无线监控主机以及无线中继均以无线Mesh网状网方式互联，都具有路由功能，增删节点方便，可以实现数据的接力多跳传送，适用于地铁、隧道等应用场景。无线Mesh网状网中任何一处的节点出现故障或者受到干扰，数据包将通过Mesh网络智能化的算法自动路由到备用路径继续进行传输，实现自主修复，使得整个网络的运行不会受到影响。同时网络规模可以依据火场的规模进行调整，并且设置简便，突出了无线单兵系统规模可控，灵活性强的优点。

d.      定位信息的可视化、立体化

本发明在无线监控主机端通过信息融合，将各个消防员的运行轨迹进行二维或三维动态显示，并且通过动画效果动态显示出消防员当前的行为姿态，包括走、跑、上下扶梯、上下电梯、前卧、背卧、左侧卧、右侧卧以及高空坠落等。可以使指挥员直观的对各消防员的状况进行准确判断，从而为其提供指挥决策的信息支持。

e.       战术训练评估，制定科学的训练方案，提高战斗力

本发明在无线监控主机端，可以对数据进行存储和回放，作为消防官兵的日常战术训练评估，从而可以制定更贴近实际情况的科学训练方案，提高战斗力。

下面通过附图和具体实施方式来进一步描述本发明。

附图说明

图1为本发明的基于无线Mesh网状网架构的消防员单兵系统的应用场景图。

图2为本发明的无线监控主机结构框图。

图3为本发明的无线单兵子机结构框图。

图4为本发明的无线中继节点结构框图。

图5为本发明实施定位通信的流程图。

图中标号：1为无线监控主机，2为无线单兵子机，3为无线中继，4为无线中心节点模块，5监控模块， 6为定位模块，7为生命体征检测模块，8为呼救模块，9为中央处理单元模块，10为环境状况检测模块，11为携行装具检测模块，12为无线终端节点模块。

具体实施方式

下面结合附图详述本发明的一个实施例。

参照图1所示的应用场景，本发明所述的一种基于无线Mesh网状网架构的消防员单兵系统由无线监控主机1、六个无线单兵子机2以及两个无线中继3组成，并构成无线Mesh网状通信网。其中无线单兵子机2由进入火场的消防员随身佩带，并通过无线Mesh网状网与无线监控主机1通信。指挥员通过无线监控主机1动态监控各个消防员的姿态、运动轨迹、生命体征、火灾现场环境状况以及携行装具状况等信息，并根据火灾现场通信状况，指示在相应地方设置了无线中继3。例如地铁场景下，消防员在向地铁深层进行侦察、搜索、救援或灭火等作业时，由指挥官根据地铁结构、信号强度等情况，指示消防员在相应位置投放无线中继后继续前进执行任务。在商场场景下，亦可以选择在商场外部将无线中继进行投放、发射或将其气浮使用，或者根据现场情况无需设置无线中继。

参照图2，本发明所述的无线监控主机1包括监控模块5，与监控模块5连接的无线中心节点模块4。无线中心节点模块4可以选用AKDS340-5W，将其设置为中心节点工作模式，由其发送网络信标、建立Mesh网络、管理Mesh网络节点、存储Mesh网络节点信息、路由查找以及进行数据收发。监控模块可以是计算机或者其它嵌入式系统，例如使用一台高可靠强防护的军用笔记本电脑，安装对应的消防员单兵软件，通过信息融合和三维成像技术，将消防员的运动轨迹在二维或三维坐标系中进行动态实时显示，将消防员的姿态以动画方式显示，并在消防员倒地或高空坠落时报警，同时远程开启消防员单兵系统的报警模块进行声光报警；监控由生命体征检测模块发来消防员的心率、血压、体表温度、呼吸等生命体征信息，实时了解消防员身体状况；监控由环境状况检测模块发来的火灾现场的视频图像、温度、湿度、风速和空气成分等信息；监控由携行装具检测模块发来的空呼器压力、电池电量等信息，为火灾现场指挥官提供指挥决策的信息支持，从而最大限度的保护消防员的人身安全。同时，监控模块还可以对数据进行存储和回放，作为消防官兵的日常战术训练评估。

参照图3，本发明所述的无线单兵子机2包括中央处理单元模块9，分别与中央处理单元模块9连接的定位模块6、生命体征检测模块7、呼救模块8、环境状况检测模块10、携行装具检测模块11和无线终端节点模块12；其中，定位模块6可由ADIS16405、高度传感器MS5540-CM组成惯性导航定位、北斗卫星导航系统构成卫星导航定位，在卫星信号状况较好时，由北斗卫星导航系统为主提供导航和定位，同时可修正惯性导航的累积误差，在卫星信号较弱或没有的隧道、地铁或室内，由惯性导航系统提供惯性导航定位；生命体征检测模块7可由血压传感器、心率传感器、体表温度传感器、呼吸传感器等组成；呼救模块8由警号、闪光警示灯组成；环境状况检测模块10由视频摄像机、温度、湿度、风速传感器和空气成分传感器组成；携行装具检测模块11由针对空呼的压力传感器、电池电压检测传感器组成；无线终端节点模块可以选用AKDS340-5W，将其设置为路由节点。中央处理单元9可以由处理器M30626FHPGP、存储器Atmel公司的Flash芯片AT45DB161D、接口芯片等常规外围电路组成。通过中央处理单元，对各传感器信息进行数据融合（Data fusion），将消防员的姿态、运动轨迹、生命体征、火灾现场环境状况以及携行装具状况等信息动态传送到无线Mesh网状网络中，直接或通过其它节点、无线中继汇集到无线监控主机，从而完成数据采集和动态上传的功能。

参照图4无线中继3可以选用AKDS340-5W，将其设置为路由节点，用于路由转发无线Mesh网状网络中的数据。

参照图5,本发明实施定位通信的流程包括以下步骤：

步骤一、无线监控主机向各单兵节点广播开始指令；

即当消防员运动至进入火场前某个地点，收到无线监控主机广播的开始指令后，无线单兵子机才开始工作，无需消防员手动操作，针对惯性导航来说，亦可以减小累积误差。

步骤二、无线监控主机向某无线单兵子机按包序列号请求数据；

按向无线监控主机登记的无线单兵子机ID列表，无线监控主机向其中一个无线单兵子机请求第一个序列号的单兵数据。

步骤三、其它无线单兵子机或无线中继进行路由转发；

根据实际变化的无线Mesh网中路由情况，无线监控主机可能直接、或通过其它无线单兵子机、无线中继路由转发后与目标无线单兵子机通信上。

步骤四、目标无线单兵子机收到请求本机数据指令后，根据序列号与当前数据指针，按滑动窗口协议发送定位数据。

步骤五、其它无线单兵子机或无线中继进行路由转发；

根据实际变化的无线Mesh网中路由情况，目标无线单兵子机可能直接、或通过其它无线单兵子机、无线中继路由转发后与无线监控主机通信上。

步骤六、无线监控主机根据收到或未到数据情况，确定下一次对该单兵子机的数据请求序列号。

步骤七、无线监控主机向下一个无线单兵子机按包序列号请求数据。

步骤八、跳转至步骤三。

如此反复执行，无线监控主机实现对各个无线单兵子机数据的采集，由无线监控主机对数据进行信息融合，将各个消防员的运行轨迹进行二维或三维的动态显示和报警，并且通过动画效果动态显示出消防员当前的行为姿态，包括走、跑、上下扶梯、上下电梯、前卧、背卧、左侧卧、右侧卧以及高空坠落等。当消防员倒地或高空坠落时自动报警，同时远程开启消防员单兵系统的报警模块进行声光报警，便于搜救人员定位发现；监控由生命体征检测模块发来消防员的心率、血压、体表温度、呼吸等生命体征信息，实时了解消防员身体状况；监控由环境状况检测模块发来的火灾现场的视频图像、温度、湿度和风速等信息；监控由携行装具检测模块发来的空呼器压力、电池电量等信息，为火灾现场指挥官直观的对各火灾现场状况、消防员的身体及装具状况进行准确判断，提供指挥决策的情报支持，进行科学有效指挥，最大限度的保护消防员的人身安全。同时，监控模块还可以对数据进行存储和回放，作为消防官兵的日常战术训练评估，从而可以制定更贴近实际情况的科学训练方案，提高战斗力。

Claims (9)

1.一种基于无线Mesh网状网架构的消防员单兵系统，由无线监控主机(1)、无线单兵子机(2)和无线中继(3)组成，其特征在于无线单兵子机(2)的数量视具体情况而定，由进入火场的消防员随身佩带，并通过无线Mesh网状网与无线监控主机(1)通信连接，或通过无线中继(3)与无线监控主机(1)通信连接；指挥员通过无线监控主机(1)动态监控各个佩带有无线单兵子机(2)的消防员的姿态、运动轨迹、生命体征、火灾现场环境状况以及携行装具状况信息；

无线监控主机(1)由监控模块(4)和无线中心节点模块(5)连接组成； 

无线单兵子机(2)由定位模块(6)、生命体征检测模块(7)、呼救模块(8)、中央处理单元模块(9)、环境状况检测模块(10)、携行装具检测模块(11)和无线终端节点模块(12)组成，中央处理单元模块(9)分别与定位模块(6)、生命体征检测模块(7)、呼救模块(8)、环境状况检测模块(10)、携行装具检测模块(11)和无线终端节点模块(12)连接，定位模块(6)、生命体征检测模块(7)、呼救模块(8)、环境状况检测模块(10)和携行装具检测模块(11)分别连接监控模块(4)。

2.根据权利要求1所述的基于无线Mesh网状网架构的消防员单兵系统，其特征在于监控模块(4)是计算机或其它嵌入式系统。

3.根据权利要求1所述的基于无线Mesh网状网架构的消防员单兵系统，其特征在于所述无线中继(3)采用路由器。

4.根据权利要求1所述的基于无线Mesh网状网架构的消防员单兵系统，其特征在于所述无线终端节点模块(12)采用路由器。

5.根据权利要求1所述的基于无线Mesh网状网架构的消防员单兵系统，其特征在于所述定位模块(6)是由惯性导航系统或卫星定位系统中一至多种。

6.根据权利要求1所述的基于无线Mesh网状网架构的消防员单兵系统，其特征在于所述环境状况检测模块(10)是由温度传感器、湿度传感器、空气成份传感器、风速传感器或视频摄像机中一至多种。

7.根据权利要求1所述的基于无线Mesh网状网架构的消防员单兵系统，其特征在于所述携行装具检测模块(11)采用空呼压力传感器或电池电量检测传感器。

8.根据权利要求1所述的基于无线Mesh网状网架构的消防员单兵系统，其特征在于所述呼救模块(8)采用高分贝声音报警器或闪光报警器。

9.根据权利要求1所述的基于无线Mesh网状网架构的消防员单兵系统，其特征在于所述生命体征检测模块(7)采用体表温度传感器、心率传感器、血压传感器或呼吸传感器中一至多种。

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