CN104574841A - 森林火灾现场扑救队员生存环境安全监测与报警装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种森林火灾现场扑救队员生存环境安全监测与报警装置，通过监测森林火灾现场燃烧产生有害气体浓度的发展动向，量化火灾场合人类工作环境的危险性指标，并通过声光报警系统，为扑救人员提供环境安全警示(一级报警)和进入危及生命安全阶段的报警(二级报警)功能；并且，蜂鸣和排列的LED灯组闪烁保证报警效果的全天候特性，在复杂火场环境中效果也十分显著；另外，该装置硬件成也较低。
Description
技术领域
本发明涉及野外火灾现场环境检测与报警技术领域，尤其涉及一种森林火灾现场扑救队员生存环境安全监测与报警装置。
背景技术
我国每年发生森林火灾数千或上万起。这种以燃烧森林植被为特征的火灾现象，伴随有大量的烟气形成：一方面会显著改变空气质量并降低空气中含氧量，另一方面会使空气带有毒性。改变空气质量的主要是可燃性热解产物(hydrocarbons)、未燃烬细小碳粒以及燃烧释放出的大量CO2(二氧化碳)分子。毒性气体以CO(一氧化碳)为主，它是植被热解和不完全燃烧的产物。火灾现场烟气浓度的增加，尤其是CO毒性气体浓度的提升，不但对扑救人员的身体机能产生显著影响，甚至会因窒息或中毒昏迷导致丧命。这已成为历年森林火灾现场扑救人员伤亡事故的主要原因。
研究表明，人体作为生命有机体，在空气中氧浓度稍许下降后，即有不适感；当氧浓度降低至19.5％以下时，有明显窒息感，体能显著下降，已不能胜任强体力劳动，数小时后甚至连正常移动都困难。空气环境中的CO浓度达到400ppm时，2h(小时)内会有前额痛，3h左右会出现眩晕；当CO浓度达到800ppm时，45min内头痛和恶心，2h内昏迷并死亡。目前在中国乃至西方多林国家野外火灾扑救实践中均没有配备必要的环境安全监测工具。由于人类感知器官的局限性，往往无法及时感知工作环境中出现这类不安全因素，通常会因错过采取必要措施的最佳时机而酿成悲剧。森林火灾扑救工作具有高流动性和大劳动强度等特点，持续时间至少数小时，而目前配备的防毒面具和空气瓶等安全救生工具只保证在短时间(3min)内有效。
现有的类似的环境气体的浓度监测装置，主要是针对可燃性气体或CO的浓度监测；监测区域多为建筑或矿井坑道，以防可燃性气体泄漏引发爆炸或人员中毒。由于环境封闭的特点，只要检测到的浓度达到设定阈值(一般在150ppm以内)，即认为环境不安全，相应予以报警。报警方式一般为蜂鸣器发出声响或者电机振动。安装方式多为悬挂式或者手持式，电源多为市电或者充电电池。
现有环境安全监测技术无法用于森林火灾现场的原因有以下几点：
1、森林火灾扑救现场环境的特殊性。单一的阈值报警方式会随野外火灾现场气流流动以及气体浓度的忽高忽低，出现一会报警一会停止的反复情况。现有环境安全监测装置无法针对火灾现场环境安全状况的动向给出量化评定结果，因而无从判断什么情形下可以继续扑救、什么情形下必须撤离火场、什么情形下又该使用有限的生命保障系统，如防毒面具或安全逃生气瓶等。
2、现有环境安全监测装置受安装方式、供电方式的限制，多是定点静态监测，无法用于区域性和流动性极强的多点动态监测，并且便携性较差。
3、现有环境安全监测装置无法在高温、高气体浓度、高热辐射和强撞击等环境条件下长时间使用。森林火灾的扑救时间短则几小时，长可达数天之久。
4、现有环境安全监测装置操作过程繁琐，甚至需要一定的专业训练，不利于火灾现场高温环境下操作，也不利于直接配备给一些文化程度不高的扑救队员使用。
5、现有环境安全监测装置价格昂贵，动辄数千元，不利于在广大林区推广应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种森林火灾现场扑救队员生存环境安全监测与报警装置，通过声光报警系统及时告知火灾扑救人员火场现场危险性程度，以有效地实施火灾扑救并最大程度地保障扑救人员的生命安全，且该装置成本较低。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种森林火灾现场扑救队员生存环境安全监测与报警装置，该装置包括：控制电路板，以及与该控制电路板相连的烟粒子浓度传感器、CO浓度传感器与电源部分；
其中，该控制电路板包括：STC单片机、LCD显示屏、LED灯组以及蜂鸣器；
所述STC单片机接收烟粒子浓度传感器与CO浓度传感器发送的浓度数据，并通过LCD显示屏实时显示；所述STC单片机还实时巡检接收到的浓度数据，当烟粒子浓度传感器和/或CO浓度传感器发送的浓度数据达到预设的一级报警浓度阈值时，控制LED聚光灯闪烁发出一级报警；当烟粒子浓度传感器和/或CO浓度传感器发送的浓度数据在预定时间内达到预设的二级报警浓度阈值的次数达到报警阈值时，或者当烟粒子浓度传感器和/或CO浓度传感器发送的浓度数据在单位时间内上升速率达到阈值，则控制LED灯组闪烁以及蜂鸣器报警发出二级声光报警。
进一步的，所述电源部分包括：依次连接的电源、电源开关、电量指示灯与稳压装置。
进一步的，所述LED聚光灯分为两组，分别用于一级报警与二级报警时闪烁。
进一步的，所述控制电路板包括：用于设置的烟粒子浓度一级报警与二级报警浓度阈值的按键，以及用于设置CO浓度的一级报警与二级报警浓度阈值的按键。
进一步的，所述烟粒子浓度传感器与CO浓度传感器为半导体式或者电化学式传感器。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，监测森林火灾现场燃烧产生有害气体浓度的发展动向，量化火灾场合人类工作环境的危险性指标，通过声光报警系统，为扑救人员提供环境安全警示(一级报警)和进入危及生命安全阶段的报警(二级报警)功能；并且，尖锐蜂鸣和排列的LED聚光灯组闪烁保证报警效果的全天候特性，在复杂火场环境中效果也十分显著；另外，该装置硬件成本也较低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的森林火灾现场扑救队员生存环境安全监测与报警装置的示意图；
图2为本发明实施例提供的森林火灾现场扑救队员生存环境安全监测与报警装置电路图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例
图1为本发明实施例提供的森林火灾现场扑救队员生存环境安全监测与报警装置的示意图。如图1所示，该装置主要包括：控制电路板，以及与该控制电路板相连的烟粒子浓度传感器、CO浓度传感器与电源部分；
其中，该控制电路板包括：STC单片机(或微处理器)、LCD显示屏、一级报警LED灯组和二级报警LED灯组(LED灯组)以及蜂鸣器；
所述STC单片机接收烟粒子浓度传感器与CO浓度传感器发送的浓度数据，并通过LCD显示屏实时显示；所述STC单片机还实时巡检接收到的浓度数据，当烟粒子浓度传感器和/或CO浓度传感器发送的浓度数据达到预设的一级报警浓度阈值时，控制LED聚光灯闪烁发出一级报警；当烟粒子浓度传感器和/或CO浓度传感器发送的浓度数据在预定时间内达到预设的二级报警浓度阈值的次数达到报警阈值时，或者当烟粒子浓度传感器和/或CO浓度传感器发送的浓度数据在单位时间内上升速率达到阈值，则控制LED聚光灯闪烁以及蜂鸣器报警发出二级声光报警。
进一步的，所述电源部分包括：依次连接的电源、电源开关、电量指示灯与稳压装置。
进一步的，所述用于一级报警与二级报警时闪烁的LED灯组，可以用两组不同颜色的聚光灯加以区别。
进一步的，所述控制电路板包括：用于设置烟粒子浓度的一级报警与二级报警浓度阈值的按键，以及用于设置CO浓度的一级报警与二级报警浓度阈值的按键。
进一步的，所述烟粒子浓度传感器与CO浓度传感器为半导体式或者电化学式传感器。
具体来说：烟粒子浓度传感器与CO浓度传感器，均通过杜邦口和控制电路板连接。电源部分包括：依次连接的电源(可以为大容量充电宝)、电源开关、电量指示灯与稳压装置，通过USB连接线与控制电路板的USB电源接口相连。
上述两个传感器可以探测环境中烟粒子浓度(可折算成对应氧浓度)和CO浓度，不同的浓度会形成不同的输出电压，将变化的模拟电压输入STC单片机。STC单片机根据不同的电压输出信号，通过巡检和对比确认哪个指标率先达到一级和二级报警条件，由此操控LED灯组和蜂鸣器；示例性的，该LED灯可分为两排，一排为绿色的，在一级报警时触发；另一排为红色的，二级报警时和蜂鸣器一起触发。
具体来说，森林火灾中产生的烟气一方面会降低空气中的含氧量，另一方面会使空气带有毒性。毒性气体以CO为主。本发明中选择经济可靠的半导体式和电化学式传感器作为空气质量和毒性气体的传感器。传感器对外部气体浓度响应信号经放大，由STC单片机程序控制做自动巡检，采集到的信号还输入LCD显示屏显示。
与通常环境相比，野外火灾现场的烟尘和毒性气体浓度均较高。加上火灾现场的风场作用以及人员所处位置(如风场上游等)，其烟尘和毒性气体浓度瞬息万变。由于火灾扑救本身的高危险性特点，报警装置并不能像通常建筑或矿井中可燃气泄漏那样达到特定阈值就报警和组织撤离。人体对烟尘和毒性气体具有一定的容忍度，比如在烟尘浓度为300ppm，或CO浓度接近350ppm的环境下，其身体机能接近正常，稍感不适；只有当时间足够长(2h)后，才会出现眩晕症状。
当烟尘浓度或CO浓度足够高(比如接近800ppm)，并且动态环境的气体浓度仍呈增加的趋势时，由于人体在此种环境中机能会出现显著问题，工作能力已基本丧失，并在短时间(2h)内会出现窒息或昏迷并死亡。在此种情形下，抑或是配戴防毒面具等救助设备，抑或是立即组织撤离高危险环境。
本实施例中，基于野外火灾现场扑救工作的特点，将报警分成两级。第一级为安全预警，表明现场的空气质量和毒性气体已对扑救人员的身体机能构成影响。相应的浓度值阈值可以参照接近佩戴氧气面罩或家用煤气及天然气报警的阈值。
第二级为相应浓度处于更高水平，并且此浓度呈持续增长的趋势则说明环境已对扑救人员的生命构成威胁，比如氧气浓度低于19.5％(缺氧危险作业安全规程GB8959-2006)或CO浓度超过750ppm。此时，如果扑救人员配备了个人救护系统如防毒面具或空气瓶，则需立即启动；否则，需立即组织安全撤离。
在STC单片机中，将巡检的传感器读数结果与设定的阈值分别比对。一旦烟粒子浓度传感器和/或CO浓度传感器达到阈值，一级报警启动；具体表现为一排绿色LED聚光灯(即一级报警LED灯组)闪烁；示例性的，该灯组计8枚，成竖线排开，在能见度较低情形下5米内均醒目可见。
当烟粒子浓度传感器和/或CO浓度传感器的检测浓度达到二级报警阈值时，传感器的输出结果将继续与二级报警阈值比对，并将超出的予以记数，这种记数每隔10秒一次；当3分钟内累计次数达到14次时，装置触发二级报警。此时，一排红色LED聚光灯(即二级报警LED灯组)闪烁。与此同时，蜂鸣器发出高分贝的“哔、哔”声，二级警报LED灯组的布置方式与一级报警LED灯组一致。
独特的排列方式使得相应的报警完全可以与环境火源的光线区别开，足够的亮度以及颜色选择确保其无论在白天和黑夜或高烟雾条件下迅速识别。并且，一级与二级报警的工作阈值在出厂时可以预设，也可以根据特定林区需要重新设定。
由于野外作业情况特殊，无市电，并且扑救工作具有长期性(一般持续两天以上)。为保证控制电路的长时间的供电，可以直接采用目前市场上销售的大容量电源。该电源与报警装置本体用USB电缆连接。电源自身有储电量指示，在控制电路上也设置电源开关和供电状态指示。经测试，目前的1万毫安时以上的电源可以保证装置持续运行40个小时以上，也就是5个作业时间单元。电源可以在扑救人员休整时再行充电以备反复使用。
发明实施例中，控制电路板前后加有机玻璃保护夹板，保证印刷电路和元器件在外力作用下不会断裂和损坏。装置主要部件用防火布料固定在消防服后背中央，而电源部分则被封装在消防服前面口袋中。由于实际作业过程中，扑救人员多面向火源，该装置基本或较少受到火源的辐射加热。因装置叠加进消防服中，在人员奔赴火场以及参与扑救作业没时不会有任何负担，相应对其扑救作业不构成任何影响。另外，该装置也可以固定在工作服的其他部位，还可以将其安装到消防头盔中、通讯对讲机中，或叠加到扑火机具上，如割灌机、风力灭火机或其他灭火器具。
扑救队员进入火场后，通过USB线将装置与充电宝连接，开启电源，装置进入工作状态。装置直至报警和自动复位，均自动操作。作业小组同时配备三部，可以保证监测和报警的可靠性和效果。
本装置中，电子元器件的工作温度在-10℃至50℃之间，这就保证在南北方林区和不同气候条件下正常工作(由于火灾的特殊性，雨雪天气可以不用考虑)。
示例性的，上述附图1中的各个元器件可使用如图2所示的电路结构来实现，详见图2a-图2j。
如图2a所示，为电源开关和稳压装置的电路结构示意图。其通过USB数据线接入5V移动电源，由自锁式电源开关控制整个电路通断。通过78L05稳压器将工作电压稳定在5V，电源指示灯用LED灯(D1)，电路正常工作时亮。
如图2b所示，为烟粒子浓度传感器(U2)的电路结构示意图。其采用半导体式传感器，根据外界烟粒子浓度产生不同输出电压信号，并输入单片机。共有三个引脚，VCC、GND、ad1；其中，ad1为模拟信号输出脚，与单片机P1.0脚相接。
如图2c所示，为CO浓度传感器(U3)的电路结构示意图。其采用电化学CO浓度传感器；不同的环境CO浓度将在其工作端(W)和参比端(C)形成电势差，经过运放电路(LM258A)，输入单片机。共三个引脚，VCC、GND，ad2；其中，ad2为模拟信号输出脚，与单片机P1.1脚相接。
如图2d所示，为复位电路和外部晶振的电路结构示意图。其通过按键S5向单片机第9脚(RST)施加高电平使单片机复位；外部晶振(Y1)为单片机启动提供脉冲信号，并为单片机提供精准的计时脉冲信号。方便控制程序的读写，预留接口(J1)；其中，1为GND，2为单片机TXD(P3.1)，3为单片机RXD(P3.0)，4为VCC。
如图2e所示，为STC12C5A60S2单片机的电路结构示意图。该单片机主要有四个功能：(1)巡检处理传感器输入的模拟信号，将其转化成数字信号；(2)将浓度信息及按键设定信息保存下来并实时传送给LCD显示屏显示；(3)通过与设定阈值比较，判断环境安全状况和发展动向；(4)控制和触发LED灯组及蜂鸣器。
其中P1.0引脚连接传感器U2(烟粒子浓度传感器)，连接线标为ad1；P1.1引脚连接传感器U3(CO浓度传感器)，连接线标为ad2；P1.2引脚通过2K电阻(R12)连接8550三极管基极(Q2)；P1.3引脚通过2K电阻(R14)连接8550三极管基极(Q3)；P1.4、P1.5、P1.6、P1.7分别与阈值设定按键S1、S2、S3、S4连接；单片机第9脚与复位开关S5连接；第10脚(RXD)、11脚(TXD)分别为单片机数据下载接口，可外置在接线板上，方便下载程序；第14脚通过2K电阻(R4)与8550基极连接(Q1)，驱动蜂鸣器；第15、16、17脚连接LCD1602的操作口；第18、19脚接12M外部晶振，21脚接GND；P2.0-P2.7为LCD1602数据口；第40脚接VCC。其他引脚悬空。
如图2f所示，为LCD显示屏(LCD1602)的电路结构示意图。其为阈值设定时的显示界面，并交替显示巡检获取的当前烟粒子浓度和CO浓度结果。其中第1脚GND，第2脚VCC，第3脚与R3相连控制对比度，第4、5、6脚LCD1602信号操作口分别与单片机第15、16、17脚连接；第7-14脚显示数据口分别与单片机P2.0-P2.7连接；第15、16脚为显示背光电源正负极。
如图2g所示，为阈值设定按键(按键S1、S2、S3、S4)的电路结构示意图。其用于输入一级报警和二级报警的浓度阈值。其中按键S1：设置键，按一次调节烟粒子浓度一级报警阈值，按两次调节烟粒子浓度二级报警阈值，按三次调节CO浓度一级报警阈值，按四次调节CO浓度二级报警阈值，按第五次退出设置功能；按键S2：按着不放阈值不断增加；按键S3：按着不放阈值不断减小；按键S4：系统退回到浓度显示状态；按键S5为复位键，可以让系统退回初始状态。
如图2h所示，为一级报警绿色LED灯组的电路结构示意图。当一级报警时触发，表明所处环境已经不适宜扑救作业。共8枚，分别为D10-D17，正极通过8550三极管的集电极和2K电阻(R14)和单片机P1.3脚连接。
如图2i所示，为二级报警红色LED灯组的电路结构示意图。当二级报警时触发，表明所处环境十分危险必须立即撤离。共8枚，分别为D2-D9，正极通过8550三极管的集电极和2K电阻(R12)和单片机P1.2脚连接。
如图2j所示，为蜂鸣器(B1)的电路结构示意图。当二级报警时和红色LED灯同时触发，发出尖锐的“哔、哔”声。其正极与8550三极管集电极连接，负极接地。
本实施例提供的森林火灾现场扑救队员生存环境安全监测与报警装置主要具有如下优点：
1)监测森林火灾现场燃烧产生有害气体浓度的发展动向，量化火灾场合人类工作环境的危险性指标，通过声光报警系统，为扑救人员提供环境安全警示(一级报警)和进入危及生命安全阶段的报警(二级报警)功能；
2)烟粒子浓度传感器和CO浓度传感器分别监测对人类机能正常运行构成影响的气体环境条件，通过巡检和比对确认哪个指标率先达到一级报警和二级报警条件，由此实施报警；
3)二级报警针对野外火灾现场气流波动的特点，采用积分累计的方式确认有害气体的发展动向；
4)两类传感器一级报警和二级报警的气体浓度阈值可以跟据不同林区火灾现场的特点，在产品出厂后重新设定；
5)蜂鸣和排列的LED聚光灯闪烁保证报警效果的全天候特性，在复杂火场环境中效果也十分显著；
6)鉴于林火扑救工作中小组作业的特点，每组配备三部，可以进一步确保气流波动幅度较大野外环境中危及生命安全报警的有效性和准确性；
7)本装置可在高温、高烟气浓度场合连续工作40小时以上；
8)装置具有防撞击和防震动特点，并有一定的防水和热辐射烘烤的功能；
9)装置无需手拿肩扛，具有高度便携性，适合野外作业人员配带；
10)装置操作简单，适合在边远山区、文化水平不高的人群中推广；
11)装置硬件成本较低，装置经济实惠。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换(包括将其集成化和微电子化)，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种森林火灾现场扑救队员生存环境安全监测与报警装置，其特征在于，该装置包括：控制电路板，以及与该控制电路板相连的烟粒子浓度传感器、CO浓度传感器与电源部分；
其中，该控制电路板包括：STC单片机、LCD显示屏、LED灯组以及蜂鸣器；
所述STC单片机接收烟粒子浓度传感器与CO浓度传感器发送的浓度数据，并通过LCD显示屏实时显示；所述STC单片机还实时巡检接收到的浓度数据，当烟粒子浓度传感器和/或CO浓度传感器发送的浓度数据达到预设的一级报警浓度阈值时，控制LED聚光灯闪烁发出一级报警；当烟粒子浓度传感器和/或CO浓度传感器发送的浓度数据在预定时间内达到预设的二级报警浓度阈值的次数达到报警阈值时，或者当烟粒子浓度传感器和/或CO浓度传感器发送的浓度数据在单位时间内上升速率达到阈值，则控制LED灯组闪烁以及蜂鸣器报警发出二级声光报警。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电源部分包括：依次连接的电源、电源开关、电量指示灯与稳压装置。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述LED聚光灯分为两组，分别用于一级报警与二级报警时闪烁。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制电路板包括：用于设置的烟粒子浓度一级报警与二级报警浓度阈值的按键，以及用于设置CO浓度的一级报警与二级报警浓度阈值的按键。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述烟粒子浓度传感器与CO浓度传感器为半导体式或者电化学式传感器。
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