CN104602365A - 基于无线传感网络技术的消防救灾环境监测系统 - Google Patents

Abstract

消防员数字单兵装备，主要用于保障消防员生命安全，是利用无线传感网络技术，实时监测消防队员在救灾现场的生命体征指标以及对现场烟雾浓度、温度变化等环境参数的采集，实现对消防队员进行实时轨迹跟踪定位，并将上述数据远程传输到指挥中心进行分析，为指挥人员指挥调度提供参考依据的系统装置。

Description

基于无线传感网络技术的消防救灾环境监测系统

技术领域

一种关于计算机领域中的无线传感技术方面的领域。

背景技术

目前，国内市场上的腕式心率传感器芯片已能够在静止状态下采集相对准确的人体心率数据。但是当人体处于运动状态时，所采集的心率数据误差较大，无法满足本项目对心率数。据准确性的要求。由于火灾现场温度变化大，烟雾浓度高，现有的温度传感器和烟雾浓度传感器在这种恶劣的环境中工作状态不稳定，易发生较大的误差，而火灾现场内的温度变化情况和烟雾浓度是消防指挥人员的指挥调度所必须的参考依据。在室内定位技术方面，国内厂商大都采用了ZigBee、红外线、超声波、蓝牙、射频识别和超宽带以及GPS信号放大器等技术实现人员在室内的定位。其中，GPS方式实现的室内定位由于信号稳定，在复杂的室内环境

中经常出现信号丢失现象，所以不适合用在火灾消防等突发性高或复杂的室内环境。其它室内定位技术需要预先根据不同的建筑结构布置大量锚点作为定位参考并实现数据传输。然而，由于火灾发生地往往都是无法预知的，在这种突发情况下，没有预先布置锚点的场所将无法实现消防队员的定位来提供人员的安全保障。目前采用预设锚点的方式只适合特定的高安保场所，实施成本较高，不易推广。无线测距定位、惯性导航等技术在消防员的生命安全保障和消防救灾现场人员定位方面的应用成为新的趋势。通过对国内外同类项目详细的调研和仔细分析高单兵装备的整体性、灵活性以及功能的扩展性入手，对现有传感器芯片和模块进行改造、加强。使得我们所研发的装备能够方便携带、快速装备，在任何火灾场所中都能够切实有效的记录消防队员运动轨迹，保障消防队员生命安全。目前已有多家国内、国外机构投入大量人力与物力，研制无需预先布置锚点就能够准确地采集消防队员的生命体征数据，并实时记录消防人员在火灾现场的运动轨迹。如澳大利亚新南威尔士大学正在研发的Squad消防员室内定位系统，该系统是通过内置的声纳扫描大楼的结构，然后建立一个小型的地图，从而显示出整体环境以及小组成员的位置。法国航空公司下属的泰雷兹（Thales）公司也进行了消防人员室内定位系统的研发工作，该系统将依靠超宽带的无线电信号，利用无线电脉冲，确定建筑物内消防队员彼此间的距离以及与外面消防车之间的距离，还增加全球定位系统（ＧＰＳ）手机的功能，帮助用户在商场和机场定位。2008年10月，由美国司法部和美国国土安全部的科技TechSolutions计划资助500多万美元的、由美国伍斯特理工学院（Worcester Polytechnic Institute）历时五年研发的’Mantenna’应急响应室内定位系统在由美国国家消防局 (USFA)举办的第10届芝加哥应急响应装备展览会上展出，该系统在2008年已经进行了现场模拟演练，并将提供给波士顿美国陆军纳提克（NATICK）士兵研究开发和工程中心(NSRDEC)进行测试。但是该系统提供的装置代价昂贵，尚不适合投入生产实现产品化运作。从我国几十年的消防装备产业发展来看，我国消防装备产业仍然是消防产业发展前景最薄弱的产业之一。消防装备的核心意义是在事故已发生的情况下，为人类救援物资或受灾人员生命起辅助作用；或者是为了充分保证救护人类的人身安全，避免危险情形下救援人员伤亡。

发明内容

本发明主要是：恶劣环境火灾现场信息与消防员生命安全特征参数的实时获取;

恶劣环境火灾现场信息包括：

一、除了消防员所到之处的周围温度和烟雾浓度等级外，还有消防员所在位置的定位参数，如雷达传感信号、超声波传感信号、电子罗盘传感信号、加速度传感信号和大气气压（决定高度）传感信号等。消防员生命安全特征参数包括：消防员空呼机压力传感信号、消防员自身的运动状态和心率等。这些信息实时获取的难点有两个方面。

（1） 火灾现场的环境非常恶劣，尤其是高温和强噪声的干扰；

（2） 传感信号多而复杂，如烟雾浓度，虽然要求检测精度不高，但由于火灾现场烟雾浓度特别高，尚无成熟的合适传感器，必须根据火灾现场情形进行相关的研究。

二、消防员运动过程中各传感器信息无线传输与网络构建; 

研究数据采集模块和无线收发模块之间的接口，在处理器协调下组成无线传感器网络节

点，由于消防员处于运动过程中，研究各节点之间的动态链接，以自组织方式形成无线传感器网络。其研究难点有两个方面：

（1） 节点之间动态链接时的变结构和自组织算法；

（2） 由于数据采集模块以及传感器功耗较大，这给无线传感器网络在一次充电情况下的延长其工作时间带来很大的困难。

三、复杂环境的消防人员行动轨迹浮锚点跟踪定位；

（1） 以移动的消防车为浮动锚点研究消防人员行动轨迹的无线传感网络定位信息。

（2） 以雷达、超声波、电子罗盘等多种传感器信息研究消防人员行动轨迹的跟踪定位信息。

（3） 基于信息融合技术研究消防人员所处的位置。

4、消防现场监控平台与城市消防中心控制系统的研发;

（1） 消防现场监控平台实时显示消防员生命体征和位置，接收并处理救灾现场环境参数、消防员生命体征、空呼机压力以及定位位置等数据，实现对整个救灾现场的监控，进而协助火灾现场的指挥调度。

（2） 消防现场监控平台及时将信息传送到城市消防控制中心，实现与现场联动，及时掌握现场状况进行远程指挥，并对重要信息做历史性的保存。

Claims (7)

1.基于无线传感网络技术的消防救灾环境监测系统其特征是恶劣环境火灾现场信息与消防员生命安全特征参数的实时获取与组网。

2.根据权利要求1其为通过TinaPro电路仿真分析软件仿真分析各传感器信号采集电路，优化信号采集电路的设计。

3.根据权利要求1其从节点设计到网络协议设计，始终以一次充电情况下无线传感网络最长工作时间为目标，提高网络的节能技术。

4.根据权利要求1则从硬软件两方面，对新产品进行可靠性设计，充分运用故障诊断和容错技术，担高新产品的可靠性。

5.消防人员行动轨迹跟踪定位方法与积累误差消除其特点是采用美国Ansoft HFSS三维结构电磁场仿真软件分析仿真三维无源结构的高频电磁场，分析特征阻抗、传播常数、S参数及电磁场、辐射场、天线方向图等无线传感网络定位信息。

6.根据权利要求5其采用人为锚点进行无线传感网络组网和定位实验，进而实验研究浮锚点无线传感网络定位。

7.根据权利要求5其为了解决消防人员行动轨迹跟踪定位积累误差，在必要时采用增加超声波传感器信息，通过信息融合与模式识别相结合的方法实现轨迹跟踪定位积累误差的减小和消除。