CN209845318U - 一种可穿戴应急救援智能终端装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可穿戴应急救援智能终端装置，其内部包括：无线收发自组网模组、NB‑IOT模块、传感器模组、电池、定位模块、摄像头模组、指示灯、开关按钮以及组合天线；所述无线收发自组网模组包括LORA模块和主处理器模块。本实用新型实现在火场高温浓烟环境下对消防员所在位置的实时获取、消防员身体安全信息数据的实时获取以及消防指令的实时下达，保障了消防员在消防作战时的生命安全和提高了消防救援的效率。

Description

一种可穿戴应急救援智能终端装置

技术领域

本实用新型涉及传感器与通信技术开发领域，具体涉及一种应用在应急救援等复杂环境下的人员定位、生命安全监控装置和通信装置。

背景技术

在专利号为CN201110047495，申请日期为2011.02.28，名称为“消防员现场导航装置”专利中，该申请提供了一种用于火灾现场的，可进行三维定位，并协助消防员迅速实施灭火救援行动的消防员现场导航装置，包括：中央控制模块、三维定位模块、外部存储模块、通讯模块、输入输出模块和保护外壳几个核心模块，通过这几个核心模块的协同工作，确定消防员在火灾现场的三维位置，并以清晰直观的语音或图像模式告知消防员，同时向消防员指示各种消防设施的方位，为消防员提供导航服务。该装置可以使每个消防员在火场中都如同增强了眼、耳的功能，同时该装置结合配套的指挥系统，使得指挥员能够更清晰直观的指挥灭火救援行动，这也就在一定程度上增强了消防员在火场中的战斗力和防护力，对提高消防部队的灭火救援能力有很大的帮助。其不足之处在于使用GPS定位技术无法在室内达到定位效果，定位精度极差。

在专利号为CN201110416874，申请日期为2011.12.14，名称为“一种利用室内无线定位技术的消防救援方法”，该申请公开了“一种利用室内无线定位技术的消防救援方法”，该实用新型涉及一种利用室内无线定位技术的消防救援方法。当发生火警时，每个受困人员利用手中的智能手机或保存在办公室内的配制移动终端，连通安装在大楼内的无线通信基站，通过智能手机或移动终端与无线通信基站之间的双向通讯来确定智能手机或移动终端的物理位置，然后将智能手机或移动终端的位置信息及身份信息通过无线通信基站接收并发送到监控主机，监控主机利用无线通信基站收集消防员的位置信息，监控主机同时收集布设在大楼中的所有烟雾传感器和防火门的传感器的信息，将相关信息发送到火场里的受困人员和救援人员手中。本实用新型的优点是受困人员和消防员对于火场形式双向透明，可以极大程度提高消防救援的成功率及受困人员的逃生机率。其不足之处在于未考虑失火大楼断电导致大楼内放置的通信基站无法使用的情况。

在专利号为CN201210580902，申请日期为2012.12.27，名称为“一种消防员室内外3D无缝定位及姿态检测系统及方法”专利中，该申请提供了一种消防员室内外3D无缝定位及姿态检测系统及方法，包括：一基于STM32 单片机的主控制电路板，一基于 Sim-900 的GPRS 数据传输模块，一 GPS 定位模块，一远程监控客户端以及惯性导航模块 I 和惯性导航模块 II ；主控制电路板通过串口分别与 GPRS 数据传输模块、GPS 定位模块以及惯性导航模块 I 和惯性导航模块 II 相连；GPRS 数据传输模块利用 GPRS 网络与绑定的远程监控客户端连接通信。本实用新型实现了消防员室内外 3D 无缝定位及姿态检测，可准确的对消防员的运动状态进行识别判断，同时可以实现对消防员的室内外 3D 无缝定位，针对消防人员的应用场合，系统可以扩展有毒气体传感器、烟雾、温度等传感器。其不足之处在于使用GPS定位技术无法在室内达到定位效果，定位精度极差。

在专利号为CN201220356804，申请日期为2012.07.20，名称为“一种智能头盔”专利中，该申请公开一种智能头盔，包括：射频标签装置、 LED 照明装置、微处理器、以及分别与微处理器连接的通信装置、传感器阵列模块、摄像装置、头盔显示器、麦克风、扬声器、GPS 装置、存储装置以及电源装置。采用本实用新型的技术方案，可以实现对交警人员、公安警察、消防员以及井下采矿矿工的无线识别定位、装备跟踪，对交警人员、公安警察、消防员以及井下采矿矿工的周围环境和自身人体条件的检测、多媒体监控、无线通信、免提语音通信、实时定位以及投影显示的功能。其不足之处在于没有对消防员火场作战时的室内定位技术，对消防员的生命安全的保障不够全面。

在专利号为CN201420586359，申请日期为2014.10.11，名称为“消防员呼救通讯头盔”专利中，该申请提供了一个消防员呼救通讯头盔，解决现有消防头盔不具备呼救功能，使用不方便和不易被发现的问题，包括：头盔体、语音通讯主板、呼救模块、方位信号灯和防爆电池，所述语音通讯主板与呼救模块联接，呼救模块与方位信号灯联接，防爆电池依次与语音通讯主板、呼救模块和方位信号灯联接；本实用新型结构新颖独特，消防员呼救通讯头盔具有语音通话、及时呼救和快速定位的功能，使用方便。其不足之处在于使用的通讯技术与传统的对讲机使用的技术及频段相同，通信信号极易受高温浓烟的影响，导致信号不稳定，消防员的生命安全依旧得不到保障。

在专利号为CN201510241697，申请日期为2015.05.13，名称为“消防员智能战斗头盔”专利中，该申请提供消防员智能战斗头盔，解决了抗干扰能力差、操作复杂和佩戴不便的问题，包括：头盔，所述头盔采用新型复合材料一体化模压成型；所述头盔左侧安装有电路板和开关，头盔右侧安装有防爆电源，头盔的顶部安装有骨传导装置，头盔内部有连接线，用来连接电路板、开关、防爆电源和骨传导装置；头盔重量减轻60%，坚硬度增加；智能战斗头盔集群呼、收听、对讲、调频和视频多种功能为一体，穿戴方便，操作简便；利用骨振动传声技术有效的利用消防员说话时，头骨的振动来替代传统利用声音高低频率传送的传话器，抗干扰性强；可将火灾现场情况及时反馈到指挥中心，从而指挥中心可及时有效的做出应对突变救灾方案。其不足之处在于使用的通讯技术与传统的对讲机使用的技术及频段相同，通信信号极易受高温浓烟的影响，导致信号不稳定。

在专利号为CN204374427U，申请日期为2015.01.30，名称为“一种基于复合定位系统的消防员室内定位装置”专利中，该申请提供了一种基于复合定位系统的消防员室内定位装置，包括：中央处理模块、卫星收发模块、基站收发模块、wifi 收发模块、高度传感模块、存储模块及电源模块:所述中央处理模块分别与所述电源模块及所述存储模块联接;所述卫星收发模块、基站收发模块、wifi 收发模块及高度传感模块分别与所述中央处理模块联接。本实用新型通过获取定位系统内各模块的定位信息进行综合分析处理，在消防员进入室内扑救时能够实时精准的定位到其位置;同时卫星定位信息的各维度的数据以毫秒为单位进行有效存储，使得外部的数据服务中心能够实时的监测到消防员在室内扑救工作的轨迹。其不足之处在于在浓烟环境下GPRS无法使用时，采用WIFI模块回传数据，其没有考虑到火场断电情况，一旦断电WIFI将无法接入网络，则无法将数据回传。

综合上述技术问题，需要设计相应的技术方案给予解决。

实用新型内容

本实用新型中提出了一种在应急救援等复杂环境下可以进行稳定的数据通信、定位和安全监控的智能终端装置，满足实际使用要求。

为解决上述问题，本实用新型所采取的技术方案如下：

一种可穿戴应急救援智能终端装置，其内部包括：无线收发自组网模组、NB-IOT模块、传感器模组、电池、定位模块、摄像头模组、指示灯、开关按钮以及组合天线；所述无线收发自组网模组包括LORA模块和主处理器模块。

作为上述技术方案的改进，所述本传感器模组包括陀螺仪、加速度计、磁力计、气压计&温度传感器以上是组成微惯导模组的主要传感器用于辅助消防员室的定位，所述传感器模组中还包括心率传感器和协处理器，其中陀螺仪与加速度计获取的数据还用于判断消防员的运动状态，并结合心率传感器共同用于判断消防员是否处于危险状态，以便保障消防员的生命安全，其中协处理器主要用于处理传感器模组中各个传感器的数据并将处理后的结果传给主处理器。

作为上述技术方案的改进，所述定位模块包括：BLEReceive和北斗羲和定位方式，其中所述BLEReceive模块用于扫描火场中的信标信号，通过分析信标信号来判断消防员在火场中所处的位置；其中所述北斗羲和定位方式是采用北斗羲和定位模块，通过这两种室内定位技术再加上微惯导辅助定位来达到精确定位目的。

作为上述技术方案的改进，所述摄像头模组用于读取附在信标上的荧光二维码来获取火场建筑的3D模型，所述工作指示灯用不同的颜色表示终端装置处于哪种工作状态，所述组合天线用于LORA和NB-IOT模块无线收发信号增益。

作为上述技术方案的改进，所述信标节点是放置在应急指示灯中，且每个信标都通过充电线连接，所述信标节点内部是包括防火防爆冲击涂料、荧光二维码、BLE、电池、电源保护及切换电路；所述信标节点外部涂有防火涂料以提高该信标的耐火极限，所述信标节点表面是附有荧光二维码，通过扫描二维码可获取火场的3D模型图，用于快速了解火场环境提高疏散与救援的效率。

作为上述技术方案的改进，所述信标节点中的BLE为低功耗蓝牙，存贮该信标点所在位置信息以及用于可穿戴无感式终端装置基于信标定位功能的实现，所述信标节点中的电池是用于断电时给节点供电保障其运行，所述信标节点中的电源保护及切换电路在电池充电时起到保护作用，同时用于切换信标供电模式。

本实用新型与现有技术相比较，本实用新型的实施效果如下：

（1）本实用新型的终端装置采取防爆、防摔、抗高温处理，供电电池采用防爆电池，充分保障消防员在消防作战时该终端装置的鲁棒性，减小了该终端装置在复杂环境使用时受损的可能性。

（2）本实用新型使用的用于定位的信标节点在外部涂有防火涂料，提高了定位信标的耐火极限，并且该节点在平时都处于一种休眠的状态，只有在建筑断电时或本实用新型中的终端装置主动激活的情况下开启，提高了供电电池的使用寿命。

（3）本实用新型中采用了姿态检测传感器，通过跌倒检测、非清醒行为检测等相关算法来检测消防员在火场救援时的不正常行为，解决了消防员无自我意识时的呼救问题。

（4）本实用新型兼容了两种定位技术，分别是北斗羲和定位技术，若在可以检测到卫星信号的火场中优先使用该定位技术；在封闭、复杂的无法检测到卫星信号的环境中使用基于信标及微惯导技术融合的室内定位技术。从而解决了复杂场景下的定位可靠性。

（5）本实用新型使用双网通信技术，第一种是NB-IOT的通信技术，若在可以连接到运营商网络的火场中优先使用该数据通信技术；第二种是LORA无线自组网的通信技术，在封闭、复杂环境中使用，Lora通信技术使用的是高频信道，与现有的350MHZ专用通信频道不发生冲突，双网通信技术解决了复杂通信环境下双网通信方式提高了消防员在火场救援的通信冗余度、稳定性和可靠性。

附图说明

图1为可穿戴无感式终端装置模块组成示意图；

图2为节点内部及外部通信方式示意图；

图3为信标节点部署图；

图4为信标节点内部结构示意图。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例来说明本实用新型的内容。

如图1-4所示为本实用新型的整体结构和使用方法示意图

如图1所示：智能穿戴装置即可穿戴无感式终端，该装置支持双网协同工作，即同时支持Lora自组织局域网络和NB-IOT的LTE网络；其是涂有防火防爆涂料的定位信标，同时在信标表面还附有荧光二维码22，扫描荧光二维码22可获取该建筑的3D模型结构图，用于快速了解火场结构提高救援及疏散效率；还包括基于LORA自组织局域网的中继节点，它的作用是将将节点数据进行转发，不要借助外部网络可以通过接力的方式将数据回传；还包括350Mhz现场指挥公安集群网络，与本实用新型中提出的通信方式不发生冲突；还包括后台指挥系统，用于可视化显示回传的数据同时通过该指挥中心系统可主动发送救援指令给火场消防员或火场指挥员；还包括现场可视化指挥终端，它的作用与指挥中心系统的功能类似主要功能可视化的显示消防员的实时位置，网格化的显示传感器的各种数据，同时后场指挥员可实时通过350Mhz集群网络或者本实用新型的通讯方式向消防员发送指令。

如图2所示：为本实用新型的可穿戴无感式终端装置模块组成图

可穿戴无感式终端装置包括无线收发自组网模组1、NB-IOT模块2、传感器模组3、电池4、定位模块5、摄像头模组6、指示灯7、开关按钮8、组合天线9；其中，无线收发自组网模组1包括：（1A）LORA和1B主处理器，主处理器采用2MB 32位MCU，并添加片外RAM用于待计算数据的缓存，该处理器主要用于所有数据的获取及整合并将其数据打包通过两种通信方式将数据回传；其中LORA无线传感器用于实现该实用新型的无线自组网的方式数据回传功能。NB-IOT模块2是实现本实用新型第二种数据通信方式的模块，NB-IOT模块2使用运营商网络，可以将数据直接通过该网络传回服务器，该数据回传方式更直接高效，在有运营商网络的环境中优先使用NB-IOT，反之在复杂无运营商网络的环境中使用LORA自组网络。传感器模组3包括：陀螺仪3A、加速度计3B、磁力计3C、气压计&温度3C传感器以上是组成微惯导模组的主要传感器用于辅助消防员室的定位，传感器模组中还包括：心率传感器3D和协处理器3F，其中陀螺仪3A与加速度计3B获取的数据还用于判断消防员的运动状态，并结合心率传感器3D，共同用于判断消防员是否处于危险状态，以便保障消防员的生命安全。其中协处理器3F主要用于处理传感器模组中各个传感器的数据并将处理后的结果传给主处理器1B。定位模块5包括：（5A）BLEReceive和北斗羲和5B定位方式，其中（5A）BLEReceive模块用于扫描火场中的信标信号，通过分析信标信号来判断消防员在火场中所处的位置；其中北斗羲和5B是采用北斗羲和定位模块，通过这两种室内定位技术再加上微惯导辅助定位来达到精确定位目的。摄像头模组6可用于读取附在信标上的荧光二维码22来获取火场建筑的3D模型，同时还可视频记录消防员救援过程。此外，工作指示灯7用不同的颜色表示终端装置处于哪种工作状态，开关8用于启动和关闭，组合天线9是用于LORA（1A）和NB-IOT模块2无线收发信号增益。

图3所示的为本实用新型的节点内部及外部通信方式示意图中，分为前端可穿戴无感式终端装置和后场指挥系统两个大的组成部分，前端可穿戴无感式终端装置可通过两种方式回传数据；其中，第一种NB-IOT通信方式，在可检测到运营商网络的火场环境中使用该方式将数据回传到服务器中，再由服务器通过HTTP协议传给后场指挥系统；第二种LORA自组网通信方式，在没有运营商网络的火场环境中用LORA自组网的方式将数据通过接力的方式回传至网关，再由网关通过串口传回后场之后系统的设备中，其中回传的数据一边用于后场指挥系统的数据显示，一边通过HTTP协议传回服务器。

如图4所示：为本实用新型如果应用于复杂室内环境时的信标节点部署图。将信标节点放置在应急指示灯中，且每个信标都通过充电线连接，在平时可以给进行充电。具体地，如图4所示：为本实用新型的信标节点内部结构图。其中包括防火防爆冲击涂料21、荧光二维码22、BLE23、电池4、电源保护及切换电路23。其中，该信标外部是涂有防火防爆冲击涂料21以提高该信标的耐火极限，该信标表面是附有荧光二维码22，通过扫描荧光二维码22可获取火场的3D模型图，主要用于快速了解火场环境提高疏散与救援的效率。此外，该信标中的BLE23即为低功耗蓝牙，存贮该信标点所在位置信息，以及用于可穿戴无感式终端装置基于信标定位功能的实现；信标中的电池4用于断电时给节点供电保障其运行；信标中的电源保护及切换电路24在电池4充电时起到保护作用，同时用于切换信标供电模式。

综上所述：本实用新型中所提出的可穿戴应急救援智能终端装置采用Lora模块和NB-IOT模块同时工作或切换工作的无线通信方式，其中Lora具有穿透力强，范围广，无线自组网的特点，使其能够很好的支持火场高温浓烟环境以及无手机信号覆盖区域的作战通信，其中同时工作的NB-IOT模块在有信号覆盖的区域内可以将消防作战信息直接上传至后场指挥系统，有效的减少时间消耗，实现两种方式无线通信的同时工作或切换工作，相当于为消防作战上了一份双保险，同时解决了现有的无线通信设备无法适应复杂环境通信要求的问题。

其中，本实用新型中所涉及的消防员双模定位技术的实现，采用北斗羲和定位技术以及基于信标的定位技术的双模式定位，支持无外部电源供电情况下的稳定运行。定位模块中的BLEReceiver采用多通道处理，支持多节点连接与并行数据处理，确保数据的实时性和有效性。

本实用新型所提出的可穿戴应急救援智能终端装置可以实时的采集消防员的生命体征数据，并将数据提交到后台系统进行分析和处理。

本实用新型中自组网通信技术可以根据场景的复杂程度不同，将数据以直接的或者接力的方式回传到后场指挥平台中，后场指挥平台同蓝牙信号分析器一样采用多通道（信道）处理，可并行接收多个终端发来的数据，并实时的进行处理，在指挥平台中可视化的显示，同时将结果数据上传到云服务器中，用于大数据分析以便得出与火灾相关的结论，解决了现有技术在无3G或4G网络覆盖的环境下无法实现远距离无线通信的问题。

此外，本实用新型中所提出的NB-IOT无线通讯技术，可直接通过运营商网络将数据回传至服务器相较于第四点所说的自组网无线通信技术比较节省时间，故本实用新型采用双网同时工作或切换工作的方式来达到数据稳定回传的目的，保障消防员在火场救援时的各种数据的稳定传输。

以上内容是结合具体的实施例对本实用新型所作的详细说明，不能认定本实用新型具体实施仅限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型保护的范围。

Claims (6)

1.一种可穿戴应急救援智能终端装置，其特征在于：其内部包括：无线收发自组网模组（1）、NB-IOT模块（2）、传感器模组（3）、电池（4）、定位模块（5）、摄像头模组（6）、指示灯（7）、开关按钮（8）以及组合天线（9）；所述无线收发自组网模组（1）包括LORA（1A）模块和主处理器（1B）模块。

2.根据权利要求1所述的一种可穿戴应急救援智能终端装置，其特征在于：所述传感器模组（3）包括陀螺仪（3A）、加速度计（3B）、磁力计（3C）、气压计&温度（3E）以上是组成微惯导传感器&心率&温度用于辅助消防员室的定位，所述传感器模组（3）中还包括心率传感器（3D）和协处理器（3F），其中陀螺仪（3A）与加速度计（3B）获取的数据还用于判断消防员的运动状态，并结合心率传感器（3D）共同用于判断消防员是否处于危险状态，以便保障消防员的生命安全，其中协处理器（3F）主要用于处理传感器模组中各个传感器的数据并将处理后的结果传给主处理器（1B）。

3.根据权利要求2所述的一种可穿戴应急救援智能终端装置，其特征在于：所述定位模块（5）包括：BLEReceive（5A）和北斗羲和（5B）定位方式，其中所述BLEReceive（5A）模块用于扫描火场中的信标信号，通过分析信标信号来判断消防员在火场中所处的位置；其中所述北斗羲和（5B）定位方式是采用北斗羲和定位方式，通过这两种室内定位技术再加上微惯导辅助定位来达到精确定位目的。

4.根据权利要求1所述的一种可穿戴应急救援智能终端装置，其特征在于：所述摄像头模组（6）用于读取附在信标上的荧光二维码来获取火场建筑的3D模型，所述指示灯用不同的颜色表示终端装置处于哪种工作状态，所述组合天线（9）用于LORA和NB-IOT模块无线收发信号增益。

5.根据权利要求4所述的一种可穿戴应急救援智能终端装置，其特征在于：所述信标节点是放置在应急指示灯中，每个信标都通过充电线连接，所述信标节点内部是包括防火防爆冲击涂料（21）、荧光二维码（22）、BLE（23）、电池（4）、电源保护及切换电路（24）；所述信标节点外部涂有防火防爆冲击涂料（21）以提高该信标的耐火极限，所述信标节点表面是附有荧光二维码（22），通过扫描荧光二维码（22）可获取火场的3D模型图，用于快速了解火场环境提高疏散与救援的效率。

6.根据权利要求5所述的一种可穿戴应急救援智能终端装置，其特征在于：所述信标节点中的BLE（23）为低功耗蓝牙，存贮该信标点所在位置信息以及用于可穿戴无感式终端装置基于信标定位功能的实现，所述信标节点中的电池（4）是用于断电时给节点供电保障其运行，所述信标节点中的电源保护及切换电路（24）在电池充电时起到保护作用，同时用于切换信标供电模式。