0 引言

　　当消防员采用内攻战术时,常常需要进入火灾现场、危化品处置现场以及危险的狭小空间等区域，由于身着各种防护服，行动笨重缓慢，仅靠感官无法及时有效地发现各种潜在的危险。另外常规的无线通信方式仅靠前后方对话获取有效信息，需要消防员边作业边利用对讲机汇报各种信息，后方指挥员获取信息的手段单一，效率低下，一旦中断则彻底失去联系，后方指挥员无法及时有效地获取内攻消防员的个人信息和场景信息，特别是在消防员被困或者迷路的情况下，无法第一时间展开施救，因施救不及时而造成消防员牺牲惨剧时有发生。

　　随着可穿戴技术的发展，可穿戴设备采集消防员的生命体征信息、灾害现场温度和毒气浓度等各种参数并传输到后方，提高系统的集成度和便携性，保障消防员人身安全，是消防员个人防护设备的重要发展方向。

1 系统设计

　　由于3G公网覆盖范围非常广泛，在建筑物内部、地下空间、隧道等场所都能实现信号的覆盖，而且带宽大，利用3G公网实现信息传输不仅能够满足现场信息测量传输的需求，而且为单兵图像传输开辟传输通道，有利于集成单兵头盔式摄像头，采集现场图像信息。根据灾害现场救援的需求，结合实际情况，设计系统框图如图1所示。

　　单兵终端包括可佩戴式感知终端和通信终端， 可佩戴式感知终端有脉搏感知终端、温度测量终端、毒气(CO，H2S)浓度测量终端，通信终端蓝牙无线互联感知终端，接收各种现场参数信息，并把所测数据通过3G传输到现场后方。支队数据服务器工作于消防指挥调度内网，通过网关和防火墙与3G公网互联，用于缓存现场单兵的各种场景参数， 也可在指挥中心大屏幕上显示参战消防员的各种信息，用于远程指挥。显示与指挥平台包括车载式移动指挥平台和手持式移动指挥平台，集中显示每个单兵终端采集到的场景参数信息。人机交互为现场指挥员提供决策，并与支队数据服务器互联互通。

2 脉搏感知模块设计

　　系统采用NeuroSky的BMD101生物信号检测和处理设备，传感器部分主要由LED光源和光敏器件组成，LED光源发出绿色波长的光波，光敏器件可以接收手腕皮肤反射光感测光场强度的变化。后端处理电路包括低噪音一级放大电路、二级放大电路、调零电路器和16位精度的ADC模数转换，增益可控，内置DSP处理模块， 能够通过蓝牙传输的方式将生命体征信息传输到通信终端，开机即自动搜索并建立传输链路。通信终端再经过3G网络将该生理指标传输到后方指挥平台，一旦出现异常，后方指挥员据此可及时展开营救。

　　CC2540内置51单片机内核，能够实现对数据的初步处理。 第一步:以1000个数据信息为一个处理周期，对这1000个值取平均值，滤波，并降低数据的更新次数，因为系统对数据的更新频率要求不高，0.5～1次/秒即可；第二步:据信息进行判断，如果信号不属于正确佩戴脉搏传感器范围，则抛弃这段数据不处理，反之推送到蓝牙模块的缓冲区传输到通信终端。通信终端设置报警门限40次/min，一旦低于该值，则报警。数据处理流程如图3所示。

3 毒气浓度感知模块设计

　　灾害现场特别是火灾现场保温板、塑料等化学物质的燃烧会产生多种有毒气体，其中H2S和CO最常见，危害也大。因此本系统测量现场毒气主要是指H2S和CO两种气体，选用电化学H2S和CO气体传感器，即通过化学反应来检测电解液载流子的变化对外部电流的影响，传感器输出为电流信号，线形好，体积小，可干电池供电。

　　以MSP430单片机为控制核心设计了毒气浓度的测量装置，主要包括传感器、放大电路、滤波器和处理核心MSP430F2249以及蓝牙传输模块CC2540，MSP430F2249是MSP430系列单片机之一，内置16位AD转换模块和两个定时器，主要完成数据的AD采样、单片机内部的初始化和传输模块CC2540寄存器的设置以及发射、接收数据的读写操作[4]，测量原理如图4所示。

　　第一级放大电路采用AD620放大器，传感器测得的电流信号转化为电压信号后放大10~1 000倍，根据实际情况调整合适的放大倍数后经过电容C6实现直流分量和交流分量的分离。交流分支进入二级放大机构进行再次放大，而直流分量直接进入MSP430F2249的AD采样模块AD0， 用于测量环境中毒气浓度的平均值，模拟信号通过经过OP07放大滤波后进入单片机AD转换器的AD1，用于测量环境中毒气浓度的波动值，最后实测值为两者之间的叠加。最后将叠加值传输到蓝牙模块，再经过改模块输出的通信终端。H2S和CO两种气体传感器的检测处理电路完全一致，如图5所示。

4 软件设计

　　软件主要包括通信终端和移动指挥平台的设计，通信终端依托消防员配备的防爆手机（Android平台)，主要完成现场各种参数的接收，打包后以3G通信的方式发送到后方指挥中心，后方指挥中心缓存后再以3G无线通信的形式发送到前沿指挥员的移动指挥平台， 移动指挥平台采用防爆处理并加固后的平板电脑，7～8寸， Android系统，主要完成对各种参数的显示，判断并初步告警，辅助指挥员采取相关措施。两者都在Android应用的专业开发环境Eclipse基础上使用java语言进行界面和数据传输、处理的开发，程序流程图如图6所示。

　　通信终端和移动终端的定时器为1 000 ms，即数据以1次/秒的频率进行更新，再加上传输链路上不确定的传输延迟，这样的速度也能够保证后方指挥员能够及时获取内攻消防员的生命体征和现场情况，且有利于降低链路的通信负荷。由于现场背景非常嘈杂，一旦超过阈值，通信终端以震动的方式通知消防员， 而移动终端则发出特定声音或以特定频率闪烁来提醒指挥员。

　　无论是通信终端还是移动终端，数据的操作(包括发送和接收)都是非常耗时的过程，为了保证用户体验，在编程的过程中必须开辟单独的接收和发送数据线程，接收数据线程的部分代码为：

　　public void run()

　　{ Log.i(TAG， "BEGIN mConnectedThread");

　　byte[] buffer = new byte[1024];

　　int bytes;

　　while (true) //监听InputStream连接

　　{try{

　　bytes=mmInStream.read(buffer);//读取输入流

　　mHandler.obtainMessage(BluetoothChat.MESSAGE_

　　READ，bytes，-1，buffer).sendToTarget();}

　　//发送获得的字节的用户界面

　　catch (IOException e)

　　{Log.e(TAG， "disconnected"， e); break;}}}

　　发送数据线程的部分代码为:

　　public void write(byte[] buffer)

　　{try {

　　mmOutStream.write(buffer); //写入输出流

　　mHandler.obtainMessage(BluetoothChat.MESSAGE_

　　WRITE， -1，  -1，buffer).sendToTarget();}

　　//更新用户界面

　　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的实例化对象，它们通过调用Socket模型中read()和write()方法，实现数据的读写。

5 结论

　　系统中毒气浓度测量器固定在消防员佩戴的正压式呼吸器的末端，裸露外表并防爆处理，附带测量环境温度，脉搏测量采用腕表式设计，系统开机后自动扫描并建立传输链路，消防员本身除了打开系统外，无需其它操作。整个系统能够将现场各种场景参数实时传输到后方指挥中心和前沿指挥员，辅助指挥决策，提高指挥自动化水平。未来可使通信终端开启WIFI模式，为头盔式摄像设备开辟无线传输通道，能够将现场视频信息及时传输到指挥中心或者指挥车，信息将更加丰富，集成度也会更高。

　　参考文献

　　[1] 董钟骏，李俊兰，万泽君，等.一种井场H2S检测系统的设计[J]．传感器与微系统，2012，31(10)：119-124．

　　[2] 赵文丽.便携式生命体征动态监测仪设计[J].电子设计工程，2015，23(2)：130-133.

　　[3] 朱宇，齐乐.基于智能手机的Holter系统[J].电子设计工程，2015，23(2)：57-59.

　　[4] 邹辉林.脉搏信号远程自动监控器系统原型研究[D].广州：华南理工大学，2011.

　　[5] 邓玉娇，魏超.矿用一氧化碳传感器的设计[J].软件，2011，32(2)：88-92.

　　[6] 赵大力，刘天庆，徐洁，等.用一氧化碳报警器实现火灾预报及救援指导[J].传感器世界，2012（07）：101-104.

　　[7] 苑宇坤，谭秋林，杨明亮，等.危化品运输跟踪监测系统上位机的设计与实现[J].计算机测量与控制，2015，2（4）：99-102.