基于Raspberry Pi的消防员定位系统设计

■ 何 锋

（乌鲁木齐市消防救援支队，新疆 乌鲁木齐 830000）

采取案例分析法，归纳消防员参与大型火场扑救伤亡案情，在查阅文献资料的基础上进一步总结消防员伤亡原因，分析消防员定位系统存在的问题，并结合当前Raspberry Pi的卡片机优势，有针对性地设计Raspberry Pi消防员定位系统所需的模块和实现的功能。

消防员；Raspberry Pi；火灾事故；定位系统

0 引言

消防员在大跨度大空间的灾害现场，因迷失方向而伤亡的案例较多。例如，2010年2月9日，中央电视台新台址的北配楼因违法燃放烟花引发大火，参加救援的消防指战员6人负伤，内攻搜救时1名消防员牺牲；2012年2月1日，苏州工业园区厂房发生火灾，1名消防员在内攻侦察时，因导向绳被倒塌的货物埋住，在复杂的环境中迷失方向英勇牺牲；2013年10月11日，北京石景山区苹果园南路喜隆多商场发生火灾，在处置过程中，2名消防员进入火场侦查，因火势迅速蔓延，建筑突然坍塌，导致2人在火场迷失方向壮烈牺牲。

分析上述案例，可以看出进入火场的消防员除了配备常规个人防护装备，并没有配备内攻定位设备。定位设备既可以充当消防员“搜救眼睛”，避免在浓烟能见度低的环境中重复搜索，又可以充当消防员“自救眼睛”，找到安全出口。本文应用卡片机Raspberry Pi与加速度传感器模块，提出消防员内攻定位系统设计。消防员携带Raspberry Pi定位系统，能即时显示所处位置，并具备实时原路返回导航指示和定时报警功能。

1 当前消防员定位系统存在的问题

1.1 定位精度低

在进入灾害环境作业后遇到意外情况，消防员启动身上的报警装置，外界人员根据发出信号的强弱，搜索被困消防员所在位置，这种定位技术操作简便，但是定位性不强、搜救时间长。2011年，沈阳消防支队分析无线定位技术的方案及其选择原则，探讨手机定位技术的原理、方案及应用后发现，这种定位方式需要每个房间安装屏蔽器。另外，进入室内消防员在搜救、灭火等过程中很容易与手机分离，不一定能准确定位到被困人员。

1.2 环境适应差

对进入楼层的消防员进行定位，主要是在火灾初期和发展阶段，还未大面积燃烧的时候。因此，消防员定位系统要克服烈火、浓烟、高温、噪声、建筑物遮蔽等的影响。目前，在一些消防员定位系统设计中，对定位准确性考虑多，对特殊应用环境考虑少。2013年，云南省消防总队结合惯导技术,设计了可对建筑内消防救援人员位置分布进行实时监控及分析的无线消防定位系统，但是该系统在信号传输过程易受建筑物遮蔽，实际火场应用不便。

1.3 系统造价高

消防员定位系统中，有一种采用预布点的定位技术。该方案需要预先布置感应节点，建立建筑物室内分布图，消防员携带发射芯片进入建筑物内，感应节点接收到芯片发射的无线信号后相互传递，相互协调通信进而准确定位，但造价高。2009年，极频谱公司和摩托罗拉公司开发一套基于超宽带（UWB）无线电人员定位系统，该系统计划耗资约1 000万美金。

2 Raspberry Pi消防员定位系统模块设计

消防火场定位系统设计需要考虑定位精度、环境适应性、系统造价等问题，而本系统利用Raspberry Pi卡片机开源的Linux系统，编写程序方便，市场上售价200元人民币左右，用于消防员建筑物内自助式定位导航，较好地解决了以上问题。图1为Raspberry Pi自助定位系统结构图。

图1 Raspberry Pi自助定位系统组成

2.1 Raspberry Pi模块

Raspberry Pi模块又称为树莓派模块，该模块是整个自助定位系统的核心构件模块，能够执行所编程序代码，驱动加速度传感器模块和报警器模块，输出的信号能直接转化为显示器模块读取。Raspberry Pi中文名叫“树莓派”，虽然只有名片盒子一样大小，但是具备电脑所有基本功能。该产品与其他单片机相比具有两大优势：1）硬件价格便宜，目前在市场上销售的Raspberry Pi主要有两款型号（如图2、3），Raspberry Pi A型只需25美元，Raspberry Pi B型只需35美元；2）采用Linux作为操作系统，该系统具有开放源代码的特点，很容易移植到其他硬件上，使其更方便调试操作。

图2 Raspberry Pi A型

图3 Raspberry Pi B型

2.2 加速度传感器模块

将该模块与Raspberry Pi卡片机相连，可以实时测量出进入室内消防员移动的数据。消防员在建筑物内部搜救灭火过程中，加速度传感器模块显示的加速度、矢量实时变化，通过一定的方法，采用最小二乘法处理数据减少测量误差，建立速度、位移模型。

2.3 显示器模块

显示器模块主要与Raspberry Pi相连，能够显示出系统的界面，如在路径显示模式下，将消防员运动轨迹的坐标数据直观显示在界面上；在返回路径模式下，同样还能显示消防员返回路线的数据。由于Raspberry Pi自助导航系统主要应用于消防员进入的着火建筑物内，因此该显示器模块要考虑防水、耐高温等设计问题。

2.4 报警器模块

由于在火场浓烟高温、视线模糊的环境中，消防员进入后对时间估算不准确易造成进入着火建筑时间长，没有及时听到空气呼吸器的报警阀声音，气瓶空气量少而无法及时返回出口，添加报警器模块可以在有效时间内提醒消防员及时返回。报警器模块通过扩展板与Raspberry Pi主板的GPIO接口相连，设定一个时间间隔进行报警，进而实现在有效时间内提醒消防员及时返回。

2.5 移动电源模块

由于Raspberry Pi自助导航系统是消防员自己携带的，因此要给本系统配备移动电源模块。该模块要能符合Raspberry Pi主板和显示器模块的供电设计需求，满足消防员进入建筑物内侦察搜救所需时间的要求，并且能够具备一定的防水功能，在高温环境下仍然能够持续供电。

3 Raspberry Pi消防员定位系统功能设计

3.1 位置路径显示

设计路径显示功能，是Raspberry Pi自助导航系统最为主要的部分。室内建筑物火灾复杂多变，消防员在其环境中进行侦察搜救时，利用本系统将自己行走的路径实时显示在电子屏上，可以在心理上克服黑暗浓烟带来的恐惧感。

具体设计思路，消防员进入着火建筑物内，自己启动随身携带的Raspberry Pi自助导航系统，加速度传感器模块开始实时收集测量数据，通过扩展板模块将数据实时传输到Raspberry Pi卡片机预先设计的程序上，该程序实时计算出其移动的距离，然后传输到相连的HDMI显示器模块上显示出人员移动移动状态的相关信息。位置路径显示流程如图4所示。

图4 定位路径设计流程

3.2 路径返回指向

设计实时返回路径指示功能，是为进入建筑物内侦察搜救消防人员如遇建筑物坍塌、空气呼吸器报警等突发情况，能够以较快速度及时准确返回到原安全入口的设计。

具体设计思路，在Raspberry Pi自助定位系统中编写一套返回路径模式程序，消防员若想原路返回，点击进入返回路径模式。该模式程序，能读取刚开始启动定位路径模式里存储的三维坐标（x轴、y轴、z轴）数据，同时计算出当前的三维坐标数据与之分析处理，通过显示器模块标出一条返回路线图。该程序模式下实时响应加速度传感器传来的数据，对每次移动过程中都自动计算返回的路径，并在显示器模块标出路线，并设计可视箭头指示返回方向。图5为返回路径模式效果图。

图5 返回路径模式效果

图6 定时报警模式方式

3.3 定时报警提醒

设计的定时报警模式连接方式如图6所示。设计此功能，是为提醒消防员进入室内建筑物内，如遇恶劣环境（浓烟、高温、能见度低、声音嘈杂等）搜索救援时间长，在未听到空气呼吸器气压不足发出的报警声时，消防员能够通过定时报警器提醒功能，及时撤离现场，减少人员伤亡。

具体设计思路，在Raspberry Pi卡片机的通用输出输入接口上，添加声音报警器模块。消防员佩戴空气呼吸器的使用时间与气瓶的压力、气瓶的体积、消防员呼吸速率有关，具体关系如下：t=VP/kv。其中，t表示消防员佩戴作业时的时间；V表示气瓶储存空气的容量；P表示消防员在打开阀门作业时的压力；v表示消防员在内攻搜救过程消耗气瓶气量的速率，；k为常数，通常取0.098。

基层消防救援站常规配备的空气呼吸器的体积是6.8 L，正常操作过程时压力值上限是30 MPa，从而可以推算出一般消防员佩戴空气呼吸器使用的时间为30 min左右。为有效提醒消防员空气呼吸器气压不足，设计的报警程序应在启动后25 min开始发出报警声音，提醒进入室内消防员返回出口。

4 结语

本文提出消防员在楼层平面自助式定位方案，解决了火场信号传输难题。有线或无线网络火场导航，都需要实时信号传输，在实际着火建筑物中高温、火焰可能损坏线路，或者钢筋混泥土墙体屏蔽网络都有可能将火场内信号中断，而本系统为消防员进入火灾现场环境采用自助式定位，因而能避免信号传输不畅、无法定位问题。