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申请/专利权人：西安科技大学;西安捷锐消防科技有限责任公司

摘要：本发明涉及一种火场应急救援定位方法，解决现有消防头盔不具有对火场环境实时监测及消防员定位功能，不能及时有效的保障消防员生命安全的问题。一种火场应急救援消防头盔，包括头盔壳体，以及设置在头盔壳体上的感知装置、定位标签、通信模块、声音传输装置、摄像装置、照明装置；头盔壳体包括外壳体和设置在外壳体内侧的隔热层；感知装置包括无线多参数MEMS传感器探头，用于测量气体数据信息；摄像装置包括红外摄像头与红外热像仪；声音传输装置包括骨传导扬声器和骨传导麦克风；照明装置上设置有烟雾传感器。本发明提供定位系统包括定位基站和上述火场应急救援消防头盔。

主权项：1.一种火场应急救援定位方法，所述火场应急救援定位系统包括定位基站和火场应急救援消防头盔，所述消防头盔将采集信息发送给定位基站，定位基站将采集信息传输至地面设备；所述消防头盔包括头盔壳体1，以及设置在头盔壳体1上的感知装置2、定位标签3、通信模块4、声音传输装置5、摄像装置6、照明装置7；所述头盔壳体1包括外壳体和设置在外壳体内侧的隔热层；所述感知装置2包括无线多参数MEMS传感器探头，用于测量气体数据信息；所述摄像装置6包括红外摄像头与红外热像仪；所述声音传输装置5包括骨传导扬声器和骨传导麦克风；所述照明装置7上设置有烟雾传感器；其特征在于，包括以下步骤：1设定第i个基站为基准基站，获得定位标签和第i个基站的距离Ri，第i个基站与第n个基站的距离Rni，定位标签的坐标为x，y，0，第n个基站的坐标为xn，yn，zn，n＝1、2、3，i＝1、2、3，且i≠n；2通过以下公式得到定位标签的横坐标x和纵坐标y；2Rni×Ri+2xni×x+2yni×y＝mn-mi-Rni2通过计算得到的x、y，从而获取定位标签的坐标x，y，0；其中，mn＝xn2+yn2+zn2，xni为第n个基站与第i个基站的横坐标差值，yni为第n个基站与第i个基站的纵坐标差值；或者，1设定第i个基站为基准基站，获的定位标签和第i个基站的距离Ri，第i个基站与第n个基站的距离Rni，定位标签的坐标为x，y，z，第n个基站的坐标为xn，yn，zn，n＝1、2、3、4……，i＝1、2、3、4……，且i≠n；2通过以下公式得到定位标签的横坐标x和纵坐标y； 通过计算得到的x、y，从而获取定位标签的坐标x，y，z；其中，mn＝xn2+yn2+zn2，xni为第n个基站与第i个基站的横坐标差值，yni为第n个基站与第i个基站的纵坐标差值，zni为第n个基站与第i个基站的纵坐标差值。

全文数据：火场应急救援消防头盔、定位系统及其定位方法技术领域本发明涉及消防设备，具体涉及一种火场应急救援消防头盔、定位系统及其定位方法。背景技术消防灭火救援现场中，消防员的安全问题为消防中的主要问题。因此，在消防抢险过程中，对消防员的人身安全进行保护、对消防装备的升级改造越来越引起人们的关注，所以消防头盔不能仅仅停留在防护层面。随着科学技术的发展，现有的消防头盔弊端逐步映射入消防前线工作者的视线中，传统消防头盔的防护力和适应性已不能适应现代消防工作的要求，传统头盔不具有对火场环境实时监测及消防员定位功能，不能及时有效的保障消防员生命安全；此外，现有的定位系统不能准确的对消防员的位置进行定位，从而使得消防员的人身安全不能进行更加高效的保护。发明内容本发明的目的是解决现有消防头盔和定位系统不具有对火场环境实时监测及消防员定位功能，不能及时有效的保障消防员生命安全的问题，提供一种火场应急救援消防头盔、定位系统及其定位方法。本发明的技术方案是：一种火场应急救援消防头盔，包括头盔壳体，以及设置在头盔壳体上的感知装置、定位标签、通信模块、声音传输装置、摄像装置、照明装置；所述头盔壳体包括外壳体和设置在外壳体内侧的隔热层；所述感知装置包括无线多参数MEMS传感器探头，用于测量气体数据信息；所述摄像装置包括红外摄像头与红外热像仪；所述声音传输装置包括骨传导扬声器和骨传导麦克风；所述照明装置上设置有烟雾传感器。进一步地，所述无线多参数MEMS传感器探头设置在头盔壳体左后端，头盔壳体上设置有安装孔，无线多参数MEMS传感器探头设置在安装孔内，且上面覆盖过滤网。进一步地，所述隔热层为掺入二氧化钛的硅气凝胶。进一步地，所述外壳体采用增强聚酰胺纤维制作并经阻燃处理，所述照明装置采用带有散发橘黄色光的LED灯。进一步地，所述通信模块使用4GMESH网络通讯。进一步地，所述感知装置还包括存储器，其上存储有用于修正采集数据的计算机程序，所述程序被处理器执行时实现以下步骤：1获取修正量；1.1无线多参数MEMS传感器探头采集多组气体数据信息，并对数据进行归一化处理；1.2将归一化数值进行平均，得到平均归一化值的集合An；1.3用集合An对基准点做差得到平均偏差值的集合ΔAn；2无线多参数MEMS传感器探头对气体数据进行实时采集；3对采集的数据进行修正；通过以下公式对采集数据进行修正；VT＝Vc+ΔAn×Vc其中，VT表示修正后的数值，Vc表示实时采集值。进一步地，所述基准点为温度20℃时的测量值。同时，本发明还提供一种火场应急救援定位系统，包括上述任一所述的火场应急救援消防头盔和定位基站，所述消防头盔将采集信息发送给定位基站，定位基站将采集信息传输至地面设备。此外，本发明还提供一种基于上述定位系统的定位方法，包括以下步骤：1设定第i个基站为基准基站，获得定位标签和第i个基站的距离Ri，第i个基站与第n个基站的距离Rni，定位标签的坐标为x，y，0，第n个基站的坐标为xn，yn，zn，n＝1、2、3，i＝1、2、3，且i≠n；2通过以下公式得到定位标签的横坐标x和纵坐标y；2Rni×Ri+2xni×x+2yni×y＝mn-mi-Rni2通过计算得到的x、y，从而获取定位标签的坐标x，y，0；其中，mn＝xn2+yn2+zn2，xni为第n个基站与第i个基站的横坐标差值，yni为第n个基站与第i个基站的纵坐标差值。本发明还提供的另一种基于上述定位系统的定位方法，包括以下步骤：1设定第i个基站为基准基站，获得定位标签和第i个基站的距离Ri，第i个基站与第n个基站的距离Rni，定位标签的坐标为x，y，z，第n个基站的坐标为xn，yn，zn，n＝1、2、3、4……，i＝1、2、3、4……，且i≠n；2通过以下公式得到定位标签的横坐标x和纵坐标y；通过计算得到的x、y，从而获取定位标签的坐标x，y，z；其中，mn＝xn2+yn2+zn2，xni为第n个基站与第i个基站的横坐标差值，yni为第n个基站与第i个基站的纵坐标差值，zni为第n个基站与第i个基站的纵坐标差值。本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：1.本发明提供了一种火场应急救援消防头盔，该消防头盔具有外形美观、结构设计合理、重量轻、防穿刺、耐冲击、防热、防水、防风沙、防腐蚀等优点，并且加入了无线多参数MEMS传感器、红外摄像、定位及其骨传导技术，可对火场信息进行实时监测，并且及时上传给地面指挥中心，确保最大限度的保障消防员及其遇险人员的生命财产安全。2.本发明将多参数传感器集成技术用于火灾现场环境监测传感器，不仅减少了监测传感器携带数量，还减少了成本，携带方便，并且能够及时报警，有效保障消防员生命安全。3.本发明提供一种火场应急救援定位系统和基于该系统的定位方法，从而更好的对消防员的位置进行准确和快速的定位；该定位方法对时间的同步要求大大降低，节省高精度同步时钟成本，定位精度高。4.本发明提供一种基于火场应急救援定位系统的气体数据采集方法，该方法对现场气体数据进行修正，从而获得更加准确的气体数据。附图说明图1是本发明火场应急救援消防头盔结构示意图；图2是对氧气采集数据进行归一化处理后的示意图。图中标记：1-头盔壳体，2-感知装置，3-定位标签，4-通信模块，5-声音传输装置，6-摄像装置，7-照明装置。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述：本发明消防头盔以互联网技术与通信技术为核心，在传统消防头盔上集成多种功能，使消防头盔智能化，实时传输周围环境的信息，消防官兵根据头盔示警信息，判断自身安全情况。如图1所示的火场应急救援消防头盔，用于消防员身上，该消防头盔包括头盔壳体1，以及设置在头盔壳体1上的感知装置2、定位标签3、通信模块4、声音传输装置5、摄像装置6、照明装置7。头盔壳体1包括外壳体和设置在外壳体内侧的隔热层；外壳体采用增强聚酰胺纤维制作并经阻燃处理，隔热层为硅气凝胶，厚度10mm左右，可耐火400℃左右，能够有效隔热，保温，并且防撞击；硅气凝胶纤细的纳米网络结构有效地限制了局域热激发的传播，抗高温性能优良，并且掺入二氧化钛可使硅气凝胶成为新型高温隔热材料。在消防员灭火救援中，为了保障消防员的自身活动不受影响，因此感知装置2使用的是集温度、一氧化碳、甲烷于一体的无线多参数MEMS传感器探头，该探头置于头盔壳体1左后端内壁，并在头盔壳体1内壁出钻一小孔，使其恰好放置无线多参数MEMS传感器探头，且上面覆盖过滤网。将多参数传感器集成技术用于火灾现场环境监测传感器，不仅减少了监测传感器携带数量，还减少了成本，携带方便，并且及时报警，有效保障消防员生命安全。当气体扩散到无线多参数MEMS传感器探头时，其输出端产生电信号输出，提供给报警器中的采样电路，起着将化学能转化为电能的作用，当气体浓度发生变化时，气体传感器的输出电信号也随之发生正比变化，经报警器的中间电路转换放大输出，以驱动不同的装置，完成气体浓度的监测。此无线多参数MEMS传感器相对于其它的传感器优势在于使用方便，体积小，集成在一起，只需要一个进风口即可，便能测量各类危险气体含量，并将数据传输到地面指挥系统。此装置置于头盔内壁，并且在头盔内壁打一个直径2厘米，长度3厘米的过孔，将无线多参数MEMS传感器探头置于里面，进气处覆盖过滤网。摄像装置6选用红外摄像头与红外热像仪相结合，这种摄像应用于消防救援中，夜视效果理想。视频传输摄像头是红外摄像头与红外热像仪相结合，在常规的摄像头中，一旦商场等场所发生火灾，第一时间切断电源，商场内部相对比较黑暗，及时切换摄像头，这时红外摄像头就可以很好的克服这块的不足，能够更清楚的探测到人员情况，性能稳定。将两种摄像头固定在头盔前端，可进行360度旋转。通信模块4通信使用4GMESH网络通讯，视频传送、传感器信息反馈、声音的接收与传输均采用4GMESH网络进行通信。当消防员进入火场时，由无线多参数MEMS传感器检测到温度、一氧化碳、甲烷浓度，并且通过4GMESH传送给外部设备，信号的传输以及音视频的传送均采用4GMESH网络，此种方式传输效率高，性能稳定。在火场救援时，利用骨传导扬声器技术与骨传导麦克风技术相结合的骨传导耳机，在消防救援环境中，场面十分吵闹，使用此耳机，能够在说话声音很小时也能让对方清楚知道表达的指令，避免了现场的干扰。照明装置7采用带有散发橘黄色光的LED灯，在此灯上加入烟雾传感器，通过监测烟雾的浓度来达到灯光的强弱分级自动调节，当检测到烟雾浓度较大时，将信息反馈给主控单元，从而控制LED灯的电流输入，使其灯光强度变强。在火场中，能够在浓烟滚滚的环境下具有较强的穿透能力，体积小，使用方便，环保节能成本适中，照明灯在头盔顶端，亦可以旋转。本发明火场应急救援定位系统包括上述的火场应急救援消防头盔和定位基站，消防头盔将采集信息发送给定位基站，定位基站将采集信息传输至地面设备。定位标签用的是基于UWB-TDOA的设备位置定位方法，置于头盔顶端内部，确定消防员在救援场所的基准位置，通过测量移动终端到不同发送端的时间差从而估计到不同终端的距离之差进而进行定位，在相比较传统的定位方式对同步时钟的要求降低，从而提高定位精度高，传输速率高，实时性好，穿透能力强等优点。前期准备定位基站为了保证定位精度，基站3个以上，1个定位标签3每个消防员身上佩戴一个和移动电源，用TDOA的方式，电源用于给定位基站供电，找一个需要定位的区域安装好定位基站，定位基站安装高度要求不低于3米，然后用移动电源给定位基站供电。电池供电的定位标签3，能够发射UWB信号来确定位置，定位基站通过测量移动终端到不同发送端的时间差从而计算到不同终端的距离之差进而进行定位。定位基站支持POE供电和DC12供电，也可以通过POE交换机直接给基站供电。定位标签3内置振动传感器、纽扣电池可供1年供电，运用基于UWB-TDOA的设备位置定位方法，在消防环境中，相比较其他定位而言，定位精度高，可靠安全性高。本发明定位标签和定位基站可采用以下定位方法进行定位，当基站数量为3个时，设带定位点的坐标为x，y，0，即位于地面二维定位情况。发送端的位置为xn，yn，zn，n＝1,2,3…,n为发送端基站数量，若以第1个信号作为基准信号，第n个信号与第1个信号的时间差为tn1，则第n个定位基站与第1个定位基站到定位点的传输距离差为Rn1＝Rn-R1，n＝1,2,3…,利用传输距离差可以求得定位点的坐标x，y，R1为第一个基站与待定位的距离，通过测量不同发射端脉冲信号发生器发射的无线电信号到达定位标签接收器的脉冲时间差，通过计算得出距离差，第n个基站到定位点的距离为Rn2＝Rn1+R12＝Rn12+2Rn1R1+R12x-xn2+y-yn2+zn2＝Rn12+2Rn1R1+R12将代入上式，设mn＝xn2+yn2+zn2mi＝xi2+yi2+zi2xni＝xn-xixni为两个基站横坐标之差yni＝yn-yiyni为两个基站纵坐标之差可得：m1＝x12+y12+z12x2-2x×xn+xn2+y2-2y×yn+yn2+zn2＝Rn12+2×Rn1×R1+x-x12+y-y12+z12x2-2x×xn+xn2+y2-2y×yn+yn2+zn2＝Rn12+2×Rn1×R1+x2-2x×x1+x12+y2-2y×y1+y12+z12移项合并同类项可得：2Rn1×R1+2xn1×x+2yn1×y＝mn-m1-Rn12移项合并同类项可得：2Rni×Ri+2xni×x+2yni×y＝mn-mi-Rni2当发送端基站数量为3个时，分别令n＝2、n＝3时，得出方程组：其中，利用上式可求出x，y，则能得到待定位的位置坐标。综上所述，本发明提供的火场应急救援定位系统的无线定位方法，包括以下步骤：1设定第i个基站为基准基站，获定位标签和第i个基站的距离Ri，第i个基站与第n个基站的距离Rni，定位标签的坐标为x，y，0，第n个基站的位置为xn，yn，zn，n＝1、2、3，i＝1、2、3，且i≠n；2通过以下公式得到定位标签的横坐标x和纵坐标y；2Rni×Ri+2xni×x+2yni×y＝mn-mi-Rni2通过计算得到的x、y，从而获取定位标签的坐标x，y，0；其中，mn＝xn2+yn2+zn2，xni为第n个基站与第i个基站的横坐标差值，yni为第n个基站与第i个基站的纵坐标差值。此外，本发明定位标签和定位基站还可采用以下定位方法进行定位，当基站数量为4个以上时，设带定位点的坐标为x，y，z，即三维定位情况。发送端的位置为xn，yn，zn，n＝1,2,3…,n为发送端基站数量，若以第1个信号作为基准信号，第n个信号与第1个信号的时间差为tn1，则第n个发射端与第1个发射端到定位点的传输距离差为Rn1＝Rn-R1，n＝1,2,3…,利用传输距离差可以求得定位点的坐标x，y，R1为第一个基站与待定位的距离，第n个基站到定位点的距离为Rn2＝Rn1+R12＝Rn12+2Rn1R1+R12x-xn2+y-yn2+z-zn2＝Rn12+2Rn1R1+R12将代入上式，设mn＝xn2+yn2+zn2,mi＝xi2+yi2+zi2xni＝xn-xixni为两个基站横坐标之差yni＝yn-yiyni为两个基站纵坐标之差zni＝zn-ziyni为两个基站z坐标之差可得mn＝xn2+yn2+zn2，x2-2x×xn+xn2+y2-2y×yn+yn2+z2-2z×zn+zn2＝Rn12+2×Rn1×R1+x-x12+y-y12+z-z12x2-2x×xn+xn2+y2-2y×yn+yn2+z2-2z×zn+zn2＝Rn12+2×Rn1×R1+x2-2x×x1+x12+y2-2y×y1+y12+z2-2z×z1+z12移项合并同类项可得：2Rn1×R1+2xn1×x+2yn1×y+2zn1×z＝mn-m1-Rn12即为：当发送端基站数量为4个时，分别令n＝2、n＝3、n＝4时，得出方程组：其中利用上式可求出x，y，z，则能得到待定位的位置坐标。当发送端基站数量为n个时，以第i个信号为基准信号，可以得到通式为：综上所述，当发送端基站数量为至少为4个时，一种火场应急救援定位系统的无线定位方法，包括以下步骤：1设定第i个基站为基准基站，获定位标签和第i个基站的距离Ri，第i个基站与第n个基站的距离Rni，定位标签的坐标为x，y，z，第n个基站的位置为xn，yn，zn，n＝1、2、3、4……，i＝1、2、3、4……，且i≠n；2通过以下公式得到定位标签的横坐标x和纵坐标y；通过计算得到的x、y，从而获取定位标签的坐标x，y，z；其中，mn＝xn2+yn2+zn2，xni为第n个基站与第i个基站的横坐标差值，yni为第n个基站与第i个基站的纵坐标差值，zni为第n个基站与第i个基站的纵坐标差值。本发明提供的定位方法的对时间的同步要求大大降低，节省高精度同步时钟成本，定位精度高。本发明消防头盔的感知装置还包括修正模块，修正模块对采集到的气体进行修正。电化学传感器属于微弱信号采集，信号很容易受到外界的干扰；因此，采集到的原始数据需要进行数据滤波处理，滤除无用的干扰数据。常用的滤波算法有限幅滤波法、中位值滤波法、算术平均滤波法、递推平均滤波法、一阶滞后滤波法等。本文主要使用中值滤波结合均值滤波的综合滤波方法，即采集n个原始数据组成集合Sm，对其进行从大到小排序得到新的集合Tn，然后根据实际情况去掉集合Tn头尾的m个元素，最后求集合中剩下元素的平均值，即此方法既能抑制随机干扰，又能滤除明显的脉冲干扰，输出数据更为平滑。采集节点中一氧化碳、氧气传感器都为电化学传感器，其特性会随温度的变化而变化；采集到的原始数据必须经过温度曲线修正的过程后才能被使用。基准温度20℃氧气所得到的值与标气浓度值对比，两者都有明显的差异，这个差异来至传感器批次之间的特性差异或者是过度校零的结果。例如，氧气基准差如表1所示。首先对实验数据进行归一化处理，以20℃时的测量值为基准点，氧气归一化曲线图如图2所示。从归一化曲线图中不难看出，氧气在高低温实验中对各个浓度标气的测量值随温度的变化趋势是一致的，此变化趋势即是传感器对应温度变化的规律，要得到温度修正拟合曲线，首先将归一化值做算术平均，得到平均归一化值的集合An,在用此集合对基准点做差得到平均偏差值的集合ΔAn；平均偏差就是传感器值对应温度的修正量，用公式表示为：VT＝Vc+ΔAn×Vc4式中，VT表示真值，Vc表示实时测量值。表1氧气数据采集值表2氧气温度修正实验读数从表中数据可以明显看出温度修正曲线对测量值的修正，氧气测量值的最大波动量从2％降低到0.5％。证明本文使用的温度修正方法是具有普遍适用性的，能有效的遏制温度对传感器产生的影响。

权利要求：1.一种火场应急救援消防头盔，其特征在于：包括头盔壳体1，以及设置在头盔壳体1上的感知装置2、定位标签3、通信模块4、声音传输装置5、摄像装置6、照明装置7；所述头盔壳体1包括外壳体和设置在外壳体内侧的隔热层；所述感知装置2包括无线多参数MEMS传感器探头，用于测量气体数据信息；所述摄像装置6包括红外摄像头与红外热像仪；所述声音传输装置5包括骨传导扬声器和骨传导麦克风；所述照明装置7上设置有烟雾传感器。2.根据权利要求1所述的火场应急救援消防头盔，其特征在于：所述隔热层为掺入二氧化钛的硅气凝胶。3.根据权利要求2所述的火场应急救援消防头盔，其特征在于：所述无线多参数MEMS传感器探头设置在头盔壳体1左后端，所述头盔壳体1上设置有安装孔，无线多参数MEMS传感器探头设置在安装孔内，且覆盖过滤网。4.根据权利要求3所述的火场应急救援消防头盔，其特征在于：所述外壳体采用增强聚酰胺纤维制作并经阻燃处理，所述照明装置7采用带有散发橘黄色光的LED灯。5.根据权利要求1或2或3所述的火场应急救援消防头盔，其特征在于：所述通信模块4采用4GMESH网络通讯。6.根据权利要求5所述的火场应急救援消防头盔，其特征在于：所述感知装置2还包括存储器，其上存储有用于修正采集数据的计算机程序，所述程序被处理器执行时实现以下步骤：1获取修正量；1.1无线多参数MEMS传感器探头采集多组气体数据信息，并对数据进行归一化处理；1.2将归一化数值进行平均，得到平均归一化值的集合An；1.3用集合An对基准点做差得到平均偏差值的集合ΔAn；2无线多参数MEMS传感器探头对气体数据进行实时采集；3对采集的数据进行修正；通过以下公式对采集数据进行修正；VT＝Vc+ΔAn×Vc其中，VT表示修正后的数值，Vc表示实时采集值。7.根据权利要求6所述的火场应急救援消防头盔，其特征在于：所述基准点为温度20℃时的测量值。8.一种火场应急救援定位系统，其特征在于：包括定位基站和权利要求1至7任一所述的火场应急救援消防头盔，所述消防头盔将采集信息发送给定位基站，定位基站将采集信息传输至地面设备。9.一种基于权利要求8所述火场应急救援定位系统的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：1设定第i个基站为基准基站，获得定位标签和第i个基站的距离Ri，第i个基站与第n个基站的距离Rni，定位标签的坐标为x，y，0，第n个基站的坐标为xn，yn，zn，n＝1、2、3，i＝1、2、3，且i≠n；2通过以下公式得到定位标签的横坐标x和纵坐标y；2Rni×Ri+2xni×x+2yni×y＝mn-mi-Rni2通过计算得到的x、y，从而获取定位标签的坐标x，y，0；其中，mn＝xn2+yn2+zn2，xni为第n个基站与第i个基站的横坐标差值，yni为第n个基站与第i个基站的纵坐标差值。10.一种基于权利要求8所述火场应急救援定位系统的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：1设定第i个基站为基准基站，获的定位标签和第i个基站的距离Ri，第i个基站与第n个基站的距离Rni，定位标签的坐标为x，y，z，第n个基站的坐标为xn，yn，zn，n＝1、2、3、4……，i＝1、2、3、4……，且i≠n；2通过以下公式得到定位标签的横坐标x和纵坐标y；通过计算得到的x、y，从而获取定位标签的坐标x，y，z；其中，mn＝xn2+yn2+zn2，xni为第n个基站与第i个基站的横坐标差值，yni为第n个基站与第i个基站的纵坐标差值，zni为第n个基站与第i个基站的纵坐标差值。

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