消防员应急救援智能安全防护穿戴装备
技术领域
本实用新型涉及灾害事故应急救援现场消防安全装备的设计，特别是涉及一种消防员应急救援智能安全防护穿戴装备，具体地说智能安全防护穿戴装备是一种集成式数字化便携单兵装备。
背景技术
目前消防员在复杂火灾、爆炸事故现场开展灭火救援过程中，主要通过手持式红外热像仪或集成在头盔上的独立式红外热像仪开展火场侦察，往往由于操作不便影响消防救援操作或结构笨拙在复杂火场环境应用困难而难以在消防部队得到广泛应用。而且在火场环境中，高温及浓烟等因素也会对消防员开展人员搜救产生影响，目前消防部队使用的热像仪很难在高温、浓烟环境中分辨待救人员及火场环境。此外，消防员在灭火救援过程中，要承受巨大的心理和生理压力，及时了解和掌握消防员在火场环境中的心理和生理变化，对保障消防员安全健康，开展科学救援指挥，具有十分重要的意义。目前消防员智能装备多采用手环等民用技术产品，作为消防员生理监测设备主要监测消防员的心率、脉博等信息，由于消防救援操作过程中，手环往往会影响消防员操作，并且存在监测数据不准确等问题。
发明内容
鉴于上述现有技术状况及存在的问题和缺陷，本实用新型提供一种消防员应急救援智能安全防护穿戴装备。采取该装备可在灾害事故应急救援现场，为消防员提供事故现场实时风险智能感知、综合信息通讯处理和超视距可视化多功能显示的智能穿戴设备与综合信息管理系统，可对消防员应急处置现场的可燃、有毒有害气体进行探测，快速预测事故现场窒息、爆炸、中毒事故风险，进行风险预警提示，并具备与指挥中心、协同救援人员进行实时同步点对点或多人同时通讯功能，以及消防员生理状态信息实时监测等功能。
本实用新型采取的技术方案是：一种消防员应急救援智能安全防护穿戴装备，其特征在于，所述智能安全防护穿戴装备包括消防AR智能头盔和多功能消防员战术背心；所述的消防AR智能头盔的结构组件包括自动升降的AR显示模组子系统，自动升降的AR显示模组子系统由固定在头盔外壳上的AR显示镜升降按键、步进电机、AR显示模组、霍尔开关组件组成，其中AR显示模组为双目阵列光波导显示模组，AR显示模组上固定有磁铁，磁铁与霍尔开关组件的位置相对应；其中步进电机和齿轮相连，齿轮和齿条啮合，齿条与AR显示模组固定在一起，所述的消防AR智能头盔还包括固定在头盔外壳上的有害气体检测模块、由热成像模组和可见光摄像头组成的热成像与可见光摄像模块及脑波采集装置。
本实用新型所述的消防AR智能头盔还包括AR智能系统组件，所述的热成像模组、可见光摄像头、有害气体检测模块、脑波信息采集装置均为AR智能系统组件，AR智能系统组件还包括自组网通信模块、显示驱动板、锂电池及核心板其中的显示驱动板连接所述的双目阵列光波导显示模组，核心板无线连接多功能消防员战术背心及应急救援综合信息管理系统。
本实用新型所述的多功能消防员战术背心在夹层内固定盘绕有柔性硅胶散热管，柔性硅胶散热管与多功能消防员战术背心下端功能口袋内的恒温调节器连接，用于穿着后保持恒温自动调节，多功能消防员战术背心领口帖敷柔性生理信息探测片，用以监测消防员生理指标，柔性生理信息探测片与柔性硅胶散热管无线连接，多功能消防员战术背心中部安装有散热风扇，下部安装有微型热泵和智能装备备用电源，散热风扇和微型热泵分别与柔性硅胶散热管连接，多功能消防员战术背心领口安装有智能定位装置，智能装备备用电源与恒温调节器、散热风扇、微型热泵及智能定位装置相连接。
本实用新型所述的核心板由ARM主处理器构成，其中ARM主处理器通过高速USB2.0接口连接脑波采集装置，通过通用异步收发传输器接口连接有害气体检测模块，通过安全数字输入输出接口连接Wi-Fi，通过通用异步收发传输器接口连接蓝牙，同时通过高速USB2.0接口连接自组网通信模块，通过内存控制器分别连接只读存储器和随机存储器，通过高速USB2.0接口连接协处理器AI芯片，协处理器AI芯片通过并行接口连接热成像模组，通过移动产业处理器接口连接可见光摄像头，ARM主处理器通过通用输入输出接口连接消防AR智能头盔上设有的多种传感器，同时通过通用输入输出接口连接AR显示镜升降按键，通过数字麦克接口连接消防AR智能头盔上设有的麦克风，通过充电控制器连接锂电池，通过显示控制器接口连接显示驱动板，通过脉冲编码调制接口连接音频/喇叭，显示驱动板连接双目阵列光波导显示模组的左显示屏及右显示屏，锂电池连接步进电机，步进电机分别连接齿轮齿条和霍尔开关组件，齿轮齿条分别连接左显示屏及右显示屏。
本实用新型的有益效果是：采用激光/红外光谱或电化学的气体浓度探测器、热成像、生命体征监测、北斗定位、头戴式AR（Argument Reality，增强现实）AR显示模组以及无线组网、多信息实时通讯传输技术、脑波信息监测技术、生命体征监测技术，并集成应用于消防AR智能头盔和多功能消防员战术背心中，为消防员在火灾事故救援以及综合应急救援现场中，对灾害事故现场的环境温度，环境位置信息，现场窒息、爆炸、中毒事故风险、人员搜救等信息进行智能感知与判断，为消防员在进入未知灾害事故现场之前，对其中火灾危险性以及发生窒息、爆炸、中毒事故的风险进行充分的感知，也可同时监测消防员心理、生理等生命体征信息，为事故现场救援指挥提供现场实时信息和救援指挥决策依据。
其中消防AR智能头盔满足GA44相关要求，具备与灭火救援现场消防指挥车的互联互通，为消防员提供现场消防指挥指令，救援现场环境地理信息、建筑BIM信息和室内导航，同时可根据对事故现场环境温度、周边有毒易燃易爆气体浓度分布的测量与分析，通过热成像模块采集事故现场图像，并实时对图像进行分析判断并呈现在头戴式AR显示模组的虚拟屏幕上，为消防员提供事故现场发生火灾、窒息、爆炸、中毒事故风险的早期预测预警，并辅助消防员在浓烟等低可见度环境中搜寻待救人员，从而为消防员开展安全科学有效施救提供多信息数据支持和安全保障。智能消防头盔中设置的脑波信息监测模块实时跟踪消防员在火场灭火救援过程中的心理波动变化，为指挥中心判断现场救援状况，开展科学指挥决策提供支撑。
多功能消防员战术背心集成消防员心率与体温监测模块、定位装置、恒温控制装置，以及应急电源、多功能模块插口，可实现对消防员实时心率、体温等生理指标进行监测，同时可对消防员位置进行精准定位，为消防员提供恒定体温控制、智能装备电源供应以及附加功能模块接入。
附图说明
图1是本实用新型智能安全防护穿戴装备与系统工作流程图；
图2是本实用新型基于温度阈值的红外热成像识别算法示意图；
图3是本实用新型的消防AR智能头盔结构示意图；
图4是本实用新型消防AR智能头盔的消防AR智能系统组件组成框图；
图5是图4中核心板硬件框架图；
图6是本实用新型的多功能消防员战术背心构成图；
图7是图6中各部件的电路连接关系示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步说明。
如图1、图2所示，热成像模组是基于消防AR智能头盔的热成像图像识别子系统，是以数字化、网络化视频监控为基础，基于计算机视觉技术、红外热成像识别算法对消防场景的热成像视频帧图像提取关键信息并进行分析和预警的方法，该子系统能对热成像视频帧图像中的目标进行自动监测，识别，跟踪和分析，并通过在AI芯片上实时运行的红外热成像识别算法进行自动筛选，过滤掉干扰消防员的热成像视频监控对象，通过分析、理解视频画面中的内容，为消防员提供对救援有用的关键信息，从而更有效的提高救援和灭火效率。基于消防AR智能头盔的热成像图像识别子系统主要具备环境探测预警，救援探测识别、红外热成像AR图像增强，目标的锁定与跟踪功能。
如图3所示，消防AR智能头盔的结构组件包括自动升降的AR显示模组子系统，自动升降的AR显示模组子系统由固定在头盔外壳2上的AR显示镜升降按键1、步进电机4、AR显示模组8、霍尔开关组件10组成，其中AR显示模组8为双目阵列光波导显示模组，AR显示模组8上固定有磁铁9，磁铁9与霍尔开关组件10的位置相对应；其中步进电机4和齿轮5相连，齿轮5和齿条6啮合，齿条6与AR显示模组8固定在一起，消防AR智能头盔还包括固定在头盔外壳2上的有害气体检测模块3、由热成像模组和可见光摄像头组成的热成像与可见光摄像模块7及脑波采集装置11。
如图4所示，消防AR智能头盔还包括AR智能系统组件，热成像模组、可见光摄像头、有害气体检测模块、脑波信息采集装置均为AR智能系统组件，AR智能系统组件还包括自组网通信模块、显示驱动板、锂电池及核心板，其中的显示驱动板连接双目阵列光波导显示模组，核心板无线连接多功能消防员战术背心及应急救援综合信息管理系统。
如图5所示，核心板主要由ARM主处理器构成，其中ARM主处理器通过高速USB2.0接口连接脑波采集装置，通过通用异步收发传输器接口连接有害气体检测模块，通过安全数字输入输出接口连接Wi-Fi，通过通用异步收发传输器接口连接蓝牙，同时通过高速USB2.0接口连接自组网通信模块，通过内存控制器分别连接只读存储器和随机存储器，通过高速USB2.0接口连接协处理器AI芯片，协处理器AI芯片通过并行接口连接热成像模组，通过移动产业处理器接口连接可见光摄像头，ARM主处理器通过通用输入输出接口连接消防AR智能头盔上设有的多种传感器，同时通过通用输入输出接口连接AR显示镜升降按键，通过数字麦克接口连接消防AR智能头盔上设有的麦克风，通过充电控制器连接锂电池，通过显示控制器接口连接显示驱动板，通过脉冲编码调制接口连接音频/喇叭，显示驱动板连接双目阵列光波导显示模组的左显示屏及右显示屏，锂电池连接步进电机，步进电机分别连接齿轮齿条和霍尔开关组件，齿轮齿条分别连接左显示屏及右显示屏。
协处理器AI芯片为基于深度学习架构的人工智能芯片，核心板处理器采用基于ARM或x86架构的主处理器。
如图6和图7所示，多功能消防员战术背心在夹层内固定盘绕有柔性硅胶散热管13，柔性硅胶散热管13与多功能消防员战术背心下端功能口袋14内的恒温调节器15连接，用于穿着后保持恒温自动调节，多功能消防员战术背心领口帖敷柔性生理信息探测片12，用以监测消防员生理指标，柔性生理信息探测片12与柔性硅胶散热管13无线连接，多功能消防员战术背心中部安装有散热风扇16，下部安装有微型热泵17和智能装备备用电源18，散热风扇16和微型热泵17分别与柔性硅胶散热管13连接，多功能消防员战术背心领口安装有智能定位装置19，智能装备备用电源18与恒温调节器15、散热风扇16、微型热泵17及智能定位装置19相连接。
多功能消防员战术背心主要穿着在灭火战斗服、防化服等消防服内，其内层采用纳米石墨烯复合织物，外层采用过胶尼龙的混纺功能性面料，夹层固定盘绕柔性硅胶散热管，散热管与背心下端功能袋内的多功能恒温调节装置连接，可实现消防员穿着后保持恒温自动调节。多功能背心领口帖敷柔性生理信息探测片，用以监测消防员心率、脉搏、体温等生理指标。此外，战术背心的功能口袋中还可配装应急便携呼吸面罩，供被救援人员应急逃生使用。
本实用新型的设计原理：如图3、图5所示，磁铁固定在AR显示模组上，其他所有部件都固定在AR智能头盔外壳，升降按键、步进电机和AR显示模组通过柔性电路板（FlexiblePrinted Circuit，FPC）与核心板相连，核心板通过柔性电路板对AR显示模组供电和提供显示内容的数据，核心板通过柔性电路板对霍尔开关组件提供供电和控制信号通信，核心板通过柔性电路板对步进电机进行供电和控制；在头盔外侧设计一个升降按键，升降按键通过柔性电路板与核心板相连，升降按键通过柔性电路板传输控制信号到核心板；步进电机也通过柔性电路板与核心板相连，核心板通过柔性电路板控制步进电机转动，步进电机和齿轮相连，齿轮和齿条啮合，齿条和AR显示模组固定在一起。霍尔开关组件通过柔性电路板与核心板相连，在AR显示模组隐藏在头盔内部的时候，AR显示模组上安装的一个磁铁与霍尔开关IC面对面固定。当消防AR智能头盔未工作时，AR显示模组隐藏在头盔内部。当消防员使用消防AR智能头盔的时候，按一下升降按键，升降按键传输控制信号给核心板，核心板根据升降按键的信号驱动步进电机工作，然后步进电机转动带动齿轮旋转，由于齿轮和齿条啮合，齿条就向下运动并带动AR显示模组向下移动出头盔外壳，待AR显示模组移动出头盔外壳后，由于AR显示模组上的磁铁移动，霍尔开关IC检测没有磁场，因此传输控制信号给核心板，核心板开始驱动热成像模组和AR显示模组工作，AR显示模组自动显示热成像模组的图像并进行物体识别等操作。如果工作完毕，消防员只要再按一下升降按键，升降按键给核心板传输控制信号，核心板将控制步进电机逆向转动，带动齿轮相应转动，齿条带动AR显示模组向上移动进入头盔内部直到AR显示模组完全进入头盔内部，待磁铁恢复到霍尔开关IC正对面，霍尔开关检测到磁场，然后霍尔开关传输控制信号给核心板，核心板停止给AR显示模组供电和传输数据信号。
基于消防AR智能头盔的热成像模组利用在AI芯片上实时运行的红外热成像识别算法对消防场景的热成像视频帧图像提取关键信息并进行分析和预警。首先，对热成像图像进行采集，热成像模组获取红外热成像图像，采用红外热成像识别算法对热成像图像进行处理，即根据收集到的红外热成像图像提取温度区域中包含的人员、物体或环境识别像素点，在对应温度区域内寻找颜色信息，判断当前属于哪个区域，当检测温度阈值小于T0时，系统判断为安全区域，用绿色线条显示在AR显示模组的虚拟屏幕上，当检测温度阈值小于T1，大于T0时，系统判断为危险区域，用橙色线条显示；当检测温度阈值大于T1，系统判断为高危区域，用红色线条显示；根据显示的区域进行不同级别的报警。
通过红外热成像识别算法处理掉暗区背景点和热噪声像素点后，进一步在红外热成像视频每帧逐行逐列搜索亮区像素，如果找到，就从该像素点开始进行红外热成像识别算法；运用红外热成像算法，通过对运动目标的红外热成像图像分析确定运动目标轮廓，将处理后的运动目标视频图像按帧幅分割成多个独立亮色区域；根据不同区域的温度检测分割出的不同区域，在图像中、高、低温分界区域用不同颜色区分并高亮显示出，并在不同区域内显示具体温度值。
独立亮区域可能由几种因素形成：一是大尺寸热源干扰（木制结构高温起火点）；二是其他运动目标（运动的物体）；三是行人（包括救援人员，幸存者等）。根据这些独立亮区域的形状及面积特征可将行人筛选出来。
根据独立亮区的形状及面积特征将人体形状从运动目标看筛选出来，采用面积筛选和人形高/宽比的筛选算法，当摄像机焦距和行人物距范围大体确定时，人体在视频帧幅中成像面积也在一定范围内，且人体图像高/宽比介于一定值之间（这些阈值可以在具体的场景中通过实验测到），则通过这些特征从独立亮区域中将烟雾中的人员或者幸存者筛选出来（如图2所示），进而获得搜救人员位置的扫描探测信息。
基于消防AR智能头盔的有害气体检测模块对火场环境中的有毒易燃易爆气体浓度分布进行测量与分析，通过对火场环境热像温度分析，进而获得火场环境危险区域信息。基于消防AR智能头盔的脑波信息监测模块，实时跟踪消防员在火场灭火救援过程中的脑波动变化，在线分析消防人员的心态及情绪变化情况，为分析判断消防员的救援体能、心理状态提供支撑。
通过多功能消防员战术背心对消防员实时生理指标进行监测，同时对消防员位置进行精准定位，并为身着灭火救援服的消防员提供恒定温度保护，提高消防员救援过程中的身体舒适度并保障消防员体能安全，提高消防员灭火救援效率。
将火灾现场获得的环境气体探测信息、热成像温度探测信息、搜救人员生命探测信息、消防员的生理监测信息、消防员脑波检测信息通过应急救援综合信息管理系统进行处理，最后将处理后的信息传送到消防远程指挥中心，并发出预警和决策指令。
