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【摘 要】本文介绍了3G通信技术在空气呼吸器中预警监测方面的设计研究。本文将3G通信技术，电子通信技术及网络编程技术相结合，根据消防部队实际需要，实现对空气呼吸器压力、温度等数据采集、处理和分析，在线显示每具空气呼吸器警示状态，预警信息等。
【关键词】3G通信技术；空气呼吸器；无线监测
正压式空气呼吸器作为消防员重要的防护装备，是保护消防员在有毒、缺氧环境，防止吸入有害物质，提供呼吸系统保护的装备，直接关系到消防员生命安全。目前，我国消防部队普遍配备的正压式空气呼吸器，只能在一定时间内向消防员供气，当消防员离开指挥员视线进入灭火救援现场后，后方指挥员无法及时掌控了解消防员空气呼吸器使用情况，自身安全防护能力大大降低。如2009年2月9日，“央视”大火造成1名消防员牺牲。2012年2月2日，江苏苏州工业园火灾，1名消防员牺牲。2013年1月1日，浙江杭州萧山“1·1”火灾中3名消防员牺牲。2013年10月11日，北京喜隆多商场火灾中，2名消防员在牺牲前最后的通话也暴露出空气呼吸器的问题。而造成伤亡事故的直接原因就是消防员被困事故现场后空气呼吸器内空气用尽，致使人员中毒、窒息，缺乏有效动态实时监测预警和保护，暴露出空气呼吸器主动防护性不足的缺陷。现阶段，对于实时掌握空气呼吸器使用情况，接收预警信息等技术研究，还不够完善，仍然处于探索研究阶段，国内外部分企业单位在研制空气呼吸器的个人安全监测系统，传输技术主要采用微波技术，普遍存在传输距离短，通信速率低，误码率高，数据传输量不大，覆盖范围小，屏蔽、干扰大，价格高等缺点。而广泛使用的3G通信方式具有高速、可靠、覆盖范围广、运营费用低、维护费用少的优点，为正压式空气呼吸器动态监测提供了很好的解决方案。
1.系统设计
3G通信技术在正式式空气呼吸器无线预警监测方面的应用，主要设计原理为正压式空气呼吸器通过无线压力传感器实时动态采集气瓶压力、温度变化，然后将数据发送到3G模块，通过移动、电信、联通等公共网络将相关数据送入互联网，指挥中心服务器在线实时监听获取传输数据，并把数据存储在数据库中，用于实时监测。
1.1 系统整体构成
3G正压式空气呼吸器无线预警技术主要包括：3G无线压力传感模块、3G传输网络、监测中心三大部分组成。示意图如图1.1所示：
图1.1 系统整体结构示意图
各部分主要功能如下：
（1）3G压力传感模块。主要是采集测量正压式空气呼吸器气瓶内空气压强P、温度T、电量等参量，通过内置的嵌入式处理器对数据进行处理和封包后，发送到3G网络，与监测中心服务器之间通信。
（2）3G传输网。利用公共通信网络，空气呼吸器通信模块和监测中心服务器之间数据信息交换和传输。3G数据终端通过网关由3G网络进入Internet网络，通过TCP/IP协议与作为数据中心的具有固定IP的服务器建立连接。
（3）监测中心。采用固定IP服务器与互联网相连接，接收下位机传送数据，进行动态分析监测、预警提醒等，并将数据存入存储器。
1.2 工作原理
首先，利用正压式空气呼吸器上的压力变送器、温度传感器等原件进行信号采集。其次，通过RS232串口将采集到的信号传输到本研究设计研制的3G压力传感模块进行数据处理，把数据送到中3G网络中，并寻找Internet上的指定IP地址的监测中心服务器。第三，监测中心服务器连接到Internet网络上，建立数据库，通过数据接收软件将数据包接收解析、整理存储，产生相应的状态提示。判断监监测空气呼吸器工作状态有无异常，并对该情况作出相应指令，传输到下位机执行，实现对空气呼吸器运行状态的实时监测。
1.3 组网结构
移动网络运营商（电信、联通、移动）为每台下位机终端在指定网段内的SIM卡动态分配一个IP地址，通过网关由3G网络进入Intenet网络，通过TCP/IP协议与监测中心具有固定IP的服务器建立连接。监测中心通过数据专线或者光纤接入Intenet网络，实现与每台下位机的注册和通讯。
此种组网方案的特点是：一是数据传输层系统稳定，成本低，性价比高；二是监测中心网络带宽最低可达2M以上，数据延时小，丢包率低；三是数据传输层技术难度低，易于实现和推广应用。
2. 3G压力传感模块结构
3G正式式空气呼吸器无线预警监测技术实现，主要是由下位机硬件设计，3G压力传感模块的设计和研制，它是数据采集、处理、接收和发送的核心部件，由STM32主控制器，压力传感模块，温度传感模块三部分组成。结构示意图如图2.1所示：
图2.1 3G压力传感模块结构示意图
各部分主要功能如下：
（1）压力传感模块：主要完成空气呼吸器压力测量，将压力变化参数按一定比例转换为标准输电信号。
（2）主控制单元：主要完成数据的采集、控制和处理，并将数据发送给3G模块。可采用ARM7系列的STM32作为控制单元，温度传感器采用DS18B20数字温度传感器。
（3）3G模块：主要对处理后的数据进行封包，传送给3G网络。由3G核心模块，SIM卡和天线三部分组成。
3.软件设计
在系统硬件设计的基础上，软件设计部分主要是利用网络编程技术设计，按照模块化设计思想，以减少软件开发时间，降低复杂度，提高软件稳定系，最大限度优化软件设计结构为出发点，主要包括微控制器主程序设计，3G模块通信程序、压力及温度测量程序和监测中心服务器软件设计等四部分。
3.1 系统软件整体设计
基于3G的正压式空气呼吸器无线预警技术，监测的主要参数有温度和气体压力，软件设计包括STM32微控制器主程序、串口、DS18B20、压力传感器、3G模块的程序设计。整体软件设计如图3.1所示。 图3.1 软件设计图
（1）下位机软件主要是STM32微控制器应用程序。主要负责温度和气体压力采集，系统存储与分析和通信等。主程序是个无限循环，通过调用各个子程序的库函数来完成系统的功能。此部分开发思路是，第一步先完成 STM32微控制器初始化，第二步完成各个子程序的编写，最后主程序通过调用子程序完成要实现的功能。
图3.2 下位机软件流程图
（2）上位机软件主要是完成数据的接收和处理，要包括对数据的接收、分析、显示和存储。存储功能完成数据的保存和调用查询，系统日志完成软件的调试和操作记录的保存。
3.2 下位机软件设计
当消防员在灭火救援现场使用正压式空气呼吸器时，系统启动，软件初始化后，自动设置定时器，STM32微控制器下达指令，收到指令后压力传感器、温度传感器DS18B20立刻采集气瓶压力和温度值（如果未能收到指令，继续初始化待命），上述数值采集完毕后。然后，微控制器对采集数值按照预定算法进行数据计算和处理，发送到3G模块按协议进行封包，并将打包数据通过3G网络传送到监测中心服务器。下位机软件设计流程图如图5.2所示。
3.3 上位机软件设计
上位机软件主要是实现对下位机发送的数据进行接收，解析，存储和管理及分析功能。软件设计流程图如图3.3所示。
图3.3 上位机软件设计流程图
软件主要功能包括：一是动态显示所有监测的空气呼吸器的压力、电量及剩余使用时间等；二是建立监测数据的数据库和日志文件，实现数据查阅和存储，为指挥部提供辅助决策；三是远程发送报警信息指令，警示消防员。
软件工作原理：第一，将采集到空气呼吸器温度、压强数据经微控制器处理后，实时通过3G网络传送到监测中心固定IP服务器；第二，上位机软件将接收到的软件按协议解包，存放到相应数据库，实时动态显示各种监测信息，包括剩余时间、电量、报警和工作状态等；第三，用户通过管理权限在内部局域网查看调阅数据。
随着3G、物联网以及4G等技术的日趋成熟，3G无论是在覆盖范围，传输速率（56～114Kbps），可靠性和可实施性等方面都具有很大优势，通过3G技术在空气呼吸器中预警监测技术研究，可以提高消防员安全防护等级，为消防员提供多层次安全保障，在原有空气呼吸器压力报警基础上，在线实时监测消防员空气呼吸器使用状态，实现多点监测和危险预警。总之，将3G通信技术应用于空气呼吸对保障消防员的人身安全，安排合理消防技战术训练等方面有着十分积极的意义，同时也为部队科学、合理地配备使用呼吸防护装具提供相应的理论支持和方法指导。
参考文献：
[1] Larry Digney. 遥测技术在消防用空气呼吸器中的应用[J]. 现代职业安全，2010（02）：110-112.
[2] 黄茜. 网络通信技术在监控数据采集系统中的应用研究[D]. 华中科技大学，2005
[3] 吴建兵. 基于GPRS的便携式灌区数据传输仪的研制[D]. 西北农林科技大学，2006.
[4] 荆世勇，周景龙，刘明鑫，杨婷. 基于SIM900A和LPC2378无线数据传输系统设计[J].电子科技，2012，25（11）：68.
[5] 李琼. 基于GPRS的环保数据采集传输系统的开发[D] 兰州理工大学. 2011.06
【关键词】3G通信技术；空气呼吸器；无线监测
正压式空气呼吸器作为消防员重要的防护装备，是保护消防员在有毒、缺氧环境，防止吸入有害物质，提供呼吸系统保护的装备，直接关系到消防员生命安全。目前，我国消防部队普遍配备的正压式空气呼吸器，只能在一定时间内向消防员供气，当消防员离开指挥员视线进入灭火救援现场后，后方指挥员无法及时掌控了解消防员空气呼吸器使用情况，自身安全防护能力大大降低。如2009年2月9日，“央视”大火造成1名消防员牺牲。2012年2月2日，江苏苏州工业园火灾，1名消防员牺牲。2013年1月1日，浙江杭州萧山“1·1”火灾中3名消防员牺牲。2013年10月11日，北京喜隆多商场火灾中，2名消防员在牺牲前最后的通话也暴露出空气呼吸器的问题。而造成伤亡事故的直接原因就是消防员被困事故现场后空气呼吸器内空气用尽，致使人员中毒、窒息，缺乏有效动态实时监测预警和保护，暴露出空气呼吸器主动防护性不足的缺陷。现阶段，对于实时掌握空气呼吸器使用情况，接收预警信息等技术研究，还不够完善，仍然处于探索研究阶段，国内外部分企业单位在研制空气呼吸器的个人安全监测系统，传输技术主要采用微波技术，普遍存在传输距离短，通信速率低，误码率高，数据传输量不大，覆盖范围小，屏蔽、干扰大，价格高等缺点。而广泛使用的3G通信方式具有高速、可靠、覆盖范围广、运营费用低、维护费用少的优点，为正压式空气呼吸器动态监测提供了很好的解决方案。
1.系统设计
3G通信技术在正式式空气呼吸器无线预警监测方面的应用，主要设计原理为正压式空气呼吸器通过无线压力传感器实时动态采集气瓶压力、温度变化，然后将数据发送到3G模块，通过移动、电信、联通等公共网络将相关数据送入互联网，指挥中心服务器在线实时监听获取传输数据，并把数据存储在数据库中，用于实时监测。
1.1 系统整体构成
3G正压式空气呼吸器无线预警技术主要包括：3G无线压力传感模块、3G传输网络、监测中心三大部分组成。示意图如图1.1所示：
图1.1 系统整体结构示意图
各部分主要功能如下：
（1）3G压力传感模块。主要是采集测量正压式空气呼吸器气瓶内空气压强P、温度T、电量等参量，通过内置的嵌入式处理器对数据进行处理和封包后，发送到3G网络，与监测中心服务器之间通信。
（2）3G传输网。利用公共通信网络，空气呼吸器通信模块和监测中心服务器之间数据信息交换和传输。3G数据终端通过网关由3G网络进入Internet网络，通过TCP/IP协议与作为数据中心的具有固定IP的服务器建立连接。
（3）监测中心。采用固定IP服务器与互联网相连接，接收下位机传送数据，进行动态分析监测、预警提醒等，并将数据存入存储器。
1.2 工作原理
首先，利用正压式空气呼吸器上的压力变送器、温度传感器等原件进行信号采集。其次，通过RS232串口将采集到的信号传输到本研究设计研制的3G压力传感模块进行数据处理，把数据送到中3G网络中，并寻找Internet上的指定IP地址的监测中心服务器。第三，监测中心服务器连接到Internet网络上，建立数据库，通过数据接收软件将数据包接收解析、整理存储，产生相应的状态提示。判断监监测空气呼吸器工作状态有无异常，并对该情况作出相应指令，传输到下位机执行，实现对空气呼吸器运行状态的实时监测。
1.3 组网结构
移动网络运营商（电信、联通、移动）为每台下位机终端在指定网段内的SIM卡动态分配一个IP地址，通过网关由3G网络进入Intenet网络，通过TCP/IP协议与监测中心具有固定IP的服务器建立连接。监测中心通过数据专线或者光纤接入Intenet网络，实现与每台下位机的注册和通讯。
此种组网方案的特点是：一是数据传输层系统稳定，成本低，性价比高；二是监测中心网络带宽最低可达2M以上，数据延时小，丢包率低；三是数据传输层技术难度低，易于实现和推广应用。
2. 3G压力传感模块结构
3G正式式空气呼吸器无线预警监测技术实现，主要是由下位机硬件设计，3G压力传感模块的设计和研制，它是数据采集、处理、接收和发送的核心部件，由STM32主控制器，压力传感模块，温度传感模块三部分组成。结构示意图如图2.1所示：
图2.1 3G压力传感模块结构示意图
各部分主要功能如下：
（1）压力传感模块：主要完成空气呼吸器压力测量，将压力变化参数按一定比例转换为标准输电信号。
（2）主控制单元：主要完成数据的采集、控制和处理，并将数据发送给3G模块。可采用ARM7系列的STM32作为控制单元，温度传感器采用DS18B20数字温度传感器。
（3）3G模块：主要对处理后的数据进行封包，传送给3G网络。由3G核心模块，SIM卡和天线三部分组成。
3.软件设计
在系统硬件设计的基础上，软件设计部分主要是利用网络编程技术设计，按照模块化设计思想，以减少软件开发时间，降低复杂度，提高软件稳定系，最大限度优化软件设计结构为出发点，主要包括微控制器主程序设计，3G模块通信程序、压力及温度测量程序和监测中心服务器软件设计等四部分。
3.1 系统软件整体设计
基于3G的正压式空气呼吸器无线预警技术，监测的主要参数有温度和气体压力，软件设计包括STM32微控制器主程序、串口、DS18B20、压力传感器、3G模块的程序设计。整体软件设计如图3.1所示。 图3.1 软件设计图
（1）下位机软件主要是STM32微控制器应用程序。主要负责温度和气体压力采集，系统存储与分析和通信等。主程序是个无限循环，通过调用各个子程序的库函数来完成系统的功能。此部分开发思路是，第一步先完成 STM32微控制器初始化，第二步完成各个子程序的编写，最后主程序通过调用子程序完成要实现的功能。
图3.2 下位机软件流程图
（2）上位机软件主要是完成数据的接收和处理，要包括对数据的接收、分析、显示和存储。存储功能完成数据的保存和调用查询，系统日志完成软件的调试和操作记录的保存。
3.2 下位机软件设计
当消防员在灭火救援现场使用正压式空气呼吸器时，系统启动，软件初始化后，自动设置定时器，STM32微控制器下达指令，收到指令后压力传感器、温度传感器DS18B20立刻采集气瓶压力和温度值（如果未能收到指令，继续初始化待命），上述数值采集完毕后。然后，微控制器对采集数值按照预定算法进行数据计算和处理，发送到3G模块按协议进行封包，并将打包数据通过3G网络传送到监测中心服务器。下位机软件设计流程图如图5.2所示。
3.3 上位机软件设计
上位机软件主要是实现对下位机发送的数据进行接收，解析，存储和管理及分析功能。软件设计流程图如图3.3所示。
图3.3 上位机软件设计流程图
软件主要功能包括：一是动态显示所有监测的空气呼吸器的压力、电量及剩余使用时间等；二是建立监测数据的数据库和日志文件，实现数据查阅和存储，为指挥部提供辅助决策；三是远程发送报警信息指令，警示消防员。
软件工作原理：第一，将采集到空气呼吸器温度、压强数据经微控制器处理后，实时通过3G网络传送到监测中心固定IP服务器；第二，上位机软件将接收到的软件按协议解包，存放到相应数据库，实时动态显示各种监测信息，包括剩余时间、电量、报警和工作状态等；第三，用户通过管理权限在内部局域网查看调阅数据。
随着3G、物联网以及4G等技术的日趋成熟，3G无论是在覆盖范围，传输速率（56～114Kbps），可靠性和可实施性等方面都具有很大优势，通过3G技术在空气呼吸器中预警监测技术研究，可以提高消防员安全防护等级，为消防员提供多层次安全保障，在原有空气呼吸器压力报警基础上，在线实时监测消防员空气呼吸器使用状态，实现多点监测和危险预警。总之，将3G通信技术应用于空气呼吸对保障消防员的人身安全，安排合理消防技战术训练等方面有着十分积极的意义，同时也为部队科学、合理地配备使用呼吸防护装具提供相应的理论支持和方法指导。
参考文献：
[1] Larry Digney. 遥测技术在消防用空气呼吸器中的应用[J]. 现代职业安全，2010（02）：110-112.
[2] 黄茜. 网络通信技术在监控数据采集系统中的应用研究[D]. 华中科技大学，2005
[3] 吴建兵. 基于GPRS的便携式灌区数据传输仪的研制[D]. 西北农林科技大学，2006.
[4] 荆世勇，周景龙，刘明鑫，杨婷. 基于SIM900A和LPC2378无线数据传输系统设计[J].电子科技，2012，25（11）：68.
[5] 李琼. 基于GPRS的环保数据采集传输系统的开发[D] 兰州理工大学. 2011.06