智能消防头盔系统中相关技术的研究

发布时间：2020-10-01 05:36

　　为保障消防员的生命安全和工作需要,社会各界对新时代信息化消防作战指挥装备的需求日益迫切。智能消防设备作为其中的重要部分,需要有较强的延展性,包括具有通讯、生理信息监测、火场环境监测等多方面集成化信息采集、分析与传输的功能,拥有十分广阔的应用前景。本文主要针对智能消防头盔系统中的心率监测及通讯功能两个部分进行研究与设计。研究内容包括心率监测方法的研究、心率监测软件算法设计、心率监测硬件设计、通讯部分的设计以及最后的实验与测试。在心率监测方法的研究中,简要介绍了现有方法并进行对比选取。选定了光电容积脉搏波(PPG)原理的光电传感器反射式采集法作为心率信号采集方式。详细介绍所使用的方法并制定出设计方案。在心率监测软件算法设计中,通过比对选取较为合适的心率信号特征提取算法、运动伪差消噪算法并进行研究。该算法以基于db4小波的脉搏波特征提取算法为主,以基于最小均方(LMS)自适应噪声抵消器模型的运动降噪算法为辅,运动降噪算法采用三轴加速度传感器数据作为参考噪声源。心率监测的硬件设计,选择合适的元器件进行硬件电路设计,包括传感器模块、数据处理单元及少量外围电路。通讯部分的设计中,首先确定对讲机为通讯主体,然后选择蓝牙芯片类型,并以此为基础对对讲机蓝牙适配器外围硬件电路进行设计,最后增加了蓝牙CVC功能的设置。系统测试结果表明,本文设计的基于db4小波的脉搏波特征提取算法在Physio Net生物数据库上验证的准确率达到99.07%。实物对比验证,准确率高于市面上成熟的心率手环产品,且基于LMS自适应噪声抵消器的降噪算法对于含有运动干扰的脉搏信号具有一定的降噪效果。对通讯功能进行的实物测试验证了设备具有良好的操作性能,满足设计需求。本设计不仅能够实现智能消防装备的生理信息监测和通讯功能,高性能的硬件设计亦满足了后续开发的需求,展现了优良的可升级性。
【学位单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU998.13
【部分图文】：

结构图,工作结构,人与他人

Fig. 1-1 The overall system diagram由于整个系统为本人与他人共同协作研发，所以本文只介绍自己独立完成的蓝牙对讲机通讯和心率监测这两个功能的研究方案。具体工作结构图如图1-2

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图 2-1 PPG 示意图Fig. 2-1 Photoplethysmography diagramPPG 传感器主要由两个部分组成：发光装置和接收装置。根据接收光不同，分为反射式光电传感器和透射式光电传感器两种，原理示意图a)为反射式光电传感器原理示意图，反射式光电传感器是将发光装置置放置于待测组织的同一侧，发光装置光源发出特定波长的光，在同装置接收到经过血液等组织吸收后的散射光。b)为透射式光电传感器图，透射式光电传感器是将发光装置和接收装置放置于待测组织的两光装置发出特定波长的光，另一侧的接受装置接收到透射出来的光。a) 反射式光电传感器原理示意图

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分为反射式光电传感器和透射式光电传感器两种，原理示意图见图2-2。a)为反射式光电传感器原理示意图，反射式光电传感器是将发光装置和接收装置放置于待测组织的同一侧，发光装置光源发出特定波长的光，在同侧的接收装置接收到经过血液等组织吸收后的散射光。b)为透射式光电传感器原理示意图，透射式光电传感器是将发光装置和接收装置放置于待测组织的两端[30]，由发光装置发出特定波长的光，另一侧的接受装置接收到透射出来的光。a) 反射式光电传感器原理示意图

【参考文献】