一种新型地下建筑消防应急通信系统的制作方法

本实用新型涉及消防应急通信领域，特别是涉及一种新型地下建筑消防应急通信系统。

背景技术：

近年来，我国地下空间灾害呈多发态势，消防部队救援任务持续增加。地下火灾危险性极大，救援难度极高。一旦发生火灾，消防救援面临人员疏散困难、地下通信效果差、扑救难度高的现状，往往造成灾难性的后果。为此，国家将地铁及地下空间建筑的火灾救援列为城市重特大灾害救援体系的重要组成部分之一，旨在充分调动各方力量，为解决地下空间灾难救援难题提供支撑。

地下应急通信是消防部队开展地下空间救援任务的关键环节，但由于地下建筑环境复杂，空间封闭，信号屏蔽、衰落严重，常用无线消防应急通信手段无法发挥作用，导致地面指挥部与地下战斗小组信息交流受阻，指挥中心无法全面掌握现场环境状况，战斗命令无法快速下达，救援行动无法顺利开展。另外，战斗人员在精神和体能的双重压力下往往顾此失彼，容易引发重大人员和财产损失。

针对地下空间特点，研究开发专用消防应急通信装备或设施是处理地下建筑消防通信问题的重要解决方案。近些年，随着新技术、新材料的持续发展，我国多家科研机构及企事业消防相关单位针对地下建筑特点，研发了多种地下通信装备，但各有利弊。目前，我国消防部队使用的常规、集群通信系统在地下应用时通过能力有限；有线中继有效的拓展了信息横向和纵向覆盖范围，但现场部署繁琐，且容易产生自激或同频干扰；为实现现场快速部署，不少厂家开发了独立无线中继器，但从实际使用效果来看，级联中继受供电、级联数量的限制，覆盖范围和使用时间有限，干扰问题依然存在；一些选用2.4G频段Mesh组网设备由于信号穿透绕射能力有限，且部署点位较多，不适合在结构复杂的地下空间使用；利用预部设施(公网、漏泄电缆)进行通信省时省力，但也存在通信阻塞、通信中断的风险，况且由于目前缺乏相关法律规定，只有少部分建筑具有此类设施。总之，消防部队尚缺乏行之有效的解决地下空间消防通信的方案。

技术实现要素：

为解决上述存在的技术问题，本实用新型针对具有大纵深、相对封闭特点的地下多层建筑环境，综合利用Mesh多跳自组网和多载波通信的技术优势，设计一种新型地下建筑消防应急通信系统，通过解决地面与地下的通信链路建立、地下空间信号覆盖的难题，使地面指挥部及时掌握地下消防现场环境音视频、侦察单兵生命体征数据、空呼剩余气量等信息，为作战方案制定、战力部署、命令下达提供全方位通信保障支撑，有助于救援行动的顺利展开。

本实用新型的目的是通过下述技术方案实现的：一种新型地下建筑消防应急通信系统，包括移动信息采集终端、多载波融合中继、Mesh中继、指挥显示终端4个部分；

所述的移动信息采集终端，主要用于采集灾害现场环境、人员、空呼音视频及数据信息，具有多载波方式的对外信息传输功能；

所述的多载波融合中继，位于地下作业层，采用双制式融合通信架构和机制，一方面通过多载波信道实现与移动信息采集终端的信息交互，另一方面通过Mesh通信实现组网链路接入；

所述的Mesh中继，具有多跳自动组网功能，用于地下作业层与指挥显示终端之间纵向通信链路的建立；

所述的指挥显示终端，部署在现场指挥部或移动指挥车上，是Mesh组网的终节点，具有信息接收、命令下达、现场信息调度显示、通信链路实时监测、故障报警功能。

所述的移动信息采集终端将采集的各类现场音视频数据信息通过多载波方式传输至多载波融合中继，经转换后进入由Mesh中继以多跳级联方式构建的从地下作业层到地面指挥部的纵向通信链路，最终由指挥显示终端接收显示。

所述的移动信息采集终端由视频采集单元Ⅰ、音视频编解码单元、蓝牙通信单元、外部接口Ⅰ、按键及液晶显示单元Ⅰ、控制处理单元Ⅰ、存储单元Ⅰ、多载波通信单元、天线单元Ⅰ、供电单元Ⅰ、信号强度指示单元Ⅰ模块组成；

视频采集单元Ⅰ具有匹配接口，可连接高清或具有透烟能力的摄像头，其外壳具有特殊卡扣，置于侦察员前胸上部；音视频编解码单元与视频采集单元相连；蓝牙通信单元、外部接口Ⅰ用于单兵生命体征和空呼剩余压力信息的采集，按键与液晶显示单元Ⅰ配合使用，实现对通信参数的修改及相关信息显示；控制处理单元Ⅰ、存储单元Ⅰ是信息处理核心单元，实现对信息的处理、存储；多载波通信单元与天线单元Ⅰ连接，实现信息制式转换与发送；供电单元Ⅰ采用24V锂电池组，经升压、降压后与各单元相连，采用卡扣式设计，可灵活更换。信号强度指示单元Ⅰ为可变色指示灯，不同颜色代表不同的信号强度，提示多载波融合中继的信号覆盖范围。

所述的多载波融合中继由多载波通信单元、Mesh通信单元、天线单元Ⅱ、控制处理单元Ⅱ、存储单元Ⅱ、供电单元Ⅱ、视频采集单元Ⅱ、外设接口单元Ⅱ、按键及显示单元Ⅱ、信号强度指示单元Ⅱ模块组成；

多载波通信单元，负责与移动信息采集终端之间的信息收发；Mesh通信单元，用于Mesh通信链路构建；多载波通信单元、Mesh通信单元分别与控制处理单元相连，构成完整的信息通道；天线单元Ⅱ，由多载波和Mesh两种独立的收发天线、滤波器、功放模块构成，多载波天线与Mesh天线均通过滤波器、功放模块分别与多载波通信单元和Mesh通信单元相连。控制处理单元Ⅱ实现信息处理，存储单元Ⅱ、供电单元Ⅱ为基础模块，直接与控制处理单元Ⅱ相连；视频采集单元Ⅱ用于定点位置的现场图像采集，直接连接存储单Ⅱ元和控制处理单元Ⅱ；按键及显示单元Ⅱ实现通信参数修改操作，信号强度指示单元为可变色指示灯，可根据不同颜色显示连接Mesh网络的信号强度。

所述的Mesh中继由Mesh中继主体和更换式电池组成，Mesh中继主体包括控制处理单元Ⅲ、存储单元Ⅲ、天线单元Ⅲ、信号强度指示单元Ⅲ、对外接口单元Ⅲ；

Mesh中继主体中控制处理单元Ⅲ采用ARM11处理器，内嵌Linux操作系统，实现多跳自动组网；天线单元Ⅲ包括功放、滤波器及外接鞭状天线，是信号收发的通道，外接天线采用与信息收发配备匹配频段，通过滤波器直接与功放连接；对外接口单元Ⅲ是指多类型视频输入接口，可接入视频采集设备，用于固定点信息采集；信号强度指示单元Ⅲ可指示该级中继链接上级中继的通信信号强度；更换式电池组采用卡扣结构与Mesh中继主体连接。

所述的指挥显示终端采用箱体设计，集成有Mesh中继、显示单元、控制处理单元Ⅳ、存储单元Ⅳ、人机互动单元和供电单元Ⅳ模块；

Mesh中继嵌于指挥显示终端内部，是Mesh链路终结点，能够接收Mesh链路上传的音视频及数据信息，通过控制单元综合处理后，在显示单元各个功能区展现；显示单元为高清触摸显示屏，与存储单元Ⅳ、人机互动单元一起连接至控制处理单元Ⅳ，供电单元Ⅳ采用主备电设计，为其它各单元提供电能；指挥显示终端预留制式视频输出接口，方便接入现有图综平台。

本实用新型主要实现以下功能：

1、利用Mesh自组网技术建立地面现场指挥部与地下战斗层稳定的通信链路。

2、利用多载波调制技术实现地下空间信号的覆盖，增强信号的传输效率。

3、利用移动采集终端实现语音、图像的采集，同时可支持生命体征信息、空呼剩余气量信息的接入。

4、Mesh中继设备上集成的信号强度显示单元可实时显示链接上一中继设备的信号强度，当指示灯由绿变红时，表明链路信号已经出现明显衰减，该中继设备应安装部署于当前位置。

5、部署在地面指挥部的指挥显示终端，可对通信链路上各固定点位和战斗层移动信息采集点位的因视频信息进行切换显示，采用网络拓扑的形式可视化展现通信链路，实现故障预报警。

本实用新型与普通的地下通信系统相比具有以下优势：

1)Mesh中继用于建立纵向通信链路，结构简单、自愈能力强，增加了系统稳定性。

2)多载波融合中继用于灾害现场层的横向信号覆盖，具有信号传输质量高、绕射能力强等优势，增加了信号覆盖范围，保证了图像显示的流畅性和清晰度。

3)指挥显示终端可调度一个或多个重点关注的固定或移动点位场景进行显示，有助于现场信息的全面掌握。

4)通过信号强度辅助确定Mesh中继和多载波融合中继的安装部署位置，既保证网络带宽、又提高部署效率。

5)具有通信链路故障诊断和报警提示功能，实用性强。

附图说明

图1为本实用新型的系统拓扑图。

图2为移动信息采集终端的框图。

图3为多载波融合中继的框图。

图4为Mesh中继的框图。

图5为指挥显示终端的框图。

具体实施方式

一种新型地下建筑消防应急通信系统，包括移动信息采集终端1、多载波融合中继2、Mesh中继3、指挥显示终端4；系统拓扑图如图1所示。

通过Mesh中继3的多跳级联，构建从地面指挥终端到地下作业层的纵向通信链路，每个Mesh中继安装有固定点位视频采集装置，多载波融合中继位于地下作业层，一方面利用多载波技术完成作业层通信信号覆盖，负责接收移动信息采集终端发送的现场视频、侦察员生命体征和空呼剩余气量信息，另一方面可接入Mesh网络，进一步将信息通过Mesh通信链路上传至指挥显示终端4，指挥显示终端4负责显示各固定点位和移动采集终端采集的各类信息，同时可监测通信链路，实现故障诊断。

移动信息采集终端1，电路框图如图2所示，主要用于灾害现场图像信息的采集与传输，同时还可接入侦察单兵生命体征、空呼剩余气量等信息。该装置主要由视频采集单元Ⅰ101、音视频编解码单元102、蓝牙通信单元103、外部接口Ⅰ104、按键及液晶显示单元Ⅰ105、控制处理单元Ⅰ106、存储单元Ⅰ107、多载波通信单元108、天线单元Ⅰ109、供电单元Ⅰ110、信号强度指示单元Ⅰ111等模块组成。视频采集单元Ⅰ101具有匹配接口，可连接高清或具有透烟能力的摄像头，其外壳具有特殊卡扣，置于侦察员前胸上部，确保侦察员正面环境图像的清晰采集；音视频编解码单元102与视频采集单元Ⅰ101相连；蓝牙通信单元103、外部接口Ⅰ104用于单兵生命体征和空呼剩余压力信息的采集，按键与液晶显示单元Ⅰ105配合使用，实现对通信参数的修改及相关信息显示；控制处理单元Ⅰ106、存储单元Ⅰ107是信息处理核心单元，实现对信息的归类、整理、封装、存储；多载波通信单元108与天线单元Ⅰ109连接，实现信息制式转换与发送；供电单元Ⅰ110采用24V锂电池组，经升压、降压后为各单元供电，采用卡扣式设计，可灵活更换。信号强度指示单元Ⅰ111为可变色指示灯，不同颜色代表不同的信号强度，提示多载波融合中继的信号覆盖范围。

多载波融合中继2，电路框图如图3所示，具有Mesh通信与多载波通信双重功能，是实现现场信息接入Mesh通信链路的关键调制设备。该装置由多载波通信单元201、Mesh通信单元202、天线单元Ⅱ203、控制处理单元Ⅱ204、存储单元Ⅱ205、供电单元Ⅱ206、视频采集单元Ⅱ207、外设接口单元Ⅱ208、按键及显示单元Ⅱ209、信号强度指示单元Ⅱ210等模块组成；使用时，设备部署在地下灾害现场消防作业层，多载波通信单元201，负责与移动信息采集终端1之间的信息收发；Mesh通信单元202，用于Mesh通信链路构建；多载波通信单元201、Mesh通信单元202分别与控制处理单元Ⅱ204相连，构成完整的信息通道。为避免两类通信收发的相互干扰，该装置的天线单元Ⅱ203由多载波和Mesh两种独立的收发天线、滤波器、功放模块等构成，多载波天线与Mesh天线均通过滤波器、功放模块分别与多载波通信单元和Mesh通信单元相连，且可根据安装环境调整天线竖直方向，确保最佳通信效果。控制处理单元Ⅱ204实现信息处理，通过先进的路由算法建立可靠的Mesh网络。存储单元Ⅱ205、供电单元Ⅱ206为基础模块，直接与控制处理单元Ⅱ204相连。视频采集单元Ⅱ207用于定点位置的现场图像采集，直接连接存储单元Ⅱ205和控制处理单元Ⅱ204。利用按键及显示单元Ⅱ209可根据现场环境对多载波通信频点等参数进行在线设置，确保现场覆盖不受其他频段干扰。信号强度指示单元Ⅱ210为可变色指示灯，可根据不同颜色显示连接Mesh网络的信号强度，便于根据信号强弱选择合适的安装部署位置。同时，该中继设备对外具有视频输入接口，用于定点位置的现场图像采集，该信息也可经Mesh链路传至现场指挥显示终端。该设备配备有安装支架，部署操作简单。

Mesh中继3，电路框图如图4所示，是建立地面指挥台与地下作业层之间纵向通信链路的关键设备，具有多跳自动组网功能。该设备由中继主体31和更换式电池32组成，中继主体31包括Mesh路由控制处理单元Ⅲ311、存储单元Ⅲ312、天线单元Ⅲ313、信号强度指示单元Ⅲ314、对外接口单元Ⅲ315等，实现信号的处理与网络自动组建，其中控制处理单元Ⅲ311采用ARM11处理器，内嵌Linux操作系统，采用先进路由调度算法，可实现多跳自动组网，不仅有效降低带宽衰减，还较好解决边界条件下的频繁切换问题，提升了传输稳定性；天线单元Ⅲ313包括功放、滤波器及外接鞭状天线，是信号收发的通道，外接天线采用与信息收发匹配频段，通过滤波器直接与功放连接；对外接口单元Ⅲ315是指多类型视频输入接口，可接入视频采集设备，用于固定点信息采集；信号强度指示单元Ⅲ314可指示该级中继链接上级中继的通信信号强度；更换式电池组32采用卡扣结构与Mesh中继主体31连接，可灵活快速安装，便携性能好。设备外壳具有三防特性，把手设计便于携带。另外设备配备有安装支架，支架高度和地平可调整。

指挥显示终端4，电路框图如图5所示，是部署在现场指挥部或移动指挥车的用于辅助决策的信息显示设备。采用箱体设计，集成有Mesh中继41、显示单元42、控制处理单元Ⅳ43、存储单元Ⅳ44、人机互动单元45、供电单元Ⅳ46和天线单元47模块；Mesh中继嵌于指挥显示终端内部，是Mesh链路终结点，能够接收Mesh链路上传的音视频及数据信息，通过控制单元Ⅳ43综合处理后，在显示单元42各个功能区展现。显示单元42为高清触摸显示屏，与存储单元Ⅳ44、人机互动单元45一起连接至控制处理单元，具体可实现各路视频资源的实时调度，可实现对单兵生命体征和空呼剩余气量数据信息的展现，具有信号链路拓扑展现功能，可显示各中继设备的剩余电量、信号强度，可对低电量、通信链路中断进行报警，迅速定位故障点，从而实现通信故障诊断。另外，供电单元Ⅳ46采用主备电设计，为其它各单元提供电能；指挥显示终端预留制式视频输出接口，方便接入现有图综平台。

本实用新型在开展地下建筑环境救援行动时的安装部署及使用方法：

1)启动指挥显示终端，内部集成的Mesh中继0随之处于工作状态，启动Mesh中继1及其配备的图像采集设备，与指挥显示终端建立稳定连接；

2)携带相关设备前往地下空间，过程中，观察Mesh中继1的信号强度指示灯，当指示灯由绿变红时，在当前位置作适当调整，保证视频图像清晰状态下，寻找合适位置部署安装该节点；

3)启动Mesh中继2及其附属设备，确保与Mesh中继1建立稳定连接，并在指挥显示终端可显示Mesh中继2采上传的图像信息，逐渐加大纵向距离，直到信号指示灯由绿变红，在图像清晰的状态下安装部署节点2；

4)重复上述过程安装部署节点3、4。。。，直到达到灾害现场消防作战层；

5)到达作战层后启动多载波融合中继及其附属设备，查看融合中继与上级Mesh中继的连接信号强度，视情况在合适位置安装部署融合中继；

6)启动移动信息采集终端，为该设备与多载波融合中继设置合适通信频率，并使两者建立稳定连接；同时，该设备自动连接并采集消防侦察人员的生命体征信息和空呼剩余气量信息。

7)消防侦察人员背负移动采集终端进行现场情况侦察，外部指挥人员可通过指挥显示终端实时选择各固定点位或移动视频采集终端图像信息，同时可查看侦察单兵的生理体征和空呼剩余气量信息。