論地震救援輔助系統(tǒng)范文

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摘要：系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)作為主控中心，融合振動(dòng)傳感器、氧氣傳感器、有毒氣體傳感器等及聲音采集和雷達(dá)感應(yīng)模塊以檢測(cè)生命體征和判斷救援緊急等級(jí)。定位模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)救援對(duì)象的準(zhǔn)確定位，數(shù)據(jù)傳輸模塊將當(dāng)前位置的氣體含量、氧氣濃度、海拔位置等信息打包上傳到云端，手機(jī)終端通過APP訪問服務(wù)器并獲取數(shù)據(jù)，為救援搜救工作節(jié)約時(shí)間。無線數(shù)據(jù)傳輸采用CC3200模塊，由GPRS輔助，確保數(shù)據(jù)上傳，當(dāng)檢測(cè)到WiFi信號(hào)時(shí)，只需在后臺(tái)做出相應(yīng)的操作即可通過CC3200上傳數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。當(dāng)基站恢復(fù)時(shí)，則通過GPRS輔助CC3200傳輸數(shù)據(jù)，確保信息能夠被準(zhǔn)確發(fā)出。系統(tǒng)采用低功耗設(shè)計(jì)理念，通過對(duì)供電模塊的硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試，在實(shí)際供電時(shí)耗能極小。系統(tǒng)采用嵌入式平臺(tái)搭建，分為休眠狀態(tài)及工作狀態(tài)。同時(shí)，該裝置采用集成化設(shè)計(jì)，具有布線精細(xì)、體積小、質(zhì)量輕、安裝簡(jiǎn)單（可安裝在房頂）、輻射面積寬廣等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：低功耗；WiFi；物聯(lián)網(wǎng)；互聯(lián)網(wǎng)；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

引言

物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代已經(jīng)來臨，它改變了人們生活的方方面面。物聯(lián)網(wǎng)是基于互聯(lián)網(wǎng)、RFID技術(shù)的一個(gè)實(shí)時(shí)共享網(wǎng)絡(luò)，它描述了一個(gè)智能化的世界，預(yù)示著人們之后的生活也將步入互聯(lián)化，通過在日常生活用品中嵌入智能模塊使人們的生活變得更加智能。地震救援裝置從根本上實(shí)現(xiàn)了物與物的互聯(lián)，更體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)朝著微型化、可視化、智能化發(fā)展的趨勢(shì)，同時(shí)新型MCU技術(shù)面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的挑戰(zhàn)，推出了可穿戴設(shè)備迎合未來的發(fā)展。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到生活中是當(dāng)前經(jīng)濟(jì)和社會(huì)結(jié)合的一個(gè)亮點(diǎn)，尤其是應(yīng)用到成長(zhǎng)與教育中，將更有助于推廣物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科。全世界有120多萬(wàn)人死于地震，幾乎處于地震帶上的每個(gè)地方都受到過地震的侵?jǐn)_[1]。當(dāng)?shù)卣鸬葒?yán)重的自然災(zāi)害發(fā)生后，救援人員無法第一時(shí)間趕到災(zāi)區(qū)，而到達(dá)災(zāi)區(qū)后也需要更多的救援儀器進(jìn)行搜救工作，目前市面上用于救援的探測(cè)器雖然能夠精確探測(cè)到生存者，但探測(cè)范圍往往有很大的局限性，精確探測(cè)面積過小，且該儀器的使用對(duì)操作人員也有較高要求，需要接受專業(yè)訓(xùn)練，人力和物力消耗過大，效率較低[2]。同時(shí)這些儀器還存在明顯的缺點(diǎn)，即無法對(duì)傷員進(jìn)行分級(jí)，容易錯(cuò)過急需救助的傷員，很多傷者受氧氣不足或吸入有毒氣體、救援時(shí)間過長(zhǎng)等因素影響而失去了寶貴的生命。在目前這種救援速度較慢的情況下，急需一種提升救援速度的裝置。

1功能闡述

本文系統(tǒng)在檢測(cè)到外部震動(dòng)后觸發(fā)，主控單片機(jī)采用低功耗模式喚醒，為模塊供電，傳感器將數(shù)據(jù)送至單片機(jī)，單片機(jī)自動(dòng)分析并確定在有效探測(cè)距離范圍內(nèi)是否有待救援人員。若是，則系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行GPS+北斗定位，檢測(cè)當(dāng)前位置的氣體含量、氧氣濃度、海拔位置等，這些數(shù)據(jù)將被打包上傳到云端，顯示施救者與待救援者之間的距離。同時(shí)顯示救援人員與待救援人員的具體位置，為施救者提供便利，為營(yíng)救出待救者做充足的準(zhǔn)備。系統(tǒng)流程如圖1所示。

1.1觸發(fā)裝置

本文裝置采用高精度振動(dòng)傳感器檢測(cè)是否發(fā)生震動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)到外部震動(dòng)時(shí)，振動(dòng)傳感器立即將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，觸發(fā)系統(tǒng)從低功耗狀態(tài)切換到正常工作狀態(tài)。

1.2主控

主控采用具有低功耗特點(diǎn)的MSP430單片機(jī)。通過程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)未被觸發(fā)時(shí)維持低功耗的狀態(tài)，保證其運(yùn)行時(shí)間。當(dāng)被觸發(fā)以后恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

1.3數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸分為如下兩部分：（1）在信號(hào)基站被破壞的情況下使用CC3200模塊傳輸數(shù)據(jù)，以避免基站被破壞后信息無法上傳的情況出現(xiàn)。通過對(duì)CC3200的設(shè)置，在檢測(cè)到WiFi后自動(dòng)連接并發(fā)送單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)。（2）當(dāng)信號(hào)基站可以正常運(yùn)作時(shí)，則通過GPRS輔助CC3200傳輸數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)的正常傳輸[3-4]。

1.4檢測(cè)裝置

檢測(cè)裝置分為如下兩部分：待救人員定位：該裝置主要由人體紅外感應(yīng)、聲音采集等模塊構(gòu)成，主控通過處理、分析傳感器采集到的信息，以判斷在有效測(cè)試范圍內(nèi)是否有待救援人員存在[5]。當(dāng)可能存在待救援人員時(shí)，通過氣壓傳感器與其他傳感器結(jié)合完成三維立體定位，使得定位更加精確。氣體濃度：常見有毒氣體檢測(cè)模塊檢測(cè)氣體濃度，將數(shù)據(jù)傳送給主控，主控進(jìn)行處理，判斷出危險(xiǎn)程度后上傳。

1.5顯示

顯示部分分為APP顯示和網(wǎng)頁(yè)顯示兩部分，均從云端提取數(shù)據(jù)。APP顯示主要用于救援人員，為救援人員提供最直觀的信息；電腦端方便后臺(tái)指揮人員查看情況。

2硬件組成

2.1系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)主要包括主控制器、氧氣傳感器、有毒氣體分析、空氣質(zhì)量分析、氣壓傳感、GPS和北斗定位、人體紅外。硬件組成如圖2所示。

2.2模塊各部分介紹

2.2.1振動(dòng)傳感器模塊振動(dòng)傳感器選用SW-420高靈敏傳感器模塊，經(jīng)比較器輸出，信號(hào)干凈，波形好，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)（超過15mA），工作電壓為3.3～5V，以數(shù)字開關(guān)量輸出（0和1），觸發(fā)時(shí)間短，可以有效在震動(dòng)瞬間觸發(fā)報(bào)警，輸出端可以直接與MSP430單片機(jī)連接，以檢測(cè)環(huán)境是否發(fā)生改變，是否啟動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)，當(dāng)出現(xiàn)震動(dòng)時(shí)其他硬件設(shè)備即刻運(yùn)行[6-7]。

2.2.2氧氣傳感器氧氣傳感器采用英國(guó)阿爾法公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的O2-A2氧氣傳感器，此傳感器使用壽命較長(zhǎng)，安裝后無需花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間管理[8]。該傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)控空氣中的氧氣含量，方便營(yíng)救人員作出判斷。

2.2.3氣壓傳感器模塊氣壓傳感器模塊選擇高精度的GY-63MS5611-01BA03模塊，待檢測(cè)到氣壓后，通過算法顯示當(dāng)前的海拔高度，進(jìn)行精確定位，顯示所處位置，為營(yíng)救方提供更優(yōu)質(zhì)的選擇，有效縮短救援時(shí)間。

2.2.4有毒氣體檢測(cè)模塊采用MQ135空氣質(zhì)量模塊檢測(cè)有毒氣體。該模塊靈敏度較高，具有穩(wěn)定性高、傳感器自診斷、功耗低、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，可對(duì)一氧化碳、甲醛等一些對(duì)人體有害的氣體進(jìn)行檢測(cè)。

2.2.5聲音采集模塊本文設(shè)計(jì)采用具有高靈敏、高保真特點(diǎn)的KZ-501B拾音器。模塊尺寸僅為13mm×50mm，針孔設(shè)計(jì)有進(jìn)音口，方便安裝，自帶前置放大IC，拾音范圍可達(dá)100m2。該模塊噪聲小、失真低，采用6～14VDC供電，已達(dá)到高靈敏度監(jiān)聽級(jí)別，完全滿足本文設(shè)計(jì)需求。

2.2.6雷達(dá)感應(yīng)模塊人體感應(yīng)系統(tǒng)采用HFS-DC06多普勒微波雷達(dá)模塊，該模塊從天線發(fā)出5.8GHz微波，遇到被測(cè)物體時(shí)通過接收反射回來的微波實(shí)現(xiàn)微波檢測(cè)。微波雷達(dá)模塊不受環(huán)境溫度影響，抗干擾能力強(qiáng)，感應(yīng)范圍可達(dá)12m，可穿透非金屬物質(zhì)且不受灰塵影響，穩(wěn)定性高，體積小，符合本文設(shè)計(jì)要求。

2.2.7定位模塊定位模塊采用UM220北斗+GPS多系統(tǒng)導(dǎo)航定位模塊，該模塊尺寸小，重量輕，成本較低，功耗小于120mW，在很大程度上延長(zhǎng)了使用時(shí)間。將北斗與GPS相結(jié)合，可以極大地提高定位精度，有效避免誤差。北斗具有通信和目標(biāo)定位功能，彌補(bǔ)了GPS在這一方面的缺陷[9]。

2.2.8數(shù)據(jù)傳輸模塊數(shù)據(jù)傳輸模塊采用TI公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的CC3200WiFi模塊，此模塊相比WiFi低功耗系列功耗更低，尺寸較小，方便集成和安裝，可以一鍵連入WiFi，極大地提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅埽铱杀ＷC數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴４四K可與兩個(gè)服務(wù)器通信，接收不同服務(wù)器的命令[10]。

3結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的災(zāi)害后救援系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)和分析在有效探測(cè)距離范圍內(nèi)是否有人員生存，如果有待救援人員，系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行GPS+北斗定位，測(cè)定當(dāng)前位置氣體含量，氧氣濃度，海拔位置等，并將數(shù)據(jù)打包上傳到云端，手機(jī)通過訪問服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，顯示施救者與待救援者之間的距離以及其他情況，為施救者提供便利，為營(yíng)救出待救者做充足準(zhǔn)備，大大提高了救援效率。

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作者：韓啟洋 譚建軍 何為 季振亞 楊梅 向俊杰 單位：湖北民族學(xué)院