基于物聯(lián)網(wǎng)的地震應(yīng)急救援系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐沛文郝娟

(華中師范大學(xué)，湖北武漢430079)

1.引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和媒體的高度重視。目前物聯(lián)網(wǎng)正在逐漸被應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，遍及智能交通、環(huán)境保護(hù)、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域。本文采用物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線傳感技術(shù)，RFID技術(shù)，GPS和無(wú)線射頻技術(shù)構(gòu)建一套地震應(yīng)急救援系統(tǒng)。應(yīng)用于對(duì)于災(zāi)民身份的確定，傷勢(shì)情況的統(tǒng)計(jì)，災(zāi)民原有健康信息的記錄管理，災(zāi)民位置移動(dòng)和跟蹤，災(zāi)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)救災(zāi)物資發(fā)放管理。并充分利用RFID、地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)人、對(duì)物體的識(shí)別跟蹤、定位監(jiān)控、追溯記錄等功能。在突發(fā)自然災(zāi)害特別是在抗震救災(zāi)中處理余震和二次險(xiǎn)情時(shí)，為搜救搶險(xiǎn)贏得時(shí)間提供強(qiáng)有力的實(shí)時(shí)信息和技術(shù)保障。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提高防災(zāi)減災(zāi)的能力，將是物聯(lián)網(wǎng)新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)的重要使命之一，可以把人們的生命安全和財(cái)產(chǎn)損失降到最低程度。

2.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡(jiǎn)介

物聯(lián)網(wǎng)是指通過(guò)各種信息傳感設(shè)備，如傳感器、射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器、氣體感應(yīng)器等各種裝置與技術(shù)，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過(guò)程，采集其聲、光、熱、電、力學(xué)、化學(xué)、生物、位置等各種需要的信息，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)。

其目的是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識(shí)別、管理和控制。

3.系統(tǒng)整體架構(gòu)

本系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：

(1)監(jiān)測(cè)地震的各種傳感器組成的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)單元；

(2)標(biāo)志和傳送災(zāi)區(qū)各個(gè)物聯(lián)網(wǎng)單位的各方面情況的RFID單元和基于無(wú)線射頻技術(shù)的通信工具；

(3)由GPS和衛(wèi)星構(gòu)成的物聯(lián)網(wǎng)單位精確定位單元；

(4)由微處理器、單片機(jī)以及軟件系統(tǒng)和在線數(shù)據(jù)庫(kù)等構(gòu)成的對(duì)各種災(zāi)區(qū)各項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和決策的主控制器。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4.核心模塊設(shè)置

4.1 傳感器以及人體檢測(cè)芯片和RFID交互模塊

該模塊中的傳感器網(wǎng)絡(luò)用來(lái)采集災(zāi)區(qū)各個(gè)物聯(lián)網(wǎng)單元的信息，傳感器的設(shè)計(jì)與選擇在很大程度上決定了系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)中所用傳感器均為開關(guān)量傳感器，當(dāng)監(jiān)測(cè)參數(shù)超過(guò)設(shè)定的安全閾值時(shí)，傳感器與單片機(jī)相連的引腳上就會(huì)有高低電平的變化，只有當(dāng)同一監(jiān)測(cè)防區(qū)內(nèi)與單片機(jī)相連的每個(gè)傳感器都有引腳的變化，邏輯關(guān)系有效時(shí)，單片機(jī)才認(rèn)為此次報(bào)警有效。無(wú)線射頻模塊用來(lái)傳遞采集信息，在數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和效率方面有了顯著的提高，傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和RFID識(shí)讀器交互的過(guò)程如圖2所示。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和RFID識(shí)別器交互模塊是由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID識(shí)讀器組成。其中無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)包含各種傳感器以及人體機(jī)能檢測(cè)芯片，數(shù)據(jù)處理單元由單片機(jī)、存儲(chǔ)器、天線、無(wú)線射頻模塊和供電單元五個(gè)部分組成，RFID識(shí)讀器由單片機(jī)、無(wú)線射頻模塊、天線、串口接口模塊和供電單元組成。兩個(gè)元件之間的運(yùn)行交互過(guò)程如下；溫度、濕度、煙霧、光線和壓力傳感器等收集災(zāi)區(qū)的環(huán)境數(shù)據(jù)，如哪些地方房屋發(fā)生坍塌、房屋坍塌程度、是否發(fā)生火災(zāi)、時(shí)候有爆炸危險(xiǎn)等。這些數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，本設(shè)計(jì)的控制模塊選用MSP430系列中更低成本、更高性能的新型單片機(jī)MSP430F2012。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)單片機(jī)的編碼處理后，通過(guò)串口傳送到存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器通過(guò)串口連接到RFID識(shí)讀器，把數(shù)據(jù)傳送到該模塊。識(shí)讀器選用的芯片是Chipcon公司最新推出的CC1100射頻芯片，它是一種特別適用于UHF的無(wú)線傳輸芯片，體積小、功耗低，數(shù)據(jù)傳輸速率為1.2 kbps～500 kbps，其典型工作頻率是315、433、868和915MHz，本設(shè)計(jì)采用915 MHz為中心頻率。這些傳感和屬性數(shù)據(jù)通過(guò)射頻卡天線傳遞到RFID識(shí)讀器的天線，這里射頻卡用到的天線是采用三角微帶天線模型設(shè)計(jì)，最大場(chǎng)強(qiáng)方向?yàn)?.125，識(shí)讀器天線采用915 MHz諧振頻率線極化天線，天線的輻射功率是1 W左右。RFID識(shí)讀器CC1100將獲取的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳遞到單片機(jī)MSP430F2012，該單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和處理，通過(guò)RS-232串口與外部計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)雙向交互，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和RFID識(shí)讀器的供電單元是9000mAH的鋰電池。

4.2 電子標(biāo)簽?zāi)K

監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)單元的電子標(biāo)簽主要由傳感器、現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警裝置、電源模塊、MCU和射頻模塊五部分組成。電源模塊負(fù)責(zé)提供設(shè)備工作動(dòng)力，同時(shí)充當(dāng)備用電源。單片機(jī)作為MCU，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集傳感器監(jiān)測(cè)信息，有異常狀況時(shí)，單片機(jī)啟動(dòng)射頻模塊工作，同時(shí)命令現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警裝置報(bào)警。監(jiān)測(cè)防區(qū)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)過(guò)程中，MCU的選擇非常關(guān)鍵。MCU主要負(fù)責(zé)控制傳感器數(shù)據(jù)采集，存儲(chǔ)報(bào)警信息EPC碼，啟動(dòng)射頻模塊工作，命令現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警裝置報(bào)警。為了使電子標(biāo)簽盡量成本低、體積小、處理速度快，本系統(tǒng)選用的MCU具有1個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期，高速、高可靠，2路PWM，8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換，25萬(wàn)次/秒1T 8051帶總線，無(wú)法解密，管腳直接兼容傳統(tǒng)89C52，有全球唯一ID號(hào)可省復(fù)位電路，36-44個(gè)I/O內(nèi)部R/C時(shí)鐘的單片機(jī)芯片。小型LQFP48引腳封裝包含多達(dá)44個(gè)通用I/O口，與傳感器、射頻模塊電路連接簡(jiǎn)單。

4.3 物聯(lián)網(wǎng)單位的坐標(biāo)信息獲取模塊

GPS芯片根據(jù)衛(wèi)星的定位功能得到物資的坐標(biāo)信息，提高了坐標(biāo)信息采集的效率和準(zhǔn)確率，設(shè)計(jì)方案采用的是Ublox的GPS模塊。該模塊的好處是便于直接從串口得到其接收到的信息，也便于同無(wú)線通信模塊GSM芯片進(jìn)行集成。在地震應(yīng)急指揮中，還可以結(jié)合移動(dòng)GIS、GPS和無(wú)線通訊技術(shù)，將應(yīng)急救援系統(tǒng)的各種信息資源整合到移動(dòng)終端中，大大提升應(yīng)急救援系統(tǒng)的靈活性、實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性。在應(yīng)急中，移動(dòng)終端由救援人員隨身攜帶，為快速抵達(dá)災(zāi)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)提供必要的協(xié)助，降低災(zāi)情的擴(kuò)大，并提供現(xiàn)場(chǎng)指揮所需要的各類基礎(chǔ)信息。通過(guò)GPS芯片與衛(wèi)星的實(shí)時(shí)交互，得到物資的具體坐標(biāo)，再通過(guò)串口接口輸送到RFID識(shí)讀器中的單片機(jī)中進(jìn)行處理，以便下一步通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心服務(wù)器上。

4.4 射頻模塊設(shè)計(jì)

無(wú)線射頻模塊采用工作在2.4GHz ISM頻段的nRF24L01芯片，工作電壓為1.9～3.6V低功耗，通過(guò)SPI總線與MCU相連。具有126個(gè)頻道，滿足多點(diǎn)通信和跳頻通信的需要，能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無(wú)線通信，同時(shí)可通過(guò)改頻、跳頻來(lái)避免干擾。支持CRC校驗(yàn)，能夠提供高達(dá)2M bps的傳輸速率，可以工作在有較強(qiáng)干擾、低功耗的場(chǎng)合。nRF24L01的EnhancedShockBurst模式具有自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)重傳的功能，極大地減少了丟包率，增加了傳輸可靠性。實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明，當(dāng)有門、窗、墻等障礙物阻擋時(shí)，無(wú)線射頻通信范圍在50～80 m，適用于災(zāi)區(qū)苛刻的使用條件。如需更大通信范圍，可適當(dāng)增加功率放大裝置。

4.5 信息處理功能模塊

信息處理模塊由信息采集、命令執(zhí)行、信息存儲(chǔ)、地圖信息和輔助決策這五個(gè)子模塊組成。

(1)信息采集子模塊通過(guò)射頻信號(hào)接收器以及和衛(wèi)星的協(xié)同交互得到物聯(lián)網(wǎng)單元的各種信息，包括房屋、道路、橋梁、軌道設(shè)施的損毀情況并將它們所處的位置通過(guò)GPS衛(wèi)星系統(tǒng)反應(yīng)在地圖上。通過(guò)人體機(jī)能狀況檢測(cè)芯片實(shí)時(shí)反應(yīng)成為物聯(lián)網(wǎng)個(gè)體的災(zāi)民的健康狀況、是否有生命跡象，并在地圖上反應(yīng)該物聯(lián)網(wǎng)個(gè)體的位置，為救援工作帶來(lái)方便。

(2)命令執(zhí)行子模塊通過(guò)接收到的信息判斷是否發(fā)生火災(zāi)，如果發(fā)生即采取一系列指令，如自動(dòng)切斷火源，煤氣等可能引起火災(zāi)的因素；開啟應(yīng)急電源并優(yōu)先給醫(yī)院，消防部門供電；開啟備用醫(yī)藥箱的鎖，為災(zāi)民開展自救節(jié)省時(shí)間，并盡快將災(zāi)區(qū)信息傳送至地震指揮中心。

(3)信息存儲(chǔ)子模塊主要是利用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)物聯(lián)網(wǎng)單元的基本信息、坐標(biāo)值和環(huán)境數(shù)據(jù)，以便為后來(lái)的輔助決策提供數(shù)據(jù)支持。

(4)輔助決策子模塊對(duì)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合的分析和評(píng)估。在抗震救援中，道路車輛調(diào)度是最常見(jiàn)和有效的救援方式之一。應(yīng)急救援條件下的救援調(diào)度由于多個(gè)決策目標(biāo)的存在，不能直接運(yùn)用最短路線模型求解。輔助決策子模塊可以根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)得到的信息及時(shí)判斷道路環(huán)境、地形地貌差異及事態(tài)嚴(yán)重程度，并用安全通過(guò)概率來(lái)描述車輛安全通過(guò)某路段的可能性大小，提供救援調(diào)度的安全性決策屬性如圖4所示。

5.結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)通過(guò)傳感器、單片機(jī)、衛(wèi)星、GPS芯片和無(wú)線射頻模塊等硬件的協(xié)同工作，采集和傳送災(zāi)區(qū)物聯(lián)網(wǎng)單元的各項(xiàng)信息，有利于地震應(yīng)急措施的執(zhí)行，減少地震引發(fā)的災(zāi)害程度。可以同時(shí)在多個(gè)遠(yuǎn)程終端查閱到物聯(lián)網(wǎng)單元的信息，便于相關(guān)部門之間的協(xié)調(diào)、配合，有效開展救援工作。同時(shí)為災(zāi)后重建積累大量事實(shí)數(shù)據(jù)。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)地震應(yīng)急救援系統(tǒng)具有建設(shè)、維護(hù)費(fèi)用低廉，可在線更新數(shù)據(jù)、軟件升級(jí)容易等優(yōu)點(diǎn)，且不受地域、環(huán)境等條件的限制，只要有網(wǎng)絡(luò)的地方，就可以搭建系統(tǒng)。在網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展的今天，已經(jīng)具備了建立物聯(lián)網(wǎng)地震應(yīng)急救援系統(tǒng)的必要條件。隨著技術(shù)的進(jìn)一步完善，該系統(tǒng)將進(jìn)一步降低地震破壞力。

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