震災用主動式生命探測儀

王鳳隨,吳玉玨,劉姚

（安徽工程大學 電氣工程學院，安徽 蕪湖 241000）

震災用主動式生命探測儀

王鳳隨,吳玉玨,劉姚

（安徽工程大學 電氣工程學院，安徽 蕪湖 241000）

本文以傳統生命探測儀技術為背景，分別介紹了傳統生命探測儀的應用場合與其缺陷，并根據其不足與缺陷設計出一種主動式生命探測儀.主動式生命探測儀以傳統生命探測儀為核心，分為家庭救援裝置與搜救儀器兩個模塊.家庭救援裝置可檢測地震發生并能與被困人員一同深埋地下，通過生命探測儀監測人體并發送信息到搜救儀器.搜救儀器根據信息提示搜救人員，從而完成地震后的被困人員搜救.

地震搜救；主動式生命探測儀；檢測；家庭救援裝置

生命探測儀經過多年的發展，技術已經很成熟.主要是根據電磁波、聲波[1]、光波等物理學原理以及氣體檢測等化學原理,通過專用的傳感器將物理信號或者化學信號轉換為電信號,再經過濾波放大后,輸出可視或可聽信號,組成能搜索、探測、尋找一定范圍的生命的儀器.生命探測儀根據所用傳感器不同可以分成音頻探測儀[2]、視頻生命探測儀、紅外生命探測儀和氣敏探測儀等，這些設備各有缺點，如視頻偵測設備無法用于表面完全封閉的環境，音頻偵測設備要求環境絕對安靜，電磁波偵測設備造價高昂，操作復雜，不適應大規模使用.把這些傳統的生命探測儀與主動式設計[3]相結合，則可以設計出克服傳統地震搜尋救援方案不足的新思路.

1 系統方案設計

主動生命探測儀根據實際情況分為了三個子系統，即：家庭救援裝置、搜救儀器和上位機.家庭救援裝置小巧便捷，適用于居家裝備.搜救儀器與家庭救援裝置協同工作，接收并分析家庭救援裝置發出的信號，對發射器進行定位.

1.1 主動式生命探測儀系統分析

主動式生命探測儀作為一種能夠結合傳統生命探測儀一種新型設備，擁有良好的系統功能擴展能力.例如其能夠接入人體紅外生命探測儀，又要根據其他需要動態的增加其他類型的生命探測儀.所以接口必須豐富，而其軟件需要增加IAP功能，可以通過運行時動態增加程序功能.

發送端采用每家每戶獨立安裝的方式,不能影響居家正常的工作與生活，能夠保證長時間的正常工作.在出現地震時，使用人員若被困,則立即對家庭內部受困人員進行檢測，一旦檢測到有受困人員，則發送模塊必須對該信息進行編碼成一條信息，并將該信息及求救信息主動發送給地面接收端.該生命探測儀還具有電池欠壓報警功能.地面接收端采用手持式,可對接收到的受困人員進行LCD顯示，進行蜂鳴報警.

該主動式生命探測儀不能依靠家庭傳統電力供電，所以在考慮供電時，必須采用電池供電方案，而電池供電方案又要充分考慮到電池供電不持久，電池更換不便的缺陷.通過設置電池低壓報警功能，通知工作人員及時的更換電池.

綜合前面所述的電池供電的種種不足與缺陷，控制平臺的選擇必須囊括可擴展性、高性能等低功耗等工作要求.在系統微控制器平臺的選擇上面也是較為講究.傳統的8051系列單片機功能比較單一，而且功耗控制的不是很好.相比較而言嵌入式ARM為控制平臺可以滿足系統的低功耗要求[4]，它與傳統的單片機相比而言具有更高的性能，更低的功耗與更便宜的價格.所以在選擇微控制器平臺時候，嵌入式ARM處理器有較大的優勢.

主動式生命探測儀從組成上包括三個子模塊：家庭救援裝置、搜救儀器和上位機.家庭救援裝置是一個安置在居民屋中的電子儀器箱，外觀形似電表箱，質地堅硬.它在開啟以后不斷監測周圍的受困人員信息.搜救儀為一種手持式帶顯示無線收發裝置，接收救家庭救援裝置發射的信息并下發控制信息.上位機是一臺與搜救儀連接的計算機.搜救儀上傳信號強度信息給上位機，讓上位機得以顯示受困人員的當前信息.

1.2 救援掛箱方案設計

如前面所述，救援掛箱不可以安裝家庭電力系統，所以采用3.3V的可充電電池供電，同時本系統配備充電模塊，充電模塊可以通過USB接口對救援掛箱進行充電，更適合于日常使用.

由于需要節能低功耗設計，所以救援掛箱采用ARM低功耗控制內核的cortex-m3內核的微控制器，該微控制器支持待機休眠模式，并且支持外部中斷喚醒處于睡眠的微控制器.

無線收發模塊將待發送信息通過ZigBee協議進行發送，接收端也可以使用同樣型號的ZigBee進行接收.

圖1 家庭救援裝置模塊圖

1.3 搜救儀方案設計

從功能模塊上劃分，搜救儀的構成如圖2、3所示，包括：主控MCU、搜救儀器、LCD顯示模塊、以及上位機.各模塊的功能描述如下.

無線傳輸模塊：數據的發送與接收.其主要接收來自救援掛箱和其他搜救儀的信息，并發送控制信息.

主控MCU從上位機接收控制命令，以及定位方法接收[5]，從無線傳輸模塊接收信息并完成解包，并把無線信號發送器發送的信號轉換成顯示信號與報警信號.

上位機部分可以作為地震救援指揮中心軟件使用，包括各種信息登記處理.

圖2 搜救儀模塊圖

2 系統硬件設計

本系統由家庭救援裝置與搜救儀器兩個功能模塊組成，家庭救援裝置有傳感器模塊與無線數據收發模塊組成.由于只有地震發生時候才能啟動裝置，故需要震動傳感器將地震信號轉換成電信號.而且由于家庭救援裝置需要檢測受困人員信號，而這些信號并非可直接測量參數，所以必須要通過傳感器將這些物理信號轉換為數據采集設備可以識別的電壓或電流信號[6].發射器要通過無線發射器將這些轉換后的信號發送給接收器.接收器部分也需要無線接收器用于接收發射器傳過來的數據，并根據預先設定的地點標簽，顯示在顯示器上.

2.1 家庭救援裝置硬件設計

接收器主要由地震監測傳感器、受困人員監測傳感器、微控制器最小系統與家庭救援裝置組成.地震監測傳感器用于監測地震的發生并同時喚醒處于睡眠中的微控制器；人體檢測傳感器用于檢測周圍的人體活動，并以模擬輸出的方式輸出到微控制器的A/D轉換接口[7]；微控制器在被喚醒后進行相應模塊的初始化，打開相應的設備，運行操作系統并處理信息；家庭救援裝置用于將微控制器系統處理好的數據發送到搜救設備終端.家庭救援裝置的硬件模塊圖如下所示：

圖3 家庭救援裝置硬件模塊圖

2.2 搜救儀硬件設計

接收器模塊包括無線信號接收器、微控制器與彩屏顯示器.無線信號接收器用于接收發射器發送過來的受困人員信息，經簡單處理后供系統使用；微控制器是搜救設備的核心，負責接收器和彩屏顯示功能的控制；彩屏顯示用于將無線信息發射器發射的信息處理后的受困人員信息顯示在終端彩屏上.接設備的無線接收模塊采用與上節無線發送模塊相同的設備，其唯一區別是該模塊通過配置設置成接收模式.微控制器也采用上節相同的最小系統設計.其結構設計如圖4所示.

圖4 搜救儀硬件模塊圖

3 系統軟件設計

由于一個微控制器要控制眾多的傳感器，故引入嵌入式微型操作系統UCOS-II，一方面可以協調各個硬件的運作，另一方面可以使用操作系統所提供的各種服務，如多進程、內存管理等.最為重要的是該操作系統內核提供各種應用程序組件，可以加快應用程序編程[8].系統注冊3個進程，其中一個進程用于循環監測人體紅外傳感器傳遞的數據并采集，另一個進程用于處理傳感器傳來的數據并打包發送給另一個無線發送進程，最后一個進程用于監測當前電源供電狀況，如果電壓低，則及時提示警報.系統在未進入地震模式時候處于掉電模式，震動后，震動傳感器的輸出端輸出邊沿信號出發中斷，喚醒掉電的微控制器，使其進入正常工作模式. 3.1家庭救援裝置軟件設計

進行家庭救援裝置軟件的設計，首先必須了解無線發射模塊的工作流程.由于該模塊采用電池供電，所以該模塊由三個并行的進程組成，并行模塊設計的好處是可以完成模塊設計的獨立性[9]，首先主進程用于程序的初始化，并且設計系統睡眠模式等待中斷，初始化完成后用于監測電池電壓的低壓報警功能.進程一用于監測周圍的活動人體，并把這種信息進行相應的處理送給進程二.軟件流程圖如圖5所示.

圖5 家庭救援裝置軟件系統流程圖

3.2 搜救儀器軟件設計

根據搜救模塊的工作特點，其程序流程圖如圖6所示.本部分軟件設計較為簡單，由于電源設計部分要求不如家庭救援裝置高，故該部分軟件設計沒有對電源部分加以控制與處理.

搜救儀器的工作流程如圖所示.從設備的啟動，無線收發器便來收發數據.如果收到有用的數據，便將該數據包解碼并且送到上位機顯示，與此同時搜救儀上面的GUI也將顯示該信息.該設備增加用戶開關，如果設備未關閉，則一直循環此工作.

圖6 搜救儀軟件系統流程圖

4 系統實際調試參數分析

本部分對該系統的可用性等方面進行測試，測試內容包括人體紅外監測模塊的可用性與無線收發的可用性進行測試.人體紅外傳感器與無線收發模塊的信息傳送能力均受到障礙物的影響，其測試結果如下表所示，測試分為電池供電時間測試與發射器性能測試.

4.1 電池供電時間測試從測試的結果來看，電池電壓在該系統正常工作的情況下及其正常工作兩個月的情況下仍然能夠保持3V的電壓，這種情況下可以連續的為微控制器與無線收發模塊提供一段時間，在一般的地震災害情況下，該系統能夠在一定的時間范圍發揮很大的作用.但是在地震強大較大的場合需要繼續提供大電量的電池供電，由于本次測試采用的是普通容量電池，由于家庭救援裝置采用是的固體封閉式盒裝結構，其電池的攜帶量也可以大大的提升.

表1 電池性能測試表

4.2 發射器性能測試

表2 電池性能測試表

從上面的測試結果來看，該系統的無線信號可以穿透大概8-9米的距離，可以穿透一層混泥土承重墻，而在大多數情況下地震受困人員的掩埋深度一般在10米以內，故該系統在地震搜救中可以達到一定的效果.

5 總結

本文著重介紹主動式生命探測儀的系統設計方案與軟硬件實現，提出了一種能夠應用在地震場合的受困人員搜救系統，該系統克服了傳統生命探測儀無法深入廢墟的缺點，創新的提出將生命探測儀與受困人員綁定的思路，可以在以后的災害搜救中嘗試使用該裝置.

顯然該裝置系統還存在一定的不足，而且系統的實際使用受到地震發生后環境諸多環境的影響，在這里的測試結果并沒有體現出來.該裝置在使用無線收發模塊時，該收發模塊仍然存在一定的問題，比如穿墻的方式等，這會受到復雜的環境而影響其結果.但是作為一種主動式生命探測儀將傳統生命探測儀與主動式相結合的新方法，可以為以后搜救儀器的發展提供新的思路.

〔1〕王嬌,王緒本,簡興祥.地震災害救助系統中聲波/振動信號的分離 [J].電子技術應用，2004（02）:78-81.

〔2〕萬統斌,段志善.一種新的音頻生命探測技術的實現[J].信息通信，2011(03).

〔3〕王冠凌，楊駿,徐頂,顧梅,吳玉玨,文東方.震災用主動式生命探測儀 [P].中國專利:201310092066.3, 2013-07-24.

〔4〕馬道勇,于海東.基于嵌入式的生命探測儀[J].科技資訊，2009(02).

〔5〕徐敏,周心權,趙紅澤,邢書仁.災變期井下遇難人員搜尋定位方法初探 [J].煤炭科學技術,2003（12）:23-25.

〔6〕王嬌,王緒本.地震救援系統中判斷聲波振動信號的同源問題[J].微型機與應用，2003（12）:39-41.

〔7〕樊秀云,袁嗣杰,張合敏.偽碼數字相關在超聲波測距中的應用[J].裝備指揮技術學院學報，2002（03）:354-357.

〔8〕陳勇.獨立分量分析在振動信號處理中的應用[D].吉林大學，2007.

TP273

A

1673-260X（2014）12-0043-04

安徽高校省級自然科學研究重點項目(KJ2013A042)