地震救援輔助系統(tǒng)

韓啟洋 譚建軍 何為 季振亞 楊梅 向俊杰

摘 要：系統(tǒng)以MSP430單片機作為主控中心，融合振動傳感器、氧氣傳感器、有毒氣體傳感器等及聲音采集和雷達感應模塊以檢測生命體征和判斷救援緊急等級。定位模塊可實現(xiàn)對救援對象的準確定位，數(shù)據(jù)傳輸模塊將當前位置的氣體含量、氧氣濃度、海拔位置等信息打包上傳到云端，手機終端通過APP訪問服務器并獲取數(shù)據(jù)，為救援搜救工作節(jié)約時間。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，當檢測到WiFi信號時，只需在后臺做出相應的操作即可通過CC3200上傳數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的實時性。當基站恢復時，則通過GPRS輔助CC3200傳輸數(shù)據(jù)，確保信息能夠被準確發(fā)出。系統(tǒng)采用低功耗設(shè)計理念，通過對供電模塊的硬件設(shè)計和調(diào)試，在實際供電時耗能極小。系統(tǒng)采用嵌入式平臺搭建，分為休眠狀態(tài)及工作狀態(tài)。同時，該裝置采用集成化設(shè)計，具有布線精細、體積小、質(zhì)量輕、安裝簡單（可安裝在房頂）、輻射面積寬廣等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：低功耗;WiFi;物聯(lián)網(wǎng);互聯(lián)網(wǎng);實時數(shù)據(jù)

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）02-0-02

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)時代已經(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)的一個實時共享網(wǎng)絡，它描述了一個智能化的世界，預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，同時新型MCU技術(shù)面對物聯(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)應用到生活中是當前經(jīng)濟和社會結(jié)合的一個亮點，尤其是應用到成長與教育中，將更有助于推廣物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)學科。

全世界有120多萬人死于地震，幾乎處于地震帶上的每個地方都受到過地震的侵擾[1]。當?shù)卣鸬葒乐氐淖匀粸暮Πl(fā)生后，救援人員無法第一時間趕到災區(qū)，而到達災區(qū)后也需要更多的救援儀器進行搜救工作，目前市面上用于救援的探測器雖然能夠精確探測到生存者，但探測范圍往往有很大的局限性，精確探測面積過小，且該儀器的使用對操作人員也有較高要求，需要接受專業(yè)訓練，人力和物力消耗過大，效率較低[2]。同時這些儀器還存在明顯的缺點，即無法對傷員進行分級，容易錯過急需救助的傷員，很多傷者受氧氣不足或吸入有毒氣體、救援時間過長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)在檢測到外部震動后觸發(fā)，主控單片機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，單片機自動分析并確定在有效探測距離范圍內(nèi)是否有待救援人員。若是，則系統(tǒng)將自動進行GPS+北斗定位，檢測當前位置的氣體含量、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，為營救出待救者做充足的準備。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傳感器檢測是否發(fā)生震動，當檢測到外部震動時，振動傳感器立即將數(shù)據(jù)傳送給單片機，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的MSP430單片機。通過程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)未被觸發(fā)時維持低功耗的狀態(tài)，保證其運行時間。當被觸發(fā)以后恢復正常工作狀態(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CC3200的設(shè)置，在檢測到WiFi后自動連接并發(fā)送單片機處理后的數(shù)據(jù)。

（2）當信號基站可以正常運作時，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 檢測裝置

檢測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、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，以判斷在有效測試范圍內(nèi)是否有待救援人員存在[5]。當可能存在待救援人員時，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：常見有毒氣體檢測模塊檢測氣體濃度，將數(shù)據(jù)傳送給主控，主控進行處理，判斷出危險程度后上傳。

1.5 顯 示

顯示部分分為APP顯示和網(wǎng)頁顯示兩部分，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;電腦端方便后臺指揮人員查看情況。

2 硬件組成

2.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

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 振動傳感器模塊

振動傳感器選用SW-420高靈敏傳感器模塊，經(jīng)比較器輸出，信號干凈，波形好，驅(qū)動能力強（超過15 mA），工作電壓為3.3～5 V，以數(shù)字開關(guān)量輸出（0和1），觸發(fā)時間短，可以有效在震動瞬間觸發(fā)報警，輸出端可以直接與MSP430單片機連接，以檢測環(huán)境是否發(fā)生改變，是否啟動系統(tǒng)響應，當出現(xiàn)震動時其他硬件設(shè)備即刻運行[6-7]。

2.2.2 氧氣傳感器

氧氣傳感器采用英國阿爾法公司設(shè)計生產(chǎn)的O2-A2氧氣傳感器，此傳感器使用壽命較長，安裝后無需花費較長時間管理[8]。該傳感器可以實時監(jiān)控空氣中的氧氣含量，方便營救人員作出判斷。

2.2.3 氣壓傳感器模塊

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

2.2.4 有毒氣體檢測模塊

采用MQ135空氣質(zhì)量模塊檢測有毒氣體。該模塊靈敏度較高，具有穩(wěn)定性高、傳感器自診斷、功耗低、壽命長等特點，可對一氧化碳、甲醛等一些對人體有害的氣體進行檢測。

2.2.5 聲音采集模塊

本文設(shè)計采用具有高靈敏、高保真特點的KZ-501B拾音器。模塊尺寸僅為13 mm×50 mm，針孔設(shè)計有進音口，方便安裝，自帶前置放大IC，拾音范圍可達100 m2。該模塊噪聲小、失真低，采用6～14 V DC供電，已達到高靈敏度監(jiān)聽級別，完全滿足本文設(shè)計需求。

2.2.6 雷達感應模塊

人體感應系統(tǒng)采用HFS-DC06多普勒微波雷達模塊，該模塊從天線發(fā)出5.8 GHz微波，遇到被測物體時通過接收反射回來的微波實現(xiàn)微波檢測。微波雷達模塊不受環(huán)境溫度影響，抗干擾能力強，感應范圍可達12 m，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)計要求。

2.2.7 定位模塊

定位模塊采用UM220北斗+GPS多系統(tǒng)導航定位模塊，該模塊尺寸小，重量輕，成本較低，功耗小于120 mW，在很大程度上延長了使用時間。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定位功能，彌補了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)計生產(chǎn)的CC3200 WiFi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可與兩個服務器通信，接收不同服務器的命令[10]。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計的災害后救援系統(tǒng)能夠自動檢測和分析在有效探測距離范圍內(nèi)是否有人員生存，如果有待救援人員，系統(tǒng)將自動進行GPS+北斗定位，測定當前位置氣體含量，氧氣濃度，海拔位置等，并將數(shù)據(jù)打包上傳到云端，手機通過訪問服務器獲取數(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，為營救出待救者做充足準備，大大提高了救援效率。

參 考 文 獻

[1]樓寶棠.中國古今地震災情總匯[M].北京：地震出版社，1996.

[2]王東明，周燕國，李永佳.土木工程專業(yè)人員在地震應急救援中的作用和參與機制[J].自然災害學報，2011，20（6）：45-50.

[3]張京江，張朝林，王迎春，等.北京地基 GPS水汽遙測系統(tǒng)遠程通信與控制系統(tǒng)及其初步應用[J].氣象科技，2005，33（3）：271-274.

[4]崔勁松，張濤，楊雨春.GPRS/GIS技術(shù)在自動雨量監(jiān)測網(wǎng)中的應用[J].氣象科技，2006，34（2）：205-209.

[5] COLLAN Y，TORKKELI T，PESONEN E.Applicantion of morphometry in tumor pathology[J].Analyt. quant. cytol.，1987，9（2）：79-88.

[6]田曉鳳.基于振動傳感器的周界圍欄報警監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[D].沈陽：沈陽航空航天大學，2013.

[7]湯寶平，賀超，曹小佳.面向機械振動監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)[J].振動、測試與診斷，2010（4）：357-361.

[8]任海燕.氧化錯測氧技術(shù)的應用[J].東北電力技術(shù)，1996（12）：42-47.

[9]戴邵武，馬長里，代海霞.SINS 組合導航系統(tǒng)研究全球定位系統(tǒng)[J].GNSS world of China，2010，35（1）：25-29.

[10]趙艷，汪春梅.基于CC3200的智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計[J].電視技術(shù)，2016，40（6）：44-47.