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(yīng)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(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)檢測到WiFi信號時，只需在后臺做出相應(yīng)的操作即可通過CC3200上傳數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的實時性。當(dāng)基站恢復(fù)時，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(biāo)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(luò)，它描述了一個智能化的世界，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(yīng)用到生活中是當(dāng)前經(jīng)濟和社會結(jié)合的一個亮點，尤其是應(yīng)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(xué)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(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間趕到災(zāi)區(qū)，而到達災(zāi)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(xùn)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(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(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傳感器檢測是否發(fā)生震動，當(dāng)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(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(dāng)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(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，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(yīng)，當(dāng)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(dāng)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(yīng)模塊

人體感應(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(biāo)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?，且可保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴４四K可與兩個服務(wù)器通信，接收不同服務(wù)器的命令[10]。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計的災(zāi)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(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，為營救出待救者做充足準(zhǔn)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(zāi)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(yīng)急救援中的作用和參與機制[J].自然災(zāi)害學(xué)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(yīng)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(yīng)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(xué)，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(luò)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(yīng)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(dǎo)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.