李政清，王　健

(1.三亞學院，海南 三亞 570200；2.三亞長島廣電特種設備有限公司，海南 三亞 570200)

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多功能智能搜救小車的設計

李政清1，王健2

(1.三亞學院，海南 三亞 570200；2.三亞長島廣電特種設備有限公司，海南 三亞 570200)

針對某些災難現(xiàn)場救援人員無法及時到達，設計了基于STM32F103VE單片機為核心控制芯片的多功能搜救小車。利用紅外熱釋電傳感器、影音錄制、溫濕度檢測、光強檢測、車距檢測、無線傳輸?shù)茸酉到y(tǒng)采集幸存人員、災難現(xiàn)場影音資料、溫濕度、光線強度、小車的前后障礙物距離等數(shù)據(jù)，實時傳輸給救援人員，為救援指揮部提供有價值的參考信息，實現(xiàn)從盲目救援到理性救援的重要轉(zhuǎn)變。最后，通過實驗測試證明各子系統(tǒng)工作正常，安全可靠，達到設計要求。

智能搜救；STM32單片機；OV7670；NRF24L01

近年來，各種各樣的災害如地震、礦難、煤氣泄露、火災等屢見不鮮，其帶來的傷害也在所難免，首當其沖的是被困于災難現(xiàn)場的人，然而由于種種原因致使救援人員無法進入災難現(xiàn)場及時了解現(xiàn)場的各項環(huán)境參數(shù)和受災情況，這對援救工作的開展造成了很大的阻礙。智能搜救小車可以幫助甚至代替救援人員進行救援是勢在必行的。

智能搜救小車可以穿越狹窄區(qū)域找到受難者并搭建救援中心與受難者間信息交流的通道，同時及時收集各種環(huán)境參數(shù)和災難現(xiàn)場的影音資料進行處理后實時地傳送回營救中心，為救援指揮部提供有價值的參考信息，實現(xiàn)從盲目救援到理性救援的重要轉(zhuǎn)變。

1　智能搜救小車的組成

智能搜救小車以STM32F103VE單片機為主控制芯片對子系統(tǒng) (紅外熱釋電傳感器、影音錄制、溫濕度檢測、光強檢測、車距檢測、無線傳輸、報警等子系統(tǒng))采集到的信息(幸存人員、災難現(xiàn)場影音資料、溫濕度、光線強度、小車的前后障礙物距離等)進行處理后傳輸?shù)缴衔粰C，給救援指揮部提供可靠的信息。根據(jù)性能要求可以把搜救小車具體分為六個子系統(tǒng)，分別是：人體感應系統(tǒng)、災難現(xiàn)場影音處理系統(tǒng)、災難現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、自動尋跡防碰撞系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)。

上述系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)中的傳感器不斷檢測災難現(xiàn)場的環(huán)境，將檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺匦酒琒TM32中，單片機通過無線傳輸系統(tǒng)將災難現(xiàn)場環(huán)境變化實時傳輸給救援人員，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2　組成模塊功能

2.1人體感應模塊

人體感應系統(tǒng)主要由DYP-ME003人體感應和報警系統(tǒng)組成。當DYP-ME003發(fā)現(xiàn)幸存者時發(fā)聲警報，并將此信息通過無線傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)骄仍笓]中心。其主要由PIR熱釋電傳感器、菲涅爾透鏡組成，使用簡單，感應距離7 m，靜功耗為50 uA，可全自動的感應人體，當人進入感應區(qū)輸出高電平，人離開感應范圍則自動延時關(guān)閉高電平輸出低電平。同時具有兩種觸發(fā)方式：可重復觸發(fā)和不可重復觸發(fā)。不可重復觸發(fā)方式：即感應輸出高電平后，延時一段時間結(jié)束，輸出將自動從高電平變?yōu)榈碗娖健？芍貜陀|發(fā)方式：即感應輸出高電平后，在延時時間段內(nèi)，如果在感應區(qū)范圍內(nèi)有人，其輸出高電平，直到檢測不到人才延時將高電平變?yōu)榈碗娖剑仍畷r可用此功能尋找幸存者。還可以設置感應封鎖時間，感應模塊在每一次感應輸出后的時間段(2.5 s)不接受任何感應信號，此功能可以實現(xiàn)“感應輸出時間”和“封鎖時間”兩者的間隔工作，同時還可以有效抑制負載切換過程中產(chǎn)生的各種干擾，大大提高了尋找到幸存者具體位置的概率。

2.2災難現(xiàn)場影音處理模塊

某些災難現(xiàn)場是救援人員無法進入的，影音處理系統(tǒng)加入就可以把現(xiàn)場環(huán)境的影音資料傳輸給救援人員，甚至可以在發(fā)現(xiàn)幸存者后進行視頻通話，使救援人員更全面的掌握實際環(huán)境。

OV7670 CAMERACHIPTM圖像傳感器通過SCCB總線控制，可以輸出整幀、子采樣、取窗口等方式的各種分辨率8位影相數(shù)據(jù)。其VGA圖像最高達到30幀/秒，用戶可以完全控制圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式。所有圖像處理功能過程包括伽瑪曲線、白平衡、飽和度、色度等都可以通過SCCB接口編程。OmmiVision圖像傳感器應用獨有的傳感器技術(shù)，通過減少或消除光學或電子缺陷如固定圖案噪聲、托尾、浮散等，提高圖像質(zhì)量，得到清晰的穩(wěn)定的彩色圖像?？紤]到救援小車的運行環(huán)境，全向收音，廣角接收，信號范圍大的麥克風是最佳選擇，可使幸存者和救援人員的通話更加方便。

2.3災難現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

災難現(xiàn)場的環(huán)境是否適合遇難者的生存，在這種環(huán)境中遇難者能生存多久，這些都是救援者需要了解的基礎信息。災難現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測系可以精確的測出環(huán)境的溫度、濕度及光線強度等基本信息，為救援工作的開展做好準備。

溫濕度傳感器模塊主要采集參考點的溫濕度數(shù)字信號。采集到的數(shù)字信號經(jīng)單片機處理后傳輸?shù)缴衔粰C同時在TFTLCD顯示器上顯示溫濕度。當測得溫濕度超出設定界限溫濕度時進行報警，提示救援人員惡劣環(huán)境的出現(xiàn)。

光照模塊主要采集參考點的光照強度數(shù)字信號。采集到的數(shù)字信號經(jīng)單片機處理后傳輸?shù)缴衔粰C同時在TFTLCD顯示器上顯示光強，當光照強度小于設定值下限時單片機通過三極管驅(qū)動繼電器打開安裝于小車上的照明燈，為環(huán)境監(jiān)測提供足夠的光強；當光照強度大于設定值上限時單片機通過三極管驅(qū)動繼電器關(guān)閉此燈。具有優(yōu)異的分光感度特性及高靈敏度的數(shù)字輸出型的BH1750光照度傳感器模塊，內(nèi)置16 bit A/D轉(zhuǎn)換器，功耗低，足以滿足設計要求。STM32F103VE與BH1750之間的通信使用標準的I2C協(xié)議，STM32F103VE通過內(nèi)部包含的I2C通信接口與BH1750的I2C接口相連，容易實現(xiàn)編程和控制[1]。

2.4自動循跡防碰撞系統(tǒng)

超聲波自動循跡防碰撞系統(tǒng)由STM32單片機、超聲波發(fā)射電路、接收電路、放大電路、比較整形電路等組成。工作時由STM32的TIM1高級定時器輸出兩路互補的PWM信號，升壓后產(chǎn)生約18 V電壓來驅(qū)動超聲波發(fā)射器，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；超聲波在空氣中傳播，遇障礙物返回，進入超聲波接收器，然后經(jīng)過濾波、放大、整形，進入單片機，單片機將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號，處理后在TFTLCD顯示器上顯示汽車與障礙物的距離[2]。

超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了[3]。系統(tǒng)框圖如圖所示。設超聲波脈沖由傳感器發(fā)出到接收所經(jīng)歷的時間為t，超聲波在空氣中的傳播速度為c(c=340 m/s)，則從傳感器到目標

圖2　超聲波測距系統(tǒng)框圖

物體的距離D可用下式求出：

D=ct/2 .

(1)

2.5無線傳輸系統(tǒng)

NRF24L01單片射頻收發(fā)器芯片內(nèi)置頻率發(fā)生器、增強型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器，輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設置可以通過SPI接口進行設置，可以連接到STM32單片機芯片，并完成無線數(shù)據(jù)傳送工作。當工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為0dBm時電流消耗為11.3 mA，接收模式時為12.3 mA，掉電模式和待機模式下電流消耗更低，工作在2.4 GHz的ISM頻段時，具有高達2 Mbps的傳輸速度，內(nèi)置CRC校驗和出錯重傳機制，在2 Mbps的速度下，接收電流僅為12.3 mA，發(fā)送電流僅為113 mA，功耗很低。發(fā)送端單片機STM32可以通過編寫程序?qū)o線射頻芯片NRF24L01的參數(shù)進行設置，將其設置為發(fā)送模式，然后等待外部中斷的輸入，當中斷輸入，則控制芯片將數(shù)據(jù)發(fā)射接收模式，如果在有效應答時間內(nèi)收到應答信號，則認為數(shù)據(jù)成功發(fā)送到接收端，如果沒收到則重新發(fā)送數(shù)據(jù)，若自動重發(fā)計數(shù)器溢出，則TX_DS產(chǎn)生中斷，通過寫狀態(tài)寄存器來復位。若收到應答信號，則認為數(shù)據(jù)成功發(fā)送到接收端，則繼續(xù)發(fā)送寄存器中的下一包數(shù)據(jù)。

接收端單片機STM32可以通過輸入程序?qū)o線射頻芯片NRF24L01的參數(shù)進行設置，設為接收模式以接受檢驗信號。接收到檢驗信號后，NRF24L01的自動應答功能會發(fā)送應答信號給發(fā)送端已確認收到信號，接著nRF24L01通過MAX_RT中斷通知接收端單片機，單片機進行數(shù)據(jù)接收并將其傳送給上位機。接收端的單片機在接收到中斷的同時，要同發(fā)射端芯片進行時間上的協(xié)同，以此來保證發(fā)送和接收的配合。最后清除NRF24L01的狀態(tài)寄存器，再次為下一次數(shù)據(jù)的接收做好準備。

3　測試結(jié)果

測試時選擇晴天并將光照度采集模塊安裝在實驗室樓道內(nèi)，沒有陽光直接照射和遮擋物，記錄一天從早上7點到晚上9點時間段的光照度采集數(shù)據(jù)，光照度采集數(shù)據(jù)如圖所示。記錄時間間隔為每半小時一次。從數(shù)據(jù)圖中可以看出光照度采集模塊工作相對穩(wěn)定符合設計要求，參考點位置選擇合適。

圖3　光照度采集數(shù)據(jù)

溫度采集模塊測試時測量地點為在實驗室內(nèi)，采用搜救小車控制器和標準溫度計共同對同一時間同一環(huán)境的溫度進行測量，實驗記錄了一個小時時間段內(nèi)的溫度，數(shù)據(jù)記錄時間間隔為三分鐘，考慮到由于時間段時間比較短，環(huán)境溫度變化不大，不能準確判斷模塊工作的情況，在測試期間用電風扇人為對測試點隨機吹風。溫度采集數(shù)據(jù)如圖所示。從圖中可以看到模塊溫度采集數(shù)據(jù)和標準溫度計采集數(shù)據(jù)基本保持一致，在有人為降溫的過程中，控制器測溫靈敏，符合設計要求。

圖4　溫度采集數(shù)據(jù)

測試結(jié)果顯示系統(tǒng)基本滿足文中所闡述的控制要求，并通過實際操作發(fā)現(xiàn)了電路測試中的一些注意事項，對以后的深入開發(fā)有很大的好處。

4　總結(jié)

救援小車中的人體感應系統(tǒng)、災難現(xiàn)場影音處理系統(tǒng)、災難現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、自動循跡防碰撞系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)等子系統(tǒng)通力合作，互相配合，使救援人員全面、實時、準確的掌握幸存者所處的環(huán)境，及幸存者的體力等信息，為救援工作做好準備工作，是成功營救的前提。

[1]何安科.基于STM32與光強傳感器BH1750的無線路燈控制系統(tǒng)[J].企業(yè)科技與發(fā)展,2011,20:15-17.

[2]苑潔，常太華.基于STM32單片機的高精度超聲波測距系統(tǒng)的設計[J].電子設計工程,2011,15:76-78+82.

[3]陳勇，黃席樾，楊尚罡.汽車防撞預警系統(tǒng)的研究與發(fā)展[J].計算機仿真,2006,12:239-243.

Design for Multi-functional and Intelligent Rescuing Trolley

Li Zhengqing1, Wang Jian2

(1.SanyaCollege,SanyaHainan570200,China;2.SanyaChangdaoPhotoelectricalSpecialEquipmentLimitedCompany,SanyaHainan570200,China)

Due to that the rescue workers cannot arrive at some disaster sites in time, the multi-functional rescuing trolley based on STM32F103VE single chip as the core control chip is designed. The information of survival, audiovisual materials, temperature, humidity and light intensity of the disaster site, also the front and back distance to the barrier and other data is collected and then transferred to the rescue workers by the infrared thermal pyroelectric sensor, video recorder, temperature and humidity detector, light intensity detector, distance detector, wireless transmitter and other subsystems to provide the valuable reference information for the headquarters to convert the blind rescuing style to the rational rescuing style. Finally, the modules are certificated to be normal and safe, which can meet the design requirements.

intelligent rescuing; STM32SCM; OV7670; NRF24L01

2016-04-11

李政清(1986- )，男，山西晉中人，中北大學測試計量技術(shù)與儀器專業(yè)，碩士，現(xiàn)為三亞學院理工學院教師。

1674- 4578(2016)04- 0020- 03

TN98

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