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        地震救援輔助系統(tǒng)

        2019-03-29 11:54:42韓啟洋譚建軍何為季振亞楊梅向俊杰
        物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2019年2期
        關(guān)鍵詞:低功耗物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)

        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(jī)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(dá)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(shí)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(jī)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(shí)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(jì)理念,通過對供電模塊的硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試,在實(shí)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(jì),具有布線精細(xì)、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(diǎn)。

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

        中圖分類號:TP39文獻(xiàn)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(shí)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(shí)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(jì)和社會結(jié)合的一個亮點(diǎn),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?jǐn)_[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(dá)災(zāi)區(qū)后也需要更多的救援儀器進(jìn)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(diǎn),即無法對傷員進(jìn)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(jī)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(jī),單片機(jī)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(jìn)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(jī),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(diǎn)的MSP430單片機(jī)。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(yùn)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(jī)處理后的數(shù)據(jù)。

        (2)當(dāng)信號基站可以正常運(yùn)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(jìn)行處理,判斷出危險(xiǎn)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(jì)

        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(qiáng)(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(bào)警,輸出端可以直接與MSP430單片機(jī)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(yùn)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(jì)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(fèi)較長時間管理[8]。該傳感器可以實(shí)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(jìn)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(diǎn),可對一氧化碳、甲醛等一些對人體有害的氣體進(jìn)行檢測。

        2.2.5 聲音采集模塊

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

        2.2.6 雷達(dá)感應(yīng)模塊

        人體感應(yīng)系統(tǒng)采用HFS-DC06多普勒微波雷達(dá)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(shí)現(xiàn)微波檢測。微波雷達(dá)模塊不受環(huán)境溫度影響,抗干擾能力強(qiáng),感應(yīng)范圍可達(dá)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(jì)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(bǔ)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(jì)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?。此模塊可與兩個服務(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(jì)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(jìn)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(jī)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(xiàn)

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        [3]張京江,張朝林,王迎春,等.北京地基 GPS水汽遙測系統(tǒng)遠(yuǎn)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(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].沈陽:沈陽航空航天大學(xué),2013.

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        [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(jì)[J].電視技術(shù),2016,40(6):44-47.

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