地震救援輔助系統(tǒng)

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，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。

                                                                                                              圖 1 系統(tǒng)流程圖

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。

                                                                                                                                                                                                          圖 2 硬件組成

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 13mm×50mm，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) 100m2。該模塊噪聲小、失真低，采用 6 ～14VDC 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。