地震救援輔助系統

韓啟洋 譚建軍 何為 季振亞 楊梅 向俊杰

摘 要：系統以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。定位模塊可實現對救援對象的準確定位，數據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據，為救援搜救工作節約時間。無線數據傳輸采用CC3200模塊，由GPRS輔助，確保數據上傳，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上傳數據，保證了數據的實時性。當基站恢復時，則通過GPRS輔助CC3200傳輸數據，確保信息能夠被準確發出。系統采用低功耗設計理念，通過對供電模塊的硬件設計和調試，在實際供電時耗能極小。系統采用嵌入式平臺搭建，分為休眠狀態及工作狀態。同時，該裝置采用集成化設計，具有布線精細、體積小、質量輕、安裝簡單（可安裝在房頂）、輻射面積寬廣等優點。

關鍵詞：低功耗;WiFi;物聯網;互聯網;實時數據

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

物聯網時代已經來臨，它改變了人們生活的方方面面。物聯網是基于互聯網、RFID技術的一個實時共享網絡，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了物與物的互聯，更體現了物聯網技術朝著微型化、可視化、智能化發展的趨勢，同時新型MCU技術面對物聯網技術的挑戰，推出了可穿戴設備迎合未來的發展。將物聯網技術應用到生活中是當前經濟和社會結合的一個亮點，尤其是應用到成長與教育中，將更有助于推廣物聯網技術，發展物聯網學科。

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]。當地震等嚴重的自然災害發生后，救援人員無法第一時間趕到災區，而到達災區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

本文系統在檢測到外部震動后觸發，主控單片機采用低功耗模式喚醒，為模塊供電，傳感器將數據送至單片機，單片機自動分析并確定在有效探測距離范圍內是否有待救援人員。若是，則系統將自動進行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，這些數據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。系統流程如圖1所示。

1.1 觸發裝置

本文裝置采用高精度振動傳感器檢測是否發生震動，當檢測到外部震動時，振動傳感器立即將數據傳送給單片機，觸發系統從低功耗狀態切換到正常工作狀態。

1.2 主 控

主控采用具有低功耗特點的MSP430單片機。通過程序實現在系統未被觸發時維持低功耗的狀態，保證其運行時間。當被觸發以后恢復正常工作狀態。

1.3 數據傳輸

數據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模塊傳輸數據，以避免基站被破壞后信息無法上傳的情況出現。通過對CC3200的設置，在檢測到WiFi后自動連接并發送單片機處理后的數據。

（2）當信號基站可以正常運作時，則通過GPRS輔助CC3200傳輸數據，以保證數據的正常傳輸[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，將數據傳送給主控，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顯示和網頁顯示兩部分，均從云端提取數據。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 系統的總體設計

本文系統主要包括主控制器、氧氣傳感器、有毒氣體分析、空氣質量分析、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，經比較器輸出，信號干凈，波形好，驅動能力強（超過15 mA），工作電壓為3.3～5 V，以數字開關量輸出（0和1），觸發時間短，可以有效在震動瞬間觸發報警，輸出端可以直接與MSP430單片機連接，以檢測環境是否發生改變，是否啟動系統響應，當出現震動時其他硬件設備即刻運行[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計生產的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，為營救方提供更優質的選擇，有效縮短救援時間。

2.2.4 有毒氣體檢測模塊

采用MQ135空氣質量模塊檢測有毒氣體。該模塊靈敏度較高，具有穩定性高、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，已達到高靈敏度監聽級別，完全滿足本文設計需求。

2.2.6 雷達感應模塊

人體感應系統采用HFS-DC06多普勒微波雷達模塊，該模塊從天線發出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微波檢測。微波雷達模塊不受環境溫度影響，抗干擾能力強，感應范圍可達12 m，可穿透非金屬物質且不受灰塵影響，穩定性高，體積小，符合本文設計要求。

2.2.7 定位模塊

定位模塊采用UM220北斗+GPS多系統導航定位模塊，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 數據傳輸模塊

數據傳輸模塊采用TI公司設計生產的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，極大地提升了數據傳輸的性能，且可保證數據傳輸的完整性。此模塊可與兩個服務器通信，接收不同服務器的命令[10]。

3 結 語

本文設計的災害后救援系統能夠自動檢測和分析在有效探測距離范圍內是否有人員生存，如果有待救援人員，系統將自動進行GPS+北斗定位，測定當前位置氣體含量，氧氣濃度，海拔位置等，并將數據打包上傳到云端，手機通過訪問服務器獲取數據，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

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