基于單片機的地震救援指揮控制系統

郭洪杰

（武警警官學院 四川·成都 610213）

0 引言

社會的進步導致我國城鎮化率越來越高，一個城市中的人口越來越集中的同時，建筑結構也變得多樣化，這也使得目前的救援任務變得復雜化，困難化。當前，如何提高保障裝備水平和工作效率，以及如何保證搶險救援人員安全，使救援人員在搶險救援中發揮更大的作用，成為目前亟待研究解決的問題。本文對單片機技術在搶險救援方面成功的經歷進行借鑒，研究設計出一套安全保障系統，實行對救援人員安全的實時、準確、高效管理與實時監控。將受困人員和救援人員的位置信息進行實時傳輸，提高支援效率。加快應急救援核心戰斗力的形成，對于提高行搶險救援任務的安全性和成功性有重大意義。

1 系統設計方案和工作原理

（1）便攜式定位終端，該模塊是佩戴在救援人員身上的監測裝置。該裝置和后端的監控指揮中心實時通信以便報告自身的相關情況。目前，已經完成的監測參數包括：同步時間，經緯度，心率。面對抗震救災過程中碰到的復雜地形，通過位置監測可以使得后端監控中心實時觀測到人員的部署和分布情況，提高指揮效率。

2 系統硬件選型分析

（1）單片機主控選型，STC12C5A60S2單片機是一款增強型51單片機，速度快，抗干擾強，代碼可兼容原始8051。由于其成本低，資源豐富，功能齊全，技術成熟等特點，STC12C5A60S2單片機成為目前51系列中的主流。

（2）定位模塊的選型，選用BLOXNEO-6MGPS模塊，GPS模塊發展比較成熟，定位速度快，精度高，適應性強。

（3）無線通信模塊選型采用433MHz頻段的SI4436無線通信模塊，SI4463模塊是一款高集成度的無線收發芯片。消耗低，傳輸距離遠，支持高速傳輸，體積小和穩定性高也是其優點之一，其傳輸距離高達3000米遠。

（4）顯示模塊的選型，選用OLED12864液晶顯示模塊OLED12864液晶可以顯示漢字，英文字符等信息，且無須背光模組，因此在屏幕的厚度和功耗上具有傳統液晶屏無法比擬的優勢，它的顯示對比度高，反應速度快，低分辨率的屏價格低廉，在便攜式電子設備中應用越來越廣。

（5）心率監測模塊的選型，根據心率產生的主要原因是動脈的相關活動，其在指尖組織中含量多。人心臟的跳動使得部分部位組織半透明度產生相應的變化，因此對于發光二極管也產生周期性的響應，將這種響應轉換成電信號則可計算出心率。自行設計一款心率測量模塊。

（6）報警模塊選擇，選用蜂鳴器加上LED燈組合形式使用蜂鳴器加上LED的形式便于實現，成本較低，對于電路設計、實物制作和結構、性能優化上有一定的幫助作用。且功能較容易實現，便于利用程序控制。

口口爾圖石墨礦區大地構造位置處于東昆侖造山帶伯喀里克—香日德元古宙古陸塊體[1-2]，區內構造演化歷史最早始于呂梁期—晉寧期，構成柴南緣地層分區的變質結晶基底，華力西期構造、巖漿活動較為強烈。

3 系統電路設計

3.1 單片機主控電路設計

STC12C5A60S2單片機最小系統電路主要包括芯片主體、外部晶振電路、復位電路，以及ISP程序下載電路四部分。主控電路電路圖如下圖所示。

（1）復位電路。

復位方式可分為按鍵復位和上電復位兩種。前者是指用戶可按照需求，手動將系統恢復到初始狀態。后者則是每次系統通電，自動復位。本設計兩種都可支持。

（2）時鐘電路。

晶振電路是同步單片機系統各個部件工作時序的最小時間單位。時鐘電路由22.1184MHz的晶體振蕩器 Y1，兩個20pF的電容C4和C5組成。產生高精度的時鐘信號驅動單片機工作。

（3）ISP下載電路。

P1即下載接口，對應到實物中是4個排針，利用此接口進行程序的調試輸出和下載，簡單方便。

3.2 GPS定位電路設計

P12和P13引腳是單片機的串口2引腳，其中P12為接收引腳，P13為發送引腳，分別和GPS模塊的TXD和RXD引腳相連。然后通過串口中斷接收數據存入緩沖區，在主程序中從緩沖區中讀取出來按照NMEA-0183協議解析得到經度，緯度，日期時間數據。

3.3 心率檢測電路設計

脈搏傳感器的后級處理電路，便是對脈搏傳感器輸出的模擬電信號進行脈沖整形，最終輸出數字信號供單片機檢測計算。P2是傳感器接口，需要接入電壓比較器經過整形轉化為數字信號。電壓比較器是對兩個電壓進行比較并以方波的形式顯示出來。方波信號最終送到單片機，單片機采集后得到信號的周期，計算出心率值。

3.4 無線通信電路設計

單片機和無線模塊通過串口連接使單片機具有無線通信功能，同理，PC機也可以通過串口和模塊連接使PC機具有無線通信功能。本設計中采用USB轉串口模塊，分別連接PC機的USB口以及無線模塊，PC機軟件通過讀寫串口實現無線數據的收發。實物中，模塊和單片機的串口1引腳P30和P31相連，此模塊為寬電壓供電范圍，無須專門作電壓轉換。

3.5 LCD液晶顯示電路設計

LCD屏的15引腳PSB接GND來設置LCD屏接口工作在串行模式。LCD模塊和單片機連接采用P25-P27共3個引腳，三個引腳的功能說明如下：

P25引腳：片選引腳，低電平時，LCD被選中處于工作狀態。

P26引腳：串行數據引腳，傳輸通信所需數據信號。

P27引腳：串行時鐘引腳，提供P26引腳通信所需要的時鐘信號。

3.6 聲光報警電路設計

聲光報警控制電路主要包括LED燈和蜂鳴器。由P23口控制PNP三極管S8550的通斷實現蜂鳴器控制，當P23引腳輸出低電平時蜂鳴器工作，P23引腳輸出高電平時蜂鳴器截止。P22引腳控制LED的工作情況，低電平時LED燈亮，反之燈滅。單片機的引腳默認為高電平，聲光報警是否工作完全由程序控制。

3.7 供電電源電路設計

本設計采用USB接口的電源線來供電。供電電壓為5V，方便在開發和測試階段采用各類 USB接口輸出的電源來測試，比如移動電源，電腦USB接口等。

DC_IN即實物電源插座，Switch是電源開關，C2和C3分別是電解電容和瓷片電容，并聯在電源兩端，濾除供電輸入的雜波，使電源輸入電壓電流穩定，最終輸出VCC給各模塊和芯片供電。

4 地震救援安全保障系統軟件設計

本設計軟件分為兩大部分：硬件便攜式終端中的單片機軟件,PC上位機監控系統軟件。軟件采用模塊化功能設計，即各個模塊采用驅動程序將操作控制方式封裝在模塊對應的驅動程序里，然后主程序只需要采用驅動程序即可以完成輸入輸出控制，因此本章也采用主程序加功能模塊子程序的方式來描述。

4.1 便攜式安全保障終端軟件主程序設計

硬件端主程序的邏輯功能相對簡單,開機啟動后就接收GPS定位信號，定位成功后就解析計算位置信息進行顯示，同時檢測心率值，心率異常時，蜂鳴提醒。程序定時將心率數據和位置數據打包無線發送至遠程監控中心。系統同時接收遠程監控中心下達的指令信號，在LCD顯示同進蜂鳴提醒救援人員。

4.2 上位機監控系統設計

本設計中上位機使用C#語言，通過Microsoft Visual Studio 2012軟件平臺進行設計，設計內容包括：（1）顯示界面設計部分；（2）串口通信部分（通過串口和無線模塊連接進行數據收發操作）；（3）數據文本信息顯示部分；（4）百度地圖定位顯示部分。上位機界面設計采用 WinForm可視化設計器來設計，WinForm為Net平臺對WindowsForm的稱呼。Net平臺為開發WinForm提供了大量的類庫。這些類庫被封裝在一個名稱空間System.Windows.Forms里。通過VS2012軟件的工具箱，找到所需要的控件，然后拖到界面上進行布局。本設計中用到的控件有 Label，TextBox，Button，PictureBox，Group,WebBrowser等。

5 結束語

在本次設計的過程中，由于本人掌握知識有限，特別是一些具體的參數設置和計算還有待優化，此外，整個抗震救災保障系統雖然已經力求準確，仍存在較大的提升空間。

第一，本設計可以增加防水功能。通過以一定的技術使得系統能夠防水，這樣不僅在抗震救災中實用，也可以應用于抗洪。

第二，本設計采用的是按鈕報警存在缺陷。可利用傳感器技術，當檢測到救援人員的心率不正常時實施自動報警，可有效提高安全防護能力。