地震救援辅助系统

韩启洋 谭建军 何为 季振亚 杨梅 向俊杰

摘 要：系统以MSP430单片机作为主控中心，融合振动传感器、氧气传感器、有毒气体传感器等及声音采集和雷达感应模块以检测生命体征和判断救援紧急等级。定位模块可实现对救援对象的准确定位，数据传输模块将当前位置的气体含量、氧气浓度、海拔位置等信息打包上传到云端，手机终端通过APP访问服务器并获取数据，为救援搜救工作节约时间。无线数据传输采用CC3200模块，由GPRS辅助，确保数据上传，当检测到WiFi信号时，只需在后台做出相应的操作即可通过CC3200上传数据，保证了数据的实时性。当基站恢复时，则通过GPRS辅助CC3200传输数据，确保信息能够被准确发出。系统采用低功耗设计理念，通过对供电模块的硬件设计和调试，在实际供电时耗能极小。系统采用嵌入式平台搭建，分为休眠状态及工作状态。同时，该装置采用集成化设计，具有布线精细、体积小、质量轻、安装简单（可安装在房顶）、辐射面积宽广等优点。

关键词：低功耗;WiFi;物联网;互联网;实时数据

中圖分类号：TP39文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）02-0-02

0 引 言

物联网时代已经来临，它改变了人们生活的方方面面。物联网是基于互联网、RFID技术的一个实时共享网络，它描述了一个智能化的世界，预示着人们之后的生活也将步入互联化，通过在日常生活用品中嵌入智能模块使人们的生活变得更加智能。地震救援装置从根本上实现了物与物的互联，更体现了物联网技术朝着微型化、可视化、智能化发展的趋势，同时新型MCU技术面对物联网技术的挑战，推出了可穿戴设备迎合未来的发展。将物联网技术应用到生活中是当前经济和社会结合的一个亮点，尤其是应用到成长与教育中，将更有助于推广物联网技术，发展物联网学科。

全世界有120多万人死于地震，几乎处于地震带上的每个地方都受到过地震的侵扰[1]。当地震等严重的自然灾害发生后，救援人员无法第一时间赶到灾区，而到达灾区后也需要更多的救援仪器进行搜救工作，目前市面上用于救援的探测器虽然能够精确探测到生存者，但探测范围往往有很大的局限性，精确探测面积过小，且该仪器的使用对操作人员也有较高要求，需要接受专业训练，人力和物力消耗过大，效率较低[2]。同时这些仪器还存在明显的缺点，即无法对伤员进行分级，容易错过急需救助的伤员，很多伤者受氧气不足或吸入有毒气体、救援时间过长等因素影响而失去了宝贵的生命。在目前这种救援速度较慢的情况下，急需一种提升救援速度的装置。

1 功能阐述

本文系统在检测到外部震动后触发，主控单片机采用低功耗模式唤醒，为模块供电，传感器将数据送至单片机，单片机自动分析并确定在有效探测距离范围内是否有待救援人员。若是，则系统将自动进行GPS+北斗定位，检测当前位置的气体含量、氧气浓度、海拔位置等，这些数据将被打包上传到云端，显示施救者与待救援者之间的距离。同时显示救援人员与待救援人员的具体位置，为施救者提供便利，为营救出待救者做充足的准备。系统流程如图1所示。

1.1 触发装置

本文装置采用高精度振动传感器检测是否发生震动，当检测到外部震动时，振动传感器立即将数据传送给单片机，触发系统从低功耗状态切换到正常工作状态。

1.2 主 控

主控采用具有低功耗特点的MSP430单片机。通过程序实现在系统未被触发时维持低功耗的状态，保证其运行时间。当被触发以后恢复正常工作状态。

1.3 数据传输

数据传输分为如下两部分：

（1）在信号基站被破坏的情况下使用CC3200模块传输数据，以避免基站被破坏后信息无法上传的情况出现。通过对CC3200的设置，在检测到WiFi后自动连接并发送单片机处理后的数据。

（2）当信号基站可以正常运作时，则通过GPRS辅助CC3200传输数据，以保证数据的正常传输[3-4]。

1.4 检测装置

检测装置分为如下两部分：

待救人员定位：该装置主要由人体红外感应、声音采集等模块构成，主控通过处理、分析传感器采集到的信息，以判断在有效测试范围内是否有待救援人员存在[5]。当可能存在待救援人员时，通过气压传感器与其他传感器结合完成三维立体定位，使得定位更加精确。

气体浓度：常见有毒气体检测模块检测气体浓度，将数据传送给主控，主控进行处理，判断出危险程度后上传。

1.5 显 示

显示部分分为APP显示和网页显示两部分，均从云端提取数据。APP显示主要用于救援人员，为救援人员提供最直观的信息;电脑端方便后台指挥人员查看情况。

2 硬件组成

2.1 系统的总体设计

本文系统主要包括主控制器、氧气传感器、有毒气体分析、空气质量分析、气压传感、GPS 和北斗定位、人体红外。硬件组成如图2所示。

2.2 模块各部分介绍

2.2.1 振动传感器模块

振动传感器选用SW-420高灵敏传感器模块，经比较器输出，信号干净，波形好，驱动能力强（超过15 mA），工作电压为3.3～5 V，以数字开关量输出（0和1），触发时间短，可以有效在震动瞬间触发报警，输出端可以直接与MSP430单片机连接，以检测环境是否发生改变，是否启动系统响应，当出现震动时其他硬件设备即刻运行[6-7]。

2.2.2 氧气传感器

氧气传感器采用英国阿尔法公司设计生产的O2-A2氧气传感器，此传感器使用寿命较长，安装后无需花费较长时间管理[8]。该传感器可以实时监控空气中的氧气含量，方便营救人员作出判断。

2.2.3 气压传感器模块

气压传感器模块选择高精度的GY-63 MS5611-01BA03模块，待检测到气压后，通过算法显示当前的海拔高度，进行精确定位，显示所处位置，为营救方提供更优质的选择，有效缩短救援时间。

2.2.4 有毒气体检测模块

采用MQ135空气质量模块检测有毒气体。该模块灵敏度较高，具有稳定性高、传感器自诊断、功耗低、寿命长等特点，可对一氧化碳、甲醛等一些对人体有害的气体进行检测。

2.2.5 声音采集模块

本文设计采用具有高灵敏、高保真特点的KZ-501B拾音器。模块尺寸仅为13 mm×50 mm，针孔设计有进音口，方便安装，自带前置放大IC，拾音范围可达100 m2。该模块噪声小、失真低，采用6～14 V DC供电，已达到高灵敏度监听级别，完全满足本文设计需求。

2.2.6 雷达感应模块

人体感应系统采用HFS-DC06多普勒微波雷达模块，该模块从天线发出5.8 GHz微波，遇到被测物体时通过接收反射回来的微波实现微波检测。微波雷达模块不受环境温度影响，抗干扰能力强，感应范围可达12 m，可穿透非金属物质且不受灰尘影响，稳定性高，体积小，符合本文设计要求。

2.2.7 定位模块

定位模块采用UM220北斗+GPS多系统导航定位模块，该模块尺寸小，重量轻，成本较低，功耗小于120 mW，在很大程度上延长了使用时间。将北斗与GPS相结合，可以极大地提高定位精度，有效避免误差。北斗具有通信和目標定位功能，弥补了GPS在这一方面的缺陷[9]。

2.2.8 数据传输模块

数据传输模块采用TI公司设计生产的CC3200 WiFi模块，此模块相比WiFi低功耗系列功耗更低，尺寸较小，方便集成和安装，可以一键连入WiFi，极大地提升了数据传输的性能，且可保证数据传输的完整性。此模块可与两个服务器通信，接收不同服务器的命令[10]。

3 结 语

本文设计的灾害后救援系统能够自动检测和分析在有效探测距离范围内是否有人员生存，如果有待救援人员，系统将自动进行GPS+北斗定位，测定当前位置气体含量，氧气浓度，海拔位置等，并将数据打包上传到云端，手机通过访问服务器获取数据，显示施救者与待救援者之间的距离以及其他情况，为施救者提供便利，为营救出待救者做充足准备，大大提高了救援效率。

参 考 文 献

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[2]王东明，周燕国，李永佳.土木工程专业人员在地震应急救援中的作用和参与机制[J].自然灾害学报，2011，20（6）：45-50.

[3]张京江，张朝林，王迎春，等.北京地基 GPS水汽遥测系统远程通信与控制系统及其初步应用[J].气象科技，2005，33（3）：271-274.

[4]崔劲松，张涛，杨雨春.GPRS/GIS技术在自动雨量监测网中的应用[J].气象科技，2006，34（2）：205-209.

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[9]戴邵武，马长里，代海霞.SINS 组合导航系统研究全球定位系统[J].GNSS world of China，2010，35（1）：25-29.

[10]赵艳，汪春梅.基于CC3200的智能家居安防系统设计[J].电视技术，2016，40（6）：44-47.