基于单片机的地震救援指挥控制系统

郭洪杰

（武警警官学院 四川·成都 610213）

0 引言

社会的进步导致我国城镇化率越来越高，一个城市中的人口越来越集中的同时，建筑结构也变得多样化，这也使得目前的救援任务变得复杂化，困难化。当前，如何提高保障装备水平和工作效率，以及如何保证抢险救援人员安全，使救援人员在抢险救援中发挥更大的作用，成为目前亟待研究解决的问题。本文对单片机技术在抢险救援方面成功的经历进行借鉴，研究设计出一套安全保障系统，实行对救援人员安全的实时、准确、高效管理与实时监控。将受困人员和救援人员的位置信息进行实时传输，提高支援效率。加快应急救援核心战斗力的形成，对于提高行抢险救援任务的安全性和成功性有重大意义。

1 系统设计方案和工作原理

（1）便携式定位终端，该模块是佩戴在救援人员身上的监测装置。该装置和后端的监控指挥中心实时通信以便报告自身的相关情况。目前，已经完成的监测参数包括：同步时间，经纬度，心率。面对抗震救灾过程中碰到的复杂地形，通过位置监测可以使得后端监控中心实时观测到人员的部署和分布情况，提高指挥效率。

2 系统硬件选型分析

（1）单片机主控选型，STC12C5A60S2单片机是一款增强型51单片机，速度快，抗干扰强，代码可兼容原始8051。由于其成本低，资源丰富，功能齐全，技术成熟等特点，STC12C5A60S2单片机成为目前51系列中的主流。

（2）定位模块的选型，选用BLOXNEO-6MGPS模块，GPS模块发展比较成熟，定位速度快，精度高，适应性强。

（3）无线通信模块选型采用433MHz频段的SI4436无线通信模块，SI4463模块是一款高集成度的无线收发芯片。消耗低，传输距离远，支持高速传输，体积小和稳定性高也是其优点之一，其传输距离高达3000米远。

（4）显示模块的选型，选用OLED12864液晶显示模块OLED12864液晶可以显示汉字，英文字符等信息，且无须背光模组，因此在屏幕的厚度和功耗上具有传统液晶屏无法比拟的优势，它的显示对比度高，反应速度快，低分辨率的屏价格低廉，在便携式电子设备中应用越来越广。

（5）心率监测模块的选型，根据心率产生的主要原因是动脉的相关活动，其在指尖组织中含量多。人心脏的跳动使得部分部位组织半透明度产生相应的变化，因此对于发光二极管也产生周期性的响应，将这种响应转换成电信号则可计算出心率。自行设计一款心率测量模块。

（6）报警模块选择，选用蜂鸣器加上LED灯组合形式使用蜂鸣器加上LED的形式便于实现，成本较低，对于电路设计、实物制作和结构、性能优化上有一定的帮助作用。且功能较容易实现，便于利用程序控制。

口口尔图石墨矿区大地构造位置处于东昆仑造山带伯喀里克—香日德元古宙古陆块体[1-2]，区内构造演化历史最早始于吕梁期—晋宁期，构成柴南缘地层分区的变质结晶基底，华力西期构造、岩浆活动较为强烈。

3 系统电路设计

3.1 单片机主控电路设计

STC12C5A60S2单片机最小系统电路主要包括芯片主体、外部晶振电路、复位电路，以及ISP程序下载电路四部分。主控电路电路图如下图所示。

（1）复位电路。

复位方式可分为按键复位和上电复位两种。前者是指用户可按照需求，手动将系统恢复到初始状态。后者则是每次系统通电，自动复位。本设计两种都可支持。

（2）时钟电路。

晶振电路是同步单片机系统各个部件工作时序的最小时间单位。时钟电路由22.1184MHz的晶体振荡器 Y1，两个20pF的电容C4和C5组成。产生高精度的时钟信号驱动单片机工作。

（3）ISP下载电路。

P1即下载接口，对应到实物中是4个排针，利用此接口进行程序的调试输出和下载，简单方便。

3.2 GPS定位电路设计

P12和P13引脚是单片机的串口2引脚，其中P12为接收引脚，P13为发送引脚，分别和GPS模块的TXD和RXD引脚相连。然后通过串口中断接收数据存入缓冲区，在主程序中从缓冲区中读取出来按照NMEA-0183协议解析得到经度，纬度，日期时间数据。

3.3 心率检测电路设计

脉搏传感器的后级处理电路，便是对脉搏传感器输出的模拟电信号进行脉冲整形，最终输出数字信号供单片机检测计算。P2是传感器接口，需要接入电压比较器经过整形转化为数字信号。电压比较器是对两个电压进行比较并以方波的形式显示出来。方波信号最终送到单片机，单片机采集后得到信号的周期，计算出心率值。

3.4 无线通信电路设计

单片机和无线模块通过串口连接使单片机具有无线通信功能，同理，PC机也可以通过串口和模块连接使PC机具有无线通信功能。本设计中采用USB转串口模块，分别连接PC机的USB口以及无线模块，PC机软件通过读写串口实现无线数据的收发。实物中，模块和单片机的串口1引脚P30和P31相连，此模块为宽电压供电范围，无须专门作电压转换。

3.5 LCD液晶显示电路设计

LCD屏的15引脚PSB接GND来设置LCD屏接口工作在串行模式。LCD模块和单片机连接采用P25-P27共3个引脚，三个引脚的功能说明如下：

P25引脚：片选引脚，低电平时，LCD被选中处于工作状态。

P26引脚：串行数据引脚，传输通信所需数据信号。

P27引脚：串行时钟引脚，提供P26引脚通信所需要的时钟信号。

3.6 声光报警电路设计

声光报警控制电路主要包括LED灯和蜂鸣器。由P23口控制PNP三极管S8550的通断实现蜂鸣器控制，当P23引脚输出低电平时蜂鸣器工作，P23引脚输出高电平时蜂鸣器截止。P22引脚控制LED的工作情况，低电平时LED灯亮，反之灯灭。单片机的引脚默认为高电平，声光报警是否工作完全由程序控制。

3.7 供电电源电路设计

本设计采用USB接口的电源线来供电。供电电压为5V，方便在开发和测试阶段采用各类 USB接口输出的电源来测试，比如移动电源，电脑USB接口等。

DC_IN即实物电源插座，Switch是电源开关，C2和C3分别是电解电容和瓷片电容，并联在电源两端，滤除供电输入的杂波，使电源输入电压电流稳定，最终输出VCC给各模块和芯片供电。

4 地震救援安全保障系统软件设计

本设计软件分为两大部分：硬件便携式终端中的单片机软件,PC上位机监控系统软件。软件采用模块化功能设计，即各个模块采用驱动程序将操作控制方式封装在模块对应的驱动程序里，然后主程序只需要采用驱动程序即可以完成输入输出控制，因此本章也采用主程序加功能模块子程序的方式来描述。

4.1 便携式安全保障终端软件主程序设计

硬件端主程序的逻辑功能相对简单,开机启动后就接收GPS定位信号，定位成功后就解析计算位置信息进行显示，同时检测心率值，心率异常时，蜂鸣提醒。程序定时将心率数据和位置数据打包无线发送至远程监控中心。系统同时接收远程监控中心下达的指令信号，在LCD显示同进蜂鸣提醒救援人员。

4.2 上位机监控系统设计

本设计中上位机使用C#语言，通过Microsoft Visual Studio 2012软件平台进行设计，设计内容包括：（1）显示界面设计部分；（2）串口通信部分（通过串口和无线模块连接进行数据收发操作）；（3）数据文本信息显示部分；（4）百度地图定位显示部分。上位机界面设计采用 WinForm可视化设计器来设计，WinForm为Net平台对WindowsForm的称呼。Net平台为开发WinForm提供了大量的类库。这些类库被封装在一个名称空间System.Windows.Forms里。通过VS2012软件的工具箱，找到所需要的控件，然后拖到界面上进行布局。本设计中用到的控件有 Label，TextBox，Button，PictureBox，Group,WebBrowser等。

5 结束语

在本次设计的过程中，由于本人掌握知识有限，特别是一些具体的参数设置和计算还有待优化，此外，整个抗震救灾保障系统虽然已经力求准确，仍存在较大的提升空间。

第一，本设计可以增加防水功能。通过以一定的技术使得系统能够防水，这样不仅在抗震救灾中实用，也可以应用于抗洪。

第二，本设计采用的是按钮报警存在缺陷。可利用传感器技术，当检测到救援人员的心率不正常时实施自动报警，可有效提高安全防护能力。