王鳳隨,吳玉玨,劉姚

（安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

震災(zāi)用主動(dòng)式生命探測(cè)儀

王鳳隨,吳玉玨,劉姚

（安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

本文以傳統(tǒng)生命探測(cè)儀技術(shù)為背景，分別介紹了傳統(tǒng)生命探測(cè)儀的應(yīng)用場(chǎng)合與其缺陷，并根據(jù)其不足與缺陷設(shè)計(jì)出一種主動(dòng)式生命探測(cè)儀.主動(dòng)式生命探測(cè)儀以傳統(tǒng)生命探測(cè)儀為核心，分為家庭救援裝置與搜救儀器兩個(gè)模塊.家庭救援裝置可檢測(cè)地震發(fā)生并能與被困人員一同深埋地下，通過(guò)生命探測(cè)儀監(jiān)測(cè)人體并發(fā)送信息到搜救儀器.搜救儀器根據(jù)信息提示搜救人員，從而完成地震后的被困人員搜救.

地震搜救；主動(dòng)式生命探測(cè)儀；檢測(cè)；家庭救援裝置

生命探測(cè)儀經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)很成熟.主要是根據(jù)電磁波、聲波[1]、光波等物理學(xué)原理以及氣體檢測(cè)等化學(xué)原理,通過(guò)專(zhuān)用的傳感器將物理信號(hào)或者化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),再經(jīng)過(guò)濾波放大后,輸出可視或可聽(tīng)信號(hào),組成能搜索、探測(cè)、尋找一定范圍的生命的儀器.生命探測(cè)儀根據(jù)所用傳感器不同可以分成音頻探測(cè)儀[2]、視頻生命探測(cè)儀、紅外生命探測(cè)儀和氣敏探測(cè)儀等，這些設(shè)備各有缺點(diǎn)，如視頻偵測(cè)設(shè)備無(wú)法用于表面完全封閉的環(huán)境，音頻偵測(cè)設(shè)備要求環(huán)境絕對(duì)安靜，電磁波偵測(cè)設(shè)備造價(jià)高昂，操作復(fù)雜，不適應(yīng)大規(guī)模使用.把這些傳統(tǒng)的生命探測(cè)儀與主動(dòng)式設(shè)計(jì)[3]相結(jié)合，則可以設(shè)計(jì)出克服傳統(tǒng)地震搜尋救援方案不足的新思路.

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

主動(dòng)生命探測(cè)儀根據(jù)實(shí)際情況分為了三個(gè)子系統(tǒng)，即：家庭救援裝置、搜救儀器和上位機(jī).家庭救援裝置小巧便捷，適用于居家裝備.搜救儀器與家庭救援裝置協(xié)同工作，接收并分析家庭救援裝置發(fā)出的信號(hào)，對(duì)發(fā)射器進(jìn)行定位.

1.1 主動(dòng)式生命探測(cè)儀系統(tǒng)分析

主動(dòng)式生命探測(cè)儀作為一種能夠結(jié)合傳統(tǒng)生命探測(cè)儀一種新型設(shè)備，擁有良好的系統(tǒng)功能擴(kuò)展能力.例如其能夠接入人體紅外生命探測(cè)儀，又要根據(jù)其他需要?jiǎng)討B(tài)的增加其他類(lèi)型的生命探測(cè)儀.所以接口必須豐富，而其軟件需要增加IAP功能，可以通過(guò)運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)增加程序功能.

發(fā)送端采用每家每戶(hù)獨(dú)立安裝的方式,不能影響居家正常的工作與生活，能夠保證長(zhǎng)時(shí)間的正常工作.在出現(xiàn)地震時(shí)，使用人員若被困,則立即對(duì)家庭內(nèi)部受困人員進(jìn)行檢測(cè)，一旦檢測(cè)到有受困人員，則發(fā)送模塊必須對(duì)該信息進(jìn)行編碼成一條信息，并將該信息及求救信息主動(dòng)發(fā)送給地面接收端.該生命探測(cè)儀還具有電池欠壓報(bào)警功能.地面接收端采用手持式,可對(duì)接收到的受困人員進(jìn)行LCD顯示，進(jìn)行蜂鳴報(bào)警.

該主動(dòng)式生命探測(cè)儀不能依靠家庭傳統(tǒng)電力供電，所以在考慮供電時(shí)，必須采用電池供電方案，而電池供電方案又要充分考慮到電池供電不持久，電池更換不便的缺陷.通過(guò)設(shè)置電池低壓報(bào)警功能，通知工作人員及時(shí)的更換電池.

綜合前面所述的電池供電的種種不足與缺陷，控制平臺(tái)的選擇必須囊括可擴(kuò)展性、高性能等低功耗等工作要求.在系統(tǒng)微控制器平臺(tái)的選擇上面也是較為講究.傳統(tǒng)的8051系列單片機(jī)功能比較單一，而且功耗控制的不是很好.相比較而言嵌入式ARM為控制平臺(tái)可以滿(mǎn)足系統(tǒng)的低功耗要求[4]，它與傳統(tǒng)的單片機(jī)相比而言具有更高的性能，更低的功耗與更便宜的價(jià)格.所以在選擇微控制器平臺(tái)時(shí)候，嵌入式ARM處理器有較大的優(yōu)勢(shì).

主動(dòng)式生命探測(cè)儀從組成上包括三個(gè)子模塊：家庭救援裝置、搜救儀器和上位機(jī).家庭救援裝置是一個(gè)安置在居民屋中的電子儀器箱，外觀形似電表箱，質(zhì)地堅(jiān)硬.它在開(kāi)啟以后不斷監(jiān)測(cè)周?chē)氖芾藛T信息.搜救儀為一種手持式帶顯示無(wú)線收發(fā)裝置，接收救家庭救援裝置發(fā)射的信息并下發(fā)控制信息.上位機(jī)是一臺(tái)與搜救儀連接的計(jì)算機(jī).搜救儀上傳信號(hào)強(qiáng)度信息給上位機(jī)，讓上位機(jī)得以顯示受困人員的當(dāng)前信息.

1.2 救援掛箱方案設(shè)計(jì)

如前面所述，救援掛箱不可以安裝家庭電力系統(tǒng)，所以采用3.3V的可充電電池供電，同時(shí)本系統(tǒng)配備充電模塊，充電模塊可以通過(guò)USB接口對(duì)救援掛箱進(jìn)行充電，更適合于日常使用.

由于需要節(jié)能低功耗設(shè)計(jì)，所以救援掛箱采用ARM低功耗控制內(nèi)核的cortex-m3內(nèi)核的微控制器，該微控制器支持待機(jī)休眠模式，并且支持外部中斷喚醒處于睡眠的微控制器.

無(wú)線收發(fā)模塊將待發(fā)送信息通過(guò)ZigBee協(xié)議進(jìn)行發(fā)送，接收端也可以使用同樣型號(hào)的ZigBee進(jìn)行接收.

圖1 家庭救援裝置模塊圖

1.3 搜救儀方案設(shè)計(jì)

從功能模塊上劃分，搜救儀的構(gòu)成如圖2、3所示，包括：主控MCU、搜救儀器、LCD顯示模塊、以及上位機(jī).各模塊的功能描述如下.

無(wú)線傳輸模塊：數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收.其主要接收來(lái)自救援掛箱和其他搜救儀的信息，并發(fā)送控制信息.

主控MCU從上位機(jī)接收控制命令，以及定位方法接收[5]，從無(wú)線傳輸模塊接收信息并完成解包，并把無(wú)線信號(hào)發(fā)送器發(fā)送的信號(hào)轉(zhuǎn)換成顯示信號(hào)與報(bào)警信號(hào).

上位機(jī)部分可以作為地震救援指揮中心軟件使用，包括各種信息登記處理.

圖2 搜救儀模塊圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由家庭救援裝置與搜救儀器兩個(gè)功能模塊組成，家庭救援裝置有傳感器模塊與無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊組成.由于只有地震發(fā)生時(shí)候才能啟動(dòng)裝置，故需要震動(dòng)傳感器將地震信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào).而且由于家庭救援裝置需要檢測(cè)受困人員信號(hào)，而這些信號(hào)并非可直接測(cè)量參數(shù)，所以必須要通過(guò)傳感器將這些物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)采集設(shè)備可以識(shí)別的電壓或電流信號(hào)[6].發(fā)射器要通過(guò)無(wú)線發(fā)射器將這些轉(zhuǎn)換后的信號(hào)發(fā)送給接收器.接收器部分也需要無(wú)線接收器用于接收發(fā)射器傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的地點(diǎn)標(biāo)簽，顯示在顯示器上.

2.1 家庭救援裝置硬件設(shè)計(jì)

接收器主要由地震監(jiān)測(cè)傳感器、受困人員監(jiān)測(cè)傳感器、微控制器最小系統(tǒng)與家庭救援裝置組成.地震監(jiān)測(cè)傳感器用于監(jiān)測(cè)地震的發(fā)生并同時(shí)喚醒處于睡眠中的微控制器；人體檢測(cè)傳感器用于檢測(cè)周?chē)娜梭w活動(dòng)，并以模擬輸出的方式輸出到微控制器的A/D轉(zhuǎn)換接口[7]；微控制器在被喚醒后進(jìn)行相應(yīng)模塊的初始化，打開(kāi)相應(yīng)的設(shè)備，運(yùn)行操作系統(tǒng)并處理信息；家庭救援裝置用于將微控制器系統(tǒng)處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送到搜救設(shè)備終端.家庭救援裝置的硬件模塊圖如下所示：

圖3 家庭救援裝置硬件模塊圖

2.2 搜救儀硬件設(shè)計(jì)

接收器模塊包括無(wú)線信號(hào)接收器、微控制器與彩屏顯示器.無(wú)線信號(hào)接收器用于接收發(fā)射器發(fā)送過(guò)來(lái)的受困人員信息，經(jīng)簡(jiǎn)單處理后供系統(tǒng)使用；微控制器是搜救設(shè)備的核心，負(fù)責(zé)接收器和彩屏顯示功能的控制；彩屏顯示用于將無(wú)線信息發(fā)射器發(fā)射的信息處理后的受困人員信息顯示在終端彩屏上.接設(shè)備的無(wú)線接收模塊采用與上節(jié)無(wú)線發(fā)送模塊相同的設(shè)備，其唯一區(qū)別是該模塊通過(guò)配置設(shè)置成接收模式.微控制器也采用上節(jié)相同的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì).其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示.

圖4 搜救儀硬件模塊圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于一個(gè)微控制器要控制眾多的傳感器，故引入嵌入式微型操作系統(tǒng)UCOS-II，一方面可以協(xié)調(diào)各個(gè)硬件的運(yùn)作，另一方面可以使用操作系統(tǒng)所提供的各種服務(wù)，如多進(jìn)程、內(nèi)存管理等.最為重要的是該操作系統(tǒng)內(nèi)核提供各種應(yīng)用程序組件，可以加快應(yīng)用程序編程[8].系統(tǒng)注冊(cè)3個(gè)進(jìn)程，其中一個(gè)進(jìn)程用于循環(huán)監(jiān)測(cè)人體紅外傳感器傳遞的數(shù)據(jù)并采集，另一個(gè)進(jìn)程用于處理傳感器傳來(lái)的數(shù)據(jù)并打包發(fā)送給另一個(gè)無(wú)線發(fā)送進(jìn)程，最后一個(gè)進(jìn)程用于監(jiān)測(cè)當(dāng)前電源供電狀況，如果電壓低，則及時(shí)提示警報(bào).系統(tǒng)在未進(jìn)入地震模式時(shí)候處于掉電模式，震動(dòng)后，震動(dòng)傳感器的輸出端輸出邊沿信號(hào)出發(fā)中斷，喚醒掉電的微控制器，使其進(jìn)入正常工作模式. 3.1家庭救援裝置軟件設(shè)計(jì)

進(jìn)行家庭救援裝置軟件的設(shè)計(jì)，首先必須了解無(wú)線發(fā)射模塊的工作流程.由于該模塊采用電池供電，所以該模塊由三個(gè)并行的進(jìn)程組成，并行模塊設(shè)計(jì)的好處是可以完成模塊設(shè)計(jì)的獨(dú)立性[9]，首先主進(jìn)程用于程序的初始化，并且設(shè)計(jì)系統(tǒng)睡眠模式等待中斷，初始化完成后用于監(jiān)測(cè)電池電壓的低壓報(bào)警功能.進(jìn)程一用于監(jiān)測(cè)周?chē)幕顒?dòng)人體，并把這種信息進(jìn)行相應(yīng)的處理送給進(jìn)程二.軟件流程圖如圖5所示.

圖5 家庭救援裝置軟件系統(tǒng)流程圖

3.2 搜救儀器軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)搜救模塊的工作特點(diǎn)，其程序流程圖如圖6所示.本部分軟件設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，由于電源設(shè)計(jì)部分要求不如家庭救援裝置高，故該部分軟件設(shè)計(jì)沒(méi)有對(duì)電源部分加以控制與處理.

搜救儀器的工作流程如圖所示.從設(shè)備的啟動(dòng)，無(wú)線收發(fā)器便來(lái)收發(fā)數(shù)據(jù).如果收到有用的數(shù)據(jù)，便將該數(shù)據(jù)包解碼并且送到上位機(jī)顯示，與此同時(shí)搜救儀上面的GUI也將顯示該信息.該設(shè)備增加用戶(hù)開(kāi)關(guān)，如果設(shè)備未關(guān)閉，則一直循環(huán)此工作.

圖6 搜救儀軟件系統(tǒng)流程圖

4 系統(tǒng)實(shí)際調(diào)試參數(shù)分析

本部分對(duì)該系統(tǒng)的可用性等方面進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容包括人體紅外監(jiān)測(cè)模塊的可用性與無(wú)線收發(fā)的可用性進(jìn)行測(cè)試.人體紅外傳感器與無(wú)線收發(fā)模塊的信息傳送能力均受到障礙物的影響，其測(cè)試結(jié)果如下表所示，測(cè)試分為電池供電時(shí)間測(cè)試與發(fā)射器性能測(cè)試.

4.1 電池供電時(shí)間測(cè)試從測(cè)試的結(jié)果來(lái)看，電池電壓在該系統(tǒng)正常工作的情況下及其正常工作兩個(gè)月的情況下仍然能夠保持3V的電壓，這種情況下可以連續(xù)的為微控制器與無(wú)線收發(fā)模塊提供一段時(shí)間，在一般的地震災(zāi)害情況下，該系統(tǒng)能夠在一定的時(shí)間范圍發(fā)揮很大的作用.但是在地震強(qiáng)大較大的場(chǎng)合需要繼續(xù)提供大電量的電池供電，由于本次測(cè)試采用的是普通容量電池，由于家庭救援裝置采用是的固體封閉式盒裝結(jié)構(gòu)，其電池的攜帶量也可以大大的提升.

表1 電池性能測(cè)試表

4.2 發(fā)射器性能測(cè)試

表2 電池性能測(cè)試表

從上面的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，該系統(tǒng)的無(wú)線信號(hào)可以穿透大概8-9米的距離，可以穿透一層混泥土承重墻，而在大多數(shù)情況下地震受困人員的掩埋深度一般在10米以?xún)?nèi)，故該系統(tǒng)在地震搜救中可以達(dá)到一定的效果.

5 總結(jié)

本文著重介紹主動(dòng)式生命探測(cè)儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與軟硬件實(shí)現(xiàn)，提出了一種能夠應(yīng)用在地震場(chǎng)合的受困人員搜救系統(tǒng)，該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)生命探測(cè)儀無(wú)法深入廢墟的缺點(diǎn)，創(chuàng)新的提出將生命探測(cè)儀與受困人員綁定的思路，可以在以后的災(zāi)害搜救中嘗試使用該裝置.

顯然該裝置系統(tǒng)還存在一定的不足，而且系統(tǒng)的實(shí)際使用受到地震發(fā)生后環(huán)境諸多環(huán)境的影響，在這里的測(cè)試結(jié)果并沒(méi)有體現(xiàn)出來(lái).該裝置在使用無(wú)線收發(fā)模塊時(shí)，該收發(fā)模塊仍然存在一定的問(wèn)題，比如穿墻的方式等，這會(huì)受到復(fù)雜的環(huán)境而影響其結(jié)果.但是作為一種主動(dòng)式生命探測(cè)儀將傳統(tǒng)生命探測(cè)儀與主動(dòng)式相結(jié)合的新方法，可以為以后搜救儀器的發(fā)展提供新的思路.

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TP273

A

1673-260X（2014）12-0043-04

安徽高校省級(jí)自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2013A042)