震灾用主动式生命探测仪

王凤随,吴玉珏,刘姚

（安徽工程大学 电气工程学院，安徽 芜湖 241000）

震灾用主动式生命探测仪

王凤随,吴玉珏,刘姚

（安徽工程大学 电气工程学院，安徽 芜湖 241000）

本文以传统生命探测仪技术为背景，分别介绍了传统生命探测仪的应用场合与其缺陷，并根据其不足与缺陷设计出一种主动式生命探测仪.主动式生命探测仪以传统生命探测仪为核心，分为家庭救援装置与搜救仪器两个模块.家庭救援装置可检测地震发生并能与被困人员一同深埋地下，通过生命探测仪监测人体并发送信息到搜救仪器.搜救仪器根据信息提示搜救人员，从而完成地震后的被困人员搜救.

地震搜救；主动式生命探测仪；检测；家庭救援装置

生命探测仪经过多年的发展，技术已经很成熟.主要是根据电磁波、声波[1]、光波等物理学原理以及气体检测等化学原理,通过专用的传感器将物理信号或者化学信号转换为电信号,再经过滤波放大后,输出可视或可听信号,组成能搜索、探测、寻找一定范围的生命的仪器.生命探测仪根据所用传感器不同可以分成音频探测仪[2]、视频生命探测仪、红外生命探测仪和气敏探测仪等，这些设备各有缺点，如视频侦测设备无法用于表面完全封闭的环境，音频侦测设备要求环境绝对安静，电磁波侦测设备造价高昂，操作复杂，不适应大规模使用.把这些传统的生命探测仪与主动式设计[3]相结合，则可以设计出克服传统地震搜寻救援方案不足的新思路.

1 系统方案设计

主动生命探测仪根据实际情况分为了三个子系统，即：家庭救援装置、搜救仪器和上位机.家庭救援装置小巧便捷，适用于居家装备.搜救仪器与家庭救援装置协同工作，接收并分析家庭救援装置发出的信号，对发射器进行定位.

1.1 主动式生命探测仪系统分析

主动式生命探测仪作为一种能够结合传统生命探测仪一种新型设备，拥有良好的系统功能扩展能力.例如其能够接入人体红外生命探测仪，又要根据其他需要动态的增加其他类型的生命探测仪.所以接口必须丰富，而其软件需要增加IAP功能，可以通过运行时动态增加程序功能.

发送端采用每家每户独立安装的方式,不能影响居家正常的工作与生活，能够保证长时间的正常工作.在出现地震时，使用人员若被困,则立即对家庭内部受困人员进行检测，一旦检测到有受困人员，则发送模块必须对该信息进行编码成一条信息，并将该信息及求救信息主动发送给地面接收端.该生命探测仪还具有电池欠压报警功能.地面接收端采用手持式,可对接收到的受困人员进行LCD显示，进行蜂鸣报警.

该主动式生命探测仪不能依靠家庭传统电力供电，所以在考虑供电时，必须采用电池供电方案，而电池供电方案又要充分考虑到电池供电不持久，电池更换不便的缺陷.通过设置电池低压报警功能，通知工作人员及时的更换电池.

综合前面所述的电池供电的种种不足与缺陷，控制平台的选择必须囊括可扩展性、高性能等低功耗等工作要求.在系统微控制器平台的选择上面也是较为讲究.传统的8051系列单片机功能比较单一，而且功耗控制的不是很好.相比较而言嵌入式ARM为控制平台可以满足系统的低功耗要求[4]，它与传统的单片机相比而言具有更高的性能，更低的功耗与更便宜的价格.所以在选择微控制器平台时候，嵌入式ARM处理器有较大的优势.

主动式生命探测仪从组成上包括三个子模块：家庭救援装置、搜救仪器和上位机.家庭救援装置是一个安置在居民屋中的电子仪器箱，外观形似电表箱，质地坚硬.它在开启以后不断监测周围的受困人员信息.搜救仪为一种手持式带显示无线收发装置，接收救家庭救援装置发射的信息并下发控制信息.上位机是一台与搜救仪连接的计算机.搜救仪上传信号强度信息给上位机，让上位机得以显示受困人员的当前信息.

1.2 救援挂箱方案设计

如前面所述，救援挂箱不可以安装家庭电力系统，所以采用3.3V的可充电电池供电，同时本系统配备充电模块，充电模块可以通过USB接口对救援挂箱进行充电，更适合于日常使用.

由于需要节能低功耗设计，所以救援挂箱采用ARM低功耗控制内核的cortex-m3内核的微控制器，该微控制器支持待机休眠模式，并且支持外部中断唤醒处于睡眠的微控制器.

无线收发模块将待发送信息通过ZigBee协议进行发送，接收端也可以使用同样型号的ZigBee进行接收.

图1 家庭救援装置模块图

1.3 搜救仪方案设计

从功能模块上划分，搜救仪的构成如图2、3所示，包括：主控MCU、搜救仪器、LCD显示模块、以及上位机.各模块的功能描述如下.

无线传输模块：数据的发送与接收.其主要接收来自救援挂箱和其他搜救仪的信息，并发送控制信息.

主控MCU从上位机接收控制命令，以及定位方法接收[5]，从无线传输模块接收信息并完成解包，并把无线信号发送器发送的信号转换成显示信号与报警信号.

上位机部分可以作为地震救援指挥中心软件使用，包括各种信息登记处理.

图2 搜救仪模块图

2 系统硬件设计

本系统由家庭救援装置与搜救仪器两个功能模块组成，家庭救援装置有传感器模块与无线数据收发模块组成.由于只有地震发生时候才能启动装置，故需要震动传感器将地震信号转换成电信号.而且由于家庭救援装置需要检测受困人员信号，而这些信号并非可直接测量参数，所以必须要通过传感器将这些物理信号转换为数据采集设备可以识别的电压或电流信号[6].发射器要通过无线发射器将这些转换后的信号发送给接收器.接收器部分也需要无线接收器用于接收发射器传过来的数据，并根据预先设定的地点标签，显示在显示器上.

2.1 家庭救援装置硬件设计

接收器主要由地震监测传感器、受困人员监测传感器、微控制器最小系统与家庭救援装置组成.地震监测传感器用于监测地震的发生并同时唤醒处于睡眠中的微控制器；人体检测传感器用于检测周围的人体活动，并以模拟输出的方式输出到微控制器的A/D转换接口[7]；微控制器在被唤醒后进行相应模块的初始化，打开相应的设备，运行操作系统并处理信息；家庭救援装置用于将微控制器系统处理好的数据发送到搜救设备终端.家庭救援装置的硬件模块图如下所示：

图3 家庭救援装置硬件模块图

2.2 搜救仪硬件设计

接收器模块包括无线信号接收器、微控制器与彩屏显示器.无线信号接收器用于接收发射器发送过来的受困人员信息，经简单处理后供系统使用；微控制器是搜救设备的核心，负责接收器和彩屏显示功能的控制；彩屏显示用于将无线信息发射器发射的信息处理后的受困人员信息显示在终端彩屏上.接设备的无线接收模块采用与上节无线发送模块相同的设备，其唯一区别是该模块通过配置设置成接收模式.微控制器也采用上节相同的最小系统设计.其结构设计如图4所示.

图4 搜救仪硬件模块图

3 系统软件设计

由于一个微控制器要控制众多的传感器，故引入嵌入式微型操作系统UCOS-II，一方面可以协调各个硬件的运作，另一方面可以使用操作系统所提供的各种服务，如多进程、内存管理等.最为重要的是该操作系统内核提供各种应用程序组件，可以加快应用程序编程[8].系统注册3个进程，其中一个进程用于循环监测人体红外传感器传递的数据并采集，另一个进程用于处理传感器传来的数据并打包发送给另一个无线发送进程，最后一个进程用于监测当前电源供电状况，如果电压低，则及时提示警报.系统在未进入地震模式时候处于掉电模式，震动后，震动传感器的输出端输出边沿信号出发中断，唤醒掉电的微控制器，使其进入正常工作模式. 3.1家庭救援装置软件设计

进行家庭救援装置软件的设计，首先必须了解无线发射模块的工作流程.由于该模块采用电池供电，所以该模块由三个并行的进程组成，并行模块设计的好处是可以完成模块设计的独立性[9]，首先主进程用于程序的初始化，并且设计系统睡眠模式等待中断，初始化完成后用于监测电池电压的低压报警功能.进程一用于监测周围的活动人体，并把这种信息进行相应的处理送给进程二.软件流程图如图5所示.

图5 家庭救援装置软件系统流程图

3.2 搜救仪器软件设计

根据搜救模块的工作特点，其程序流程图如图6所示.本部分软件设计较为简单，由于电源设计部分要求不如家庭救援装置高，故该部分软件设计没有对电源部分加以控制与处理.

搜救仪器的工作流程如图所示.从设备的启动，无线收发器便来收发数据.如果收到有用的数据，便将该数据包解码并且送到上位机显示，与此同时搜救仪上面的GUI也将显示该信息.该设备增加用户开关，如果设备未关闭，则一直循环此工作.

图6 搜救仪软件系统流程图

4 系统实际调试参数分析

本部分对该系统的可用性等方面进行测试，测试内容包括人体红外监测模块的可用性与无线收发的可用性进行测试.人体红外传感器与无线收发模块的信息传送能力均受到障碍物的影响，其测试结果如下表所示，测试分为电池供电时间测试与发射器性能测试.

4.1 电池供电时间测试从测试的结果来看，电池电压在该系统正常工作的情况下及其正常工作两个月的情况下仍然能够保持3V的电压，这种情况下可以连续的为微控制器与无线收发模块提供一段时间，在一般的地震灾害情况下，该系统能够在一定的时间范围发挥很大的作用.但是在地震强大较大的场合需要继续提供大电量的电池供电，由于本次测试采用的是普通容量电池，由于家庭救援装置采用是的固体封闭式盒装结构，其电池的携带量也可以大大的提升.

表1 电池性能测试表

4.2 发射器性能测试

表2 电池性能测试表

从上面的测试结果来看，该系统的无线信号可以穿透大概8-9米的距离，可以穿透一层混泥土承重墙，而在大多数情况下地震受困人员的掩埋深度一般在10米以内，故该系统在地震搜救中可以达到一定的效果.

5 总结

本文着重介绍主动式生命探测仪的系统设计方案与软硬件实现，提出了一种能够应用在地震场合的受困人员搜救系统，该系统克服了传统生命探测仪无法深入废墟的缺点，创新的提出将生命探测仪与受困人员绑定的思路，可以在以后的灾害搜救中尝试使用该装置.

显然该装置系统还存在一定的不足，而且系统的实际使用受到地震发生后环境诸多环境的影响，在这里的测试结果并没有体现出来.该装置在使用无线收发模块时，该收发模块仍然存在一定的问题，比如穿墙的方式等，这会受到复杂的环境而影响其结果.但是作为一种主动式生命探测仪将传统生命探测仪与主动式相结合的新方法，可以为以后搜救仪器的发展提供新的思路.

〔1〕王娇,王绪本,简兴祥.地震灾害救助系统中声波/振动信号的分离 [J].电子技术应用，2004（02）:78-81.

〔2〕万统斌,段志善.一种新的音频生命探测技术的实现[J].信息通信，2011(03).

〔3〕王冠凌，杨骏,徐顶,顾梅,吴玉珏,文东方.震灾用主动式生命探测仪 [P].中国专利:201310092066.3, 2013-07-24.

〔4〕马道勇,于海东.基于嵌入式的生命探测仪[J].科技资讯，2009(02).

〔5〕徐敏,周心权,赵红泽,邢书仁.灾变期井下遇难人员搜寻定位方法初探 [J].煤炭科学技术,2003（12）:23-25.

〔6〕王娇,王绪本.地震救援系统中判断声波振动信号的同源问题[J].微型机与应用，2003（12）:39-41.

〔7〕樊秀云,袁嗣杰,张合敏.伪码数字相关在超声波测距中的应用[J].装备指挥技术学院学报，2002（03）:354-357.

〔8〕陈勇.独立分量分析在振动信号处理中的应用[D].吉林大学，2007.

TP273

A

1673-260X（2014）12-0043-04

安徽高校省级自然科学研究重点项目(KJ2013A042)