基于物聯(lián)網(wǎng)的地震應急救援系統(tǒng)的設(shè)計

徐沛文郝娟

(華中師范大學，湖北武漢430079)

1.引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和應用系統(tǒng)開發(fā)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)引起國內(nèi)外學術(shù)界、工業(yè)界和媒體的高度重視。目前物聯(lián)網(wǎng)正在逐漸被應用于各個行業(yè)，遍及智能交通、環(huán)境保護、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)監(jiān)測等多個領(lǐng)域。本文采用物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感技術(shù)，RFID技術(shù)，GPS和無線射頻技術(shù)構(gòu)建一套地震應急救援系統(tǒng)。應用于對于災民身份的確定，傷勢情況的統(tǒng)計，災民原有健康信息的記錄管理，災民位置移動和跟蹤，災區(qū)現(xiàn)場救災物資發(fā)放管理。并充分利用RFID、地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)的功能，實現(xiàn)對人、對物體的識別跟蹤、定位監(jiān)控、追溯記錄等功能。在突發(fā)自然災害特別是在抗震救災中處理余震和二次險情時，為搜救搶險贏得時間提供強有力的實時信息和技術(shù)保障。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提高防災減災的能力，將是物聯(lián)網(wǎng)新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)的重要使命之一，可以把人們的生命安全和財產(chǎn)損失降到最低程度。

2.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡介

物聯(lián)網(wǎng)是指通過各種信息傳感設(shè)備，如傳感器、射頻識別(RFID)技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、紅外感應器、激光掃描器、氣體感應器等各種裝置與技術(shù)，實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程，采集其聲、光、熱、電、力學、化學、生物、位置等各種需要的信息，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個巨大網(wǎng)絡。

其目的是實現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡的連接，方便識別、管理和控制。

3.系統(tǒng)整體架構(gòu)

本系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：

(1)監(jiān)測地震的各種傳感器組成的無線傳感網(wǎng)絡單元；

(2)標志和傳送災區(qū)各個物聯(lián)網(wǎng)單位的各方面情況的RFID單元和基于無線射頻技術(shù)的通信工具；

(3)由GPS和衛(wèi)星構(gòu)成的物聯(lián)網(wǎng)單位精確定位單元；

(4)由微處理器、單片機以及軟件系統(tǒng)和在線數(shù)據(jù)庫等構(gòu)成的對各種災區(qū)各項環(huán)境數(shù)據(jù)進行分析和決策的主控制器。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4.核心模塊設(shè)置

4.1 傳感器以及人體檢測芯片和RFID交互模塊

該模塊中的傳感器網(wǎng)絡用來采集災區(qū)各個物聯(lián)網(wǎng)單元的信息，傳感器的設(shè)計與選擇在很大程度上決定了系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)中所用傳感器均為開關(guān)量傳感器，當監(jiān)測參數(shù)超過設(shè)定的安全閾值時，傳感器與單片機相連的引腳上就會有高低電平的變化，只有當同一監(jiān)測防區(qū)內(nèi)與單片機相連的每個傳感器都有引腳的變化，邏輯關(guān)系有效時，單片機才認為此次報警有效。無線射頻模塊用來傳遞采集信息，在數(shù)據(jù)的實時性和效率方面有了顯著的提高，傳感網(wǎng)絡節(jié)點和RFID識讀器交互的過程如圖2所示。

無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點和RFID識別器交互模塊是由無線傳感器網(wǎng)絡和RFID識讀器組成。其中無線傳感器節(jié)點包含各種傳感器以及人體機能檢測芯片，數(shù)據(jù)處理單元由單片機、存儲器、天線、無線射頻模塊和供電單元五個部分組成，RFID識讀器由單片機、無線射頻模塊、天線、串口接口模塊和供電單元組成。兩個元件之間的運行交互過程如下；溫度、濕度、煙霧、光線和壓力傳感器等收集災區(qū)的環(huán)境數(shù)據(jù)，如哪些地方房屋發(fā)生坍塌、房屋坍塌程度、是否發(fā)生火災、時候有爆炸危險等。這些數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)絾纹瑱C中，本設(shè)計的控制模塊選用MSP430系列中更低成本、更高性能的新型單片機MSP430F2012。數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機的編碼處理后，通過串口傳送到存儲器，存儲器通過串口連接到RFID識讀器，把數(shù)據(jù)傳送到該模塊。識讀器選用的芯片是Chipcon公司最新推出的CC1100射頻芯片，它是一種特別適用于UHF的無線傳輸芯片，體積小、功耗低，數(shù)據(jù)傳輸速率為1.2 kbps～500 kbps，其典型工作頻率是315、433、868和915MHz，本設(shè)計采用915 MHz為中心頻率。這些傳感和屬性數(shù)據(jù)通過射頻卡天線傳遞到RFID識讀器的天線，這里射頻卡用到的天線是采用三角微帶天線模型設(shè)計，最大場強方向為0.125，識讀器天線采用915 MHz諧振頻率線極化天線，天線的輻射功率是1 W左右。RFID識讀器CC1100將獲取的數(shù)據(jù)通過串口傳遞到單片機MSP430F2012，該單片機對數(shù)據(jù)進行編碼和處理，通過RS-232串口與外部計算機實現(xiàn)雙向交互，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點和RFID識讀器的供電單元是9000mAH的鋰電池。

4.2 電子標簽模塊

監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)單元的電子標簽主要由傳感器、現(xiàn)場報警裝置、電源模塊、MCU和射頻模塊五部分組成。電源模塊負責提供設(shè)備工作動力，同時充當備用電源。單片機作為MCU，負責實時采集傳感器監(jiān)測信息，有異常狀況時，單片機啟動射頻模塊工作，同時命令現(xiàn)場報警裝置報警。監(jiān)測防區(qū)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

電子標簽的設(shè)計過程中，MCU的選擇非常關(guān)鍵。MCU主要負責控制傳感器數(shù)據(jù)采集，存儲報警信息EPC碼，啟動射頻模塊工作，命令現(xiàn)場報警裝置報警。為了使電子標簽盡量成本低、體積小、處理速度快，本系統(tǒng)選用的MCU具有1個時鐘/機器周期，高速、高可靠，2路PWM，8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換，25萬次/秒1T 8051帶總線，無法解密，管腳直接兼容傳統(tǒng)89C52，有全球唯一ID號可省復位電路，36-44個I/O內(nèi)部R/C時鐘的單片機芯片。小型LQFP48引腳封裝包含多達44個通用I/O口，與傳感器、射頻模塊電路連接簡單。

4.3 物聯(lián)網(wǎng)單位的坐標信息獲取模塊

GPS芯片根據(jù)衛(wèi)星的定位功能得到物資的坐標信息，提高了坐標信息采集的效率和準確率，設(shè)計方案采用的是Ublox的GPS模塊。該模塊的好處是便于直接從串口得到其接收到的信息，也便于同無線通信模塊GSM芯片進行集成。在地震應急指揮中，還可以結(jié)合移動GIS、GPS和無線通訊技術(shù)，將應急救援系統(tǒng)的各種信息資源整合到移動終端中，大大提升應急救援系統(tǒng)的靈活性、實時性、準確性。在應急中，移動終端由救援人員隨身攜帶，為快速抵達災區(qū)現(xiàn)場提供必要的協(xié)助，降低災情的擴大，并提供現(xiàn)場指揮所需要的各類基礎(chǔ)信息。通過GPS芯片與衛(wèi)星的實時交互，得到物資的具體坐標，再通過串口接口輸送到RFID識讀器中的單片機中進行處理，以便下一步通過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心服務器上。

4.4 射頻模塊設(shè)計

無線射頻模塊采用工作在2.4GHz ISM頻段的nRF24L01芯片，工作電壓為1.9～3.6V低功耗，通過SPI總線與MCU相連。具有126個頻道，滿足多點通信和跳頻通信的需要，能夠?qū)崿F(xiàn)點對點、點對多點的無線通信，同時可通過改頻、跳頻來避免干擾。支持CRC校驗，能夠提供高達2M bps的傳輸速率，可以工作在有較強干擾、低功耗的場合。nRF24L01的EnhancedShockBurst模式具有自動應答和自動重傳的功能，極大地減少了丟包率，增加了傳輸可靠性。實驗測試證明，當有門、窗、墻等障礙物阻擋時，無線射頻通信范圍在50～80 m，適用于災區(qū)苛刻的使用條件。如需更大通信范圍，可適當增加功率放大裝置。

4.5 信息處理功能模塊

信息處理模塊由信息采集、命令執(zhí)行、信息存儲、地圖信息和輔助決策這五個子模塊組成。

(1)信息采集子模塊通過射頻信號接收器以及和衛(wèi)星的協(xié)同交互得到物聯(lián)網(wǎng)單元的各種信息，包括房屋、道路、橋梁、軌道設(shè)施的損毀情況并將它們所處的位置通過GPS衛(wèi)星系統(tǒng)反應在地圖上。通過人體機能狀況檢測芯片實時反應成為物聯(lián)網(wǎng)個體的災民的健康狀況、是否有生命跡象，并在地圖上反應該物聯(lián)網(wǎng)個體的位置，為救援工作帶來方便。

(2)命令執(zhí)行子模塊通過接收到的信息判斷是否發(fā)生火災，如果發(fā)生即采取一系列指令，如自動切斷火源，煤氣等可能引起火災的因素；開啟應急電源并優(yōu)先給醫(yī)院，消防部門供電；開啟備用醫(yī)藥箱的鎖，為災民開展自救節(jié)省時間，并盡快將災區(qū)信息傳送至地震指揮中心。

(3)信息存儲子模塊主要是利用數(shù)據(jù)庫存儲物聯(lián)網(wǎng)單元的基本信息、坐標值和環(huán)境數(shù)據(jù)，以便為后來的輔助決策提供數(shù)據(jù)支持。

(4)輔助決策子模塊對傳送過來的數(shù)據(jù)進行綜合的分析和評估。在抗震救援中，道路車輛調(diào)度是最常見和有效的救援方式之一。應急救援條件下的救援調(diào)度由于多個決策目標的存在，不能直接運用最短路線模型求解。輔助決策子模塊可以根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)得到的信息及時判斷道路環(huán)境、地形地貌差異及事態(tài)嚴重程度，并用安全通過概率來描述車輛安全通過某路段的可能性大小，提供救援調(diào)度的安全性決策屬性如圖4所示。

5.結(jié)束語

本系統(tǒng)通過傳感器、單片機、衛(wèi)星、GPS芯片和無線射頻模塊等硬件的協(xié)同工作，采集和傳送災區(qū)物聯(lián)網(wǎng)單元的各項信息，有利于地震應急措施的執(zhí)行，減少地震引發(fā)的災害程度?？梢酝瑫r在多個遠程終端查閱到物聯(lián)網(wǎng)單元的信息，便于相關(guān)部門之間的協(xié)調(diào)、配合，有效開展救援工作。同時為災后重建積累大量事實數(shù)據(jù)。同時，物聯(lián)網(wǎng)地震應急救援系統(tǒng)具有建設(shè)、維護費用低廉，可在線更新數(shù)據(jù)、軟件升級容易等優(yōu)點，且不受地域、環(huán)境等條件的限制，只要有網(wǎng)絡的地方，就可以搭建系統(tǒng)。在網(wǎng)絡飛速發(fā)展的今天，已經(jīng)具備了建立物聯(lián)網(wǎng)地震應急救援系統(tǒng)的必要條件。隨著技術(shù)的進一步完善，該系統(tǒng)將進一步降低地震破壞力。

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