基于單片機的地震救援指揮控制系統(tǒng)

郭洪杰

（武警警官學院 四川·成都 610213）

0 引言

社會的進步導致我國城鎮(zhèn)化率越來越高，一個城市中的人口越來越集中的同時，建筑結(jié)構(gòu)也變得多樣化，這也使得目前的救援任務(wù)變得復(fù)雜化，困難化。當前，如何提高保障裝備水平和工作效率，以及如何保證搶險救援人員安全，使救援人員在搶險救援中發(fā)揮更大的作用，成為目前亟待研究解決的問題。本文對單片機技術(shù)在搶險救援方面成功的經(jīng)歷進行借鑒，研究設(shè)計出一套安全保障系統(tǒng)，實行對救援人員安全的實時、準確、高效管理與實時監(jiān)控。將受困人員和救援人員的位置信息進行實時傳輸，提高支援效率。加快應(yīng)急救援核心戰(zhàn)斗力的形成，對于提高行搶險救援任務(wù)的安全性和成功性有重大意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案和工作原理

（1）便攜式定位終端，該模塊是佩戴在救援人員身上的監(jiān)測裝置。該裝置和后端的監(jiān)控指揮中心實時通信以便報告自身的相關(guān)情況。目前，已經(jīng)完成的監(jiān)測參數(shù)包括：同步時間，經(jīng)緯度，心率。面對抗震救災(zāi)過程中碰到的復(fù)雜地形，通過位置監(jiān)測可以使得后端監(jiān)控中心實時觀測到人員的部署和分布情況，提高指揮效率。

2 系統(tǒng)硬件選型分析

（1）單片機主控選型，STC12C5A60S2單片機是一款增強型51單片機，速度快，抗干擾強，代碼可兼容原始8051。由于其成本低，資源豐富，功能齊全，技術(shù)成熟等特點，STC12C5A60S2單片機成為目前51系列中的主流。

（2）定位模塊的選型，選用BLOXNEO-6MGPS模塊，GPS模塊發(fā)展比較成熟，定位速度快，精度高，適應(yīng)性強。

（3）無線通信模塊選型采用433MHz頻段的SI4436無線通信模塊，SI4463模塊是一款高集成度的無線收發(fā)芯片。消耗低，傳輸距離遠，支持高速傳輸，體積小和穩(wěn)定性高也是其優(yōu)點之一，其傳輸距離高達3000米遠。

（4）顯示模塊的選型，選用OLED12864液晶顯示模塊OLED12864液晶可以顯示漢字，英文字符等信息，且無須背光模組，因此在屏幕的厚度和功耗上具有傳統(tǒng)液晶屏無法比擬的優(yōu)勢，它的顯示對比度高，反應(yīng)速度快，低分辨率的屏價格低廉，在便攜式電子設(shè)備中應(yīng)用越來越廣。

（5）心率監(jiān)測模塊的選型，根據(jù)心率產(chǎn)生的主要原因是動脈的相關(guān)活動，其在指尖組織中含量多。人心臟的跳動使得部分部位組織半透明度產(chǎn)生相應(yīng)的變化，因此對于發(fā)光二極管也產(chǎn)生周期性的響應(yīng)，將這種響應(yīng)轉(zhuǎn)換成電信號則可計算出心率。自行設(shè)計一款心率測量模塊。

（6）報警模塊選擇，選用蜂鳴器加上LED燈組合形式使用蜂鳴器加上LED的形式便于實現(xiàn)，成本較低，對于電路設(shè)計、實物制作和結(jié)構(gòu)、性能優(yōu)化上有一定的幫助作用。且功能較容易實現(xiàn)，便于利用程序控制。

口口爾圖石墨礦區(qū)大地構(gòu)造位置處于東昆侖造山帶伯喀里克—香日德元古宙古陸塊體[1-2]，區(qū)內(nèi)構(gòu)造演化歷史最早始于呂梁期—晉寧期，構(gòu)成柴南緣地層分區(qū)的變質(zhì)結(jié)晶基底，華力西期構(gòu)造、巖漿活動較為強烈。

3 系統(tǒng)電路設(shè)計

3.1 單片機主控電路設(shè)計

STC12C5A60S2單片機最小系統(tǒng)電路主要包括芯片主體、外部晶振電路、復(fù)位電路，以及ISP程序下載電路四部分。主控電路電路圖如下圖所示。

（1）復(fù)位電路。

復(fù)位方式可分為按鍵復(fù)位和上電復(fù)位兩種。前者是指用戶可按照需求，手動將系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。后者則是每次系統(tǒng)通電，自動復(fù)位。本設(shè)計兩種都可支持。

（2）時鐘電路。

晶振電路是同步單片機系統(tǒng)各個部件工作時序的最小時間單位。時鐘電路由22.1184MHz的晶體振蕩器 Y1，兩個20pF的電容C4和C5組成。產(chǎn)生高精度的時鐘信號驅(qū)動單片機工作。

（3）ISP下載電路。

P1即下載接口，對應(yīng)到實物中是4個排針，利用此接口進行程序的調(diào)試輸出和下載，簡單方便。

3.2 GPS定位電路設(shè)計

P12和P13引腳是單片機的串口2引腳，其中P12為接收引腳，P13為發(fā)送引腳，分別和GPS模塊的TXD和RXD引腳相連。然后通過串口中斷接收數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，在主程序中從緩沖區(qū)中讀取出來按照NMEA-0183協(xié)議解析得到經(jīng)度，緯度，日期時間數(shù)據(jù)。

3.3 心率檢測電路設(shè)計

脈搏傳感器的后級處理電路，便是對脈搏傳感器輸出的模擬電信號進行脈沖整形，最終輸出數(shù)字信號供單片機檢測計算。P2是傳感器接口，需要接入電壓比較器經(jīng)過整形轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。電壓比較器是對兩個電壓進行比較并以方波的形式顯示出來。方波信號最終送到單片機，單片機采集后得到信號的周期，計算出心率值。

3.4 無線通信電路設(shè)計

單片機和無線模塊通過串口連接使單片機具有無線通信功能，同理，PC機也可以通過串口和模塊連接使PC機具有無線通信功能。本設(shè)計中采用USB轉(zhuǎn)串口模塊，分別連接PC機的USB口以及無線模塊，PC機軟件通過讀寫串口實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。實物中，模塊和單片機的串口1引腳P30和P31相連，此模塊為寬電壓供電范圍，無須專門作電壓轉(zhuǎn)換。

3.5 LCD液晶顯示電路設(shè)計

LCD屏的15引腳PSB接GND來設(shè)置LCD屏接口工作在串行模式。LCD模塊和單片機連接采用P25-P27共3個引腳，三個引腳的功能說明如下：

P25引腳：片選引腳，低電平時，LCD被選中處于工作狀態(tài)。

P26引腳：串行數(shù)據(jù)引腳，傳輸通信所需數(shù)據(jù)信號。

P27引腳：串行時鐘引腳，提供P26引腳通信所需要的時鐘信號。

3.6 聲光報警電路設(shè)計

聲光報警控制電路主要包括LED燈和蜂鳴器。由P23口控制PNP三極管S8550的通斷實現(xiàn)蜂鳴器控制，當P23引腳輸出低電平時蜂鳴器工作，P23引腳輸出高電平時蜂鳴器截止。P22引腳控制LED的工作情況，低電平時LED燈亮，反之燈滅。單片機的引腳默認為高電平，聲光報警是否工作完全由程序控制。

3.7 供電電源電路設(shè)計

本設(shè)計采用USB接口的電源線來供電。供電電壓為5V，方便在開發(fā)和測試階段采用各類 USB接口輸出的電源來測試，比如移動電源，電腦USB接口等。

DC_IN即實物電源插座，Switch是電源開關(guān)，C2和C3分別是電解電容和瓷片電容，并聯(lián)在電源兩端，濾除供電輸入的雜波，使電源輸入電壓電流穩(wěn)定，最終輸出VCC給各模塊和芯片供電。

4 地震救援安全保障系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)計軟件分為兩大部分：硬件便攜式終端中的單片機軟件,PC上位機監(jiān)控系統(tǒng)軟件。軟件采用模塊化功能設(shè)計，即各個模塊采用驅(qū)動程序?qū)⒉僮骺刂品绞椒庋b在模塊對應(yīng)的驅(qū)動程序里，然后主程序只需要采用驅(qū)動程序即可以完成輸入輸出控制，因此本章也采用主程序加功能模塊子程序的方式來描述。

4.1 便攜式安全保障終端軟件主程序設(shè)計

硬件端主程序的邏輯功能相對簡單,開機啟動后就接收GPS定位信號，定位成功后就解析計算位置信息進行顯示，同時檢測心率值，心率異常時，蜂鳴提醒。程序定時將心率數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)打包無線發(fā)送至遠程監(jiān)控中心。系統(tǒng)同時接收遠程監(jiān)控中心下達的指令信號，在LCD顯示同進蜂鳴提醒救援人員。

4.2 上位機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計中上位機使用C#語言，通過Microsoft Visual Studio 2012軟件平臺進行設(shè)計，設(shè)計內(nèi)容包括：（1）顯示界面設(shè)計部分；（2）串口通信部分（通過串口和無線模塊連接進行數(shù)據(jù)收發(fā)操作）；（3）數(shù)據(jù)文本信息顯示部分；（4）百度地圖定位顯示部分。上位機界面設(shè)計采用 WinForm可視化設(shè)計器來設(shè)計，WinForm為Net平臺對WindowsForm的稱呼。Net平臺為開發(fā)WinForm提供了大量的類庫。這些類庫被封裝在一個名稱空間System.Windows.Forms里。通過VS2012軟件的工具箱，找到所需要的控件，然后拖到界面上進行布局。本設(shè)計中用到的控件有 Label，TextBox，Button，PictureBox，Group,WebBrowser等。

5 結(jié)束語

在本次設(shè)計的過程中，由于本人掌握知識有限，特別是一些具體的參數(shù)設(shè)置和計算還有待優(yōu)化，此外，整個抗震救災(zāi)保障系統(tǒng)雖然已經(jīng)力求準確，仍存在較大的提升空間。

第一，本設(shè)計可以增加防水功能。通過以一定的技術(shù)使得系統(tǒng)能夠防水，這樣不僅在抗震救災(zāi)中實用，也可以應(yīng)用于抗洪。

第二，本設(shè)計采用的是按鈕報警存在缺陷。可利用傳感器技術(shù)，當檢測到救援人員的心率不正常時實施自動報警，可有效提高安全防護能力。