物聯(lián)網(wǎng)工程-基于無線通訊的應急救援黑匣子設(shè)計與實現(xiàn)

第1章緒論1.1設(shè)計目的和意義當前，人類的應急救援設(shè)施還不是太完善，當人們在野外、在原始森林、在樹木多的地方?jīng)]有手機網(wǎng)絡(luò)信號，就會導致失聯(lián)，而我們所研究的應急救援黑匣子，目的就是為了解決這個問題的，我們這個系統(tǒng)用到了GPS/北斗雙模定位，采用315M波段頻率將信號傳輸?shù)浇邮斩耍?15頻段具有抗干擾能力并且通訊范圍廣。我們所使用的黑匣子便于救援人員實施搜索，在多人需要救助的前提下，救助機構(gòu)能夠基于被救助者的身體和環(huán)境來實施優(yōu)先救助。緊急救助設(shè)施通常是指針對突發(fā)性、嚴重事故進行的緊急預防、具有恢復力的相關(guān)措施規(guī)劃，及其相關(guān)的人力動員與設(shè)施配備，以幫助回復到正常狀況，避免事故的擴大。這些事故發(fā)生的根本原因與范圍都多種多樣，涵蓋了城市火災事故救援體系、農(nóng)村自然災害救援系統(tǒng)、城市公共交通救援系統(tǒng)等，還有重大基礎(chǔ)建設(shè)工程廠礦救援系統(tǒng)等等。所以建立科學合理的應急救援體系是災害事故應急處理的重要基礎(chǔ)，其主要包括了應急救援的機構(gòu)、應急救援體系的標準管理體系、應急救援措施、應急培訓和演練、應急保障制度等五方面內(nèi)容REF_Ref20087\r\h[2]。我們所研發(fā)的黑盒子能夠顯著提升緊急救護的速度與質(zhì)量,防止和降低人們的傷害與經(jīng)濟損失,能保障環(huán)境與社區(qū)安全,充分體現(xiàn)出珍惜生命和科技健康的新觀念。如果應急救援工作在全社會都得到了完整、科學、合理的開展,將大大減少了由于事故所造成的人員傷亡和經(jīng)濟損失,為建設(shè)全面和諧發(fā)展的小康社會,創(chuàng)造了一個有利的外部條件和可靠保證。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀當前中國緊急救助系統(tǒng)中還存在問題。消防員人數(shù)少，訓練不系統(tǒng)，難以應對復雜的火災事故。我國消防員的人數(shù)相對來說還是比較少的，并且很多消防員是從地方部隊選出來的，他們對于救援知識和技能都不夠熟練，因此在面對復雜的火災事故時，往往不能夠有效地應對。當火災事故發(fā)生時，消防員難以及時救助，需要第一時間趕往現(xiàn)場進行救援。但是由于當前消防隊伍在日常訓練中不夠系統(tǒng)，缺乏專業(yè)的訓練課程以及專業(yè)的設(shè)備設(shè)施和人員裝備REF_Ref19855\r\h[7]。健全安全應急體系，提升應急管理能力，是全面建設(shè)小康社會的必然要求。我國的應急救援體制應如何建立，我們可以借鑒國外先進經(jīng)驗，結(jié)合我國國情和實際情況，完善我國的應急救援體制。建立健全公共安全體系是社會發(fā)展的必然要求，而建立健全法律法規(guī)是實現(xiàn)這一目標的有效途徑。首先，我們應加強相關(guān)法律法規(guī)建設(shè)。如《消防法》《消防法實施條例》等法律法規(guī)都對緊急救援做出了相關(guān)規(guī)定，但這些規(guī)定分散在多部法律中，沒有形成體系。因此，應出臺專門的應急管理法律法規(guī)。當前手機定位功能在我們國家得到了廣泛的應用，但也有很多不足。像野外定位器，定位不完全準確，不能將自己的位置準確的發(fā)送出去，無法得到及時救援。如果我們在野外活動時，發(fā)現(xiàn)對講機沒電了，該怎么辦呢？首先，可以把電池取出來，放進背包里備用。其次，打開電源開關(guān)，插上充電器或者充電寶給電池充電。如果電池還是沒電了，我們就不要再使用它了，因為這時電池電量已經(jīng)消耗殆盡了。第三，可以找一個小石塊或其他物品放進包里固定電池的位置，以防掉出。第四，我們可以把電池拿出來充電或者更換新的電池。第五、如果有條件的話可以用充電線連接手機充電寶給電池充電。第六、如果有條件的話也可以把手機上的電給足一些，這樣我們在野外活動時也能用手機與家人聯(lián)系了。1.2.2國外研究現(xiàn)狀在現(xiàn)代化國家中，公共健康管理體系職責的主要部分就是國家應急管理體系職責。近年來，世界各地均十分重視應急管理，基本上建立了帶有自身特點的多元化、整體性、和立體化應急管理體制機制。研究海外緊急救助系統(tǒng)建立，能夠為推動中國緊急救助工作發(fā)展提供參考借鑒。近幾年來，在國外已經(jīng)開發(fā)出了一個新型的擴頻通信技術(shù)，其最大跳頻段寬達一點五MHz以上，最大跳頻速度可以達到二千五百六十跳/s，甚至五千跳/s。該類技術(shù)的數(shù)字傳輸方式和低頻率波型的特性，與快速的高頻頻速率有機的匹配，實現(xiàn)了極大數(shù)據(jù)速率。在受衰落和多徑效應所限制的天波通道上，能具有良好的數(shù)據(jù)傳輸性能。但是它的缺點是系統(tǒng)用頻帶寬，相對于FDMA、TDMA多址方式，采用擴頻技術(shù)的CDMA多址方式在移動通信的系統(tǒng)實現(xiàn)更為復雜，不方便使用。根據(jù)美國國家災害應急反應委員會（NationalResponseAgency,NRA）的研究表明，在美國國家災害應急反應中，政府的救助機構(gòu)、民間救援組織、志愿者以及公眾是共同參與救援行動的四個重要方面。第一，聯(lián)邦緊急救助體系由聯(lián)邦政府設(shè)立的“緊急救助署”所承擔。聯(lián)邦緊急救助體系作為一個政府系統(tǒng)，它是美國社會保障體系的重要組成部分。通過對災害進行事先預防和準備，一旦發(fā)生災害后，以最快的速度、最有效的方法和手段對災害進行及時、高效、全面的處理。它以全國范圍內(nèi)的應急系統(tǒng)為基礎(chǔ)，并以應急能力為核心。俄羅斯國家應急救援隊有：俄羅斯緊急救援中心（簡稱緊急救中心）緊急救中心為俄羅斯聯(lián)邦內(nèi)務部下屬的一個直屬單位，成立于1993年，下設(shè)四個處，分別是：緊急救中心主任：負責領(lǐng)導和管理緊急救中心的日常工作；副主任：協(xié)助主任開展工作；緊急救中心在俄羅斯應急救援體系中起著承上啟下的作用，在應對突發(fā)事件方面具有舉足輕重的地位，其職責是：（1）為俄羅斯聯(lián)邦政府和俄羅斯應急管理機構(gòu)提供應急救援的決策依據(jù)；（2）指導俄羅斯聯(lián)邦各地區(qū)、聯(lián)邦主體內(nèi)各單位開展應急救援工作。日本的災害管理部門，主要負責對重大自然災害、特別重大災害事故、特別重大交通事故的調(diào)查和處理，并通過公布災害信息和采取各種應急措施，盡量減少災害事故對人們生命財產(chǎn)的損失。日本的醫(yī)療機構(gòu)主要是針對重大自然災害以及各種突發(fā)事件而設(shè)立的醫(yī)療救助機構(gòu)。日本目前設(shè)有包括國立疾病預防控制中心在內(nèi)的五十多個全國性醫(yī)療機構(gòu)，負責對重大自然災害以及各種突發(fā)事件的救助，還負責對一些疑難雜癥以及疾病進行研究和治療。其中，國立疾病預防控制中心是日本最大的傳染病預防控制機構(gòu)，擁有三百多名工作人員。1.3設(shè)計研究的主要內(nèi)容研究的黑匣子系統(tǒng)采用315M波段頻率通信，采用超再生模塊實現(xiàn)接收信號，實現(xiàn)抗衰減，采用CRC校驗確保數(shù)據(jù)的可靠校驗。系統(tǒng)分為兩部分：發(fā)射部分（黑匣子）：采用STM32單片機作為主控制器，采用DS18B20監(jiān)測體溫，采用煙霧探測器來監(jiān)測煙霧濃度，采用GPS/北斗雙模定位實現(xiàn)位置信息的獲取，采用315M無線點發(fā)射模塊實現(xiàn)無線信號的產(chǎn)生，采用磁場傳感器配合顯示屏實現(xiàn)指南針效果。接收器部分：使用STM32單片機控制器為主控制器，通過超再生三百一十五接收模組進行無線網(wǎng)絡(luò)信息的接收，并通過OLED顯示屏顯示搜索到的黑盒子的定位信息，通過GPS/北斗雙模定位進行本機定位信息收集，并通過磁場感應器結(jié)合顯示屏進行指南針效果。發(fā)射部分和接收部分組裝完成以后，用藍牙將接收部分接收到的信息轉(zhuǎn)接到手機APP上，此系統(tǒng)構(gòu)建完成。技術(shù)要求：1.采用煙霧傳感器監(jiān)測煙霧濃度。2.采用DS18B20監(jiān)測體溫。3.通過315M無線點發(fā)射系統(tǒng)進行無線信號的發(fā)射,和通過超再生315接收系統(tǒng)接收無線數(shù)據(jù)。4.采用STM32為主控制器。5.采用OLED顯示屏顯示搜索到的位置信息。6.采用GPS/北斗雙模定位實現(xiàn)位置信息的獲取。第2章基于無線通訊的應急救援黑匣子總體設(shè)計2.1系統(tǒng)方案與思路本系統(tǒng)主要由三個部分所構(gòu)成，分別為上位機，下位機和網(wǎng)關(guān)上位機部分主要承載的遠程管理，除了系統(tǒng)自身的處理能力，還有管理邏輯方面的支持。遠程控制包括遠程控制下位機管理的功能。數(shù)據(jù)管理包括接收下位機發(fā)過來的數(shù)據(jù)內(nèi)容以及人與物之間交互時用戶的操作。業(yè)務邏輯的處理包括對值的判斷、數(shù)據(jù)分析的功能。下位機的核心要素是單片機，各種傳感器與單片機相互配合，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的采集工作。與此同時，下位機還會根據(jù)上位機下發(fā)的數(shù)據(jù)信息以及程序中的一些邏輯實現(xiàn)我們預期的功能。網(wǎng)關(guān)是數(shù)據(jù)傳送的主要通路，轉(zhuǎn)發(fā)上位機和下位機之間發(fā)送的信息。上位機我用的是APP軟件，利用手機軟件收到下位機發(fā)送過來的信息，在屏幕上展示，方便于了解的信息。下位機采用的單片機是STM32單片機，它是一種價格比好的系列單片機。由于STM32單片機內(nèi)部有豐富的I/O口，可以完成上位機與下位機的通訊，上位機通過串口與單片機進行通信。下位機也有豐富的I/O口，可以完成與上位機串口通信。并且下位機有非常豐富的外設(shè)，能夠?qū)崿F(xiàn)許多功能。使用STM32單片機作為下位機的核心處理器，能夠很好地發(fā)揮其性能，并且將其移植到單片機中，能讓單片機控制更加靈活。本設(shè)計總體設(shè)計如下圖所示：手機APP手機APP藍牙模塊藍牙模塊搜救人員模塊搜救人員模塊GPS定位模塊315接收模塊顯示屏GPS定位模塊315接收模塊顯示屏315波段頻率315波段頻率黑匣子模塊黑匣子模塊GPS定位模塊溫度傳感器顯示屏煙霧探測器GPS定位模塊溫度傳感器顯示屏煙霧探測器圖2.1系統(tǒng)總體框架圖2.2元器件選型2.2.1主控選型：方案一：STM32F103C8T6單片機STM32F103C8T6單片微型機，并且功能的各方面都相當豐富，再加上市面上開發(fā)板以及教程的廣泛使用，讓大家在學習STM32F103C8T6的困難度以及時間上都能夠極大的減少。STM32F103C8T6單片機采用了高性能的32位處理器，在系統(tǒng)內(nèi)部集成了高性能的多個協(xié)處理器，具有高性能、高可靠性等特點。方案二：51單片機由于其采用了總線專用輔助暫存器的設(shè)計，因此對總線的要求比較高，要求其總線在工作狀態(tài)下，可以支持四種總線同時工作，即：數(shù)據(jù)總線、控制總線、地址總線以及時鐘總線，由于其采用了單邏輯位操作系統(tǒng)的設(shè)計，因此對操作系統(tǒng)的要求相對較低，可以方便地實現(xiàn)多任務操作。由于其指令豐富，因此可以方便地實現(xiàn)復雜的指令系統(tǒng)。基于此控制器的開發(fā)也比較簡單，在指令系統(tǒng)設(shè)計方面已經(jīng)達到了較高的水平。其編程思想就是：把主程序和各種中斷服務子程序以及定時器/計數(shù)器作為任務分開來實現(xiàn)；把主程序中所包含的各種操作都作為中斷處理，而不是把全部操作都放在主程序中。方案三：MSP430單片機MSP四百三十系列的單片微型機，是由美國德州儀器公司在一九九六年首先推向市場的，一種十六比特非低效率的混合信號處理器，最大的亮點就在于低效率的處理速度非?？?，所以匯編語言應用起來非常靈活，而且定址方式簡單很多，指令量很少，容易上手。方案選擇：STM32F103C8T6，STM32單片機內(nèi)置了一個16KB的Flash存儲器，可以提供一個獨立的FLASH存儲器空間，并且通過內(nèi)部集成的STM32F103RCT6微控制器來提供一系列片上資源。此外，STM32單片機還支持閃存技術(shù)，它能夠保證在任何應用中都能夠提供有效的數(shù)據(jù)傳輸，并且可以在嵌入式設(shè)備中實現(xiàn)更加靈活的應用。STM32單片機有一個內(nèi)置的串行接口（SPI）、一個外部中斷系統(tǒng)（包括一個外部中斷控制器）以及兩個通用定時器/計數(shù)器。2.2.2溫度傳感器方案一：DS18B20溫度傳感器該系列產(chǎn)品提供了一個具有非接觸式（即非接觸）測溫功能的溫度傳感器。在DS18B20中，與熱電阻結(jié)合使用時，傳感器的內(nèi)部采用了兩個可互換的熱電偶，即溫度傳感器DS18B20和熱電偶DS18B20.它們各自與一個熱電偶結(jié)點相連，并通過一個可互換的I/O接口與PC機連接。DS18B20和DS18B20之間的連接采用非接觸式方式。兩個熱電偶輸出端都連接在傳感器的內(nèi)部，而溫度傳感器DS18B20則通過一個I/O接口與PC機相連。由于熱電偶輸出端是單線，所以DS18B20的供電電壓為3.5V。方法二：鉑熱電阻溫度傳感器鉑熱電阻，是一種常用的工業(yè)測量儀表，它以鉑電阻為測量元件，利用鉑電阻的電測原理，直接把被測物體的溫度與該電阻的阻值進行轉(zhuǎn)換關(guān)系，從而得到被測物體的溫度。鉑熱電阻由于其穩(wěn)定性好，不受環(huán)境中有害氣體、煙霧等污染，具有較高的機械強度和良好的工藝性能，廣泛應用于冶金、化工、建材、電子、醫(yī)藥和食品等行業(yè)。鉑熱電阻（Pt100）具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、精度高等特點，廣泛用于各種工業(yè)生產(chǎn)過程中溫度測量。使用時將其兩端與待測對象連接起來即可，測溫精度可以達到±0.1℃。鉑熱電阻是一種高溫電阻元件，主要用來測量各種金屬或合金材料的溫度。方法三：熱電偶或溫度傳感器熱電偶式水質(zhì)傳感器，通常都是用二個不同的各種金屬板材連在一起的，一旦主體溫度發(fā)生了改變，那二端就會有不同的電勢出現(xiàn)，然后再利用電勢能的改變就獲得了對應的主體溫度變化。可測溫度：最高達到2300攝氏度，是高溫段中比較優(yōu)秀的K型正級。方案四：熱敏電阻通常，這種溫度傳感器一般都被安裝在各種家電的內(nèi)部，作為溫度監(jiān)測和控制的傳感器，可以通過各種接口與家電的其他部分相連接，實現(xiàn)對家電的控制。而要想實現(xiàn)對家電的控制，則需要通過對溫度傳感器的設(shè)定來實現(xiàn)。通常情況下，這種溫度傳感器都被安裝在各種家用電器內(nèi)部。例如在微波爐內(nèi)部，就需要安裝一個溫度傳感器來監(jiān)控微波爐內(nèi)部的溫度情況。具體來說，這種溫度傳感器一般都是通過壓力傳感技術(shù)來實現(xiàn)對冰箱內(nèi)部溫度的測量。通常情況下，這種壓力傳感技術(shù)是通過氣泵或者是壓差式傳感器來實現(xiàn)的。選擇方案：DS18B20溫度傳感器DS18B20數(shù)字式溫度傳感器，與一般常見的熱敏電阻不同的是，使用了集成元件，并且通過單總路設(shè)計，它能夠有效的降低了外界人力資源的熱量影響，也因此極大地提高了檢測溫度的精確度，此外，還可以直接將測設(shè)溫度信號轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號，并由單片的微式計算機管理，由于接口設(shè)計簡單，使得數(shù)據(jù)的傳送與管理都更為簡單。部分功能線路的集成，使總體的設(shè)置更為簡化，也能夠有效的降低成本，同時設(shè)置線路與連接電路時間也更快，調(diào)整時更易于簡單化，這也就縮短了開發(fā)的時限。2.2.3煙霧探測器方案一：光電煙霧報警器在光電煙霧報警器內(nèi)部有一個像迷宮一樣的空間光學迷宮，安裝了紅外對管，沒有煙霧的時候紅外管接收不到紅外光，，當有煙霧進入到光學迷宮的時候，通過反射與折射，接收管接收紅外光，當達到一定值時，煙霧報警器將發(fā)出報警。方案二：離子煙霧報警器工作原理是：電離室內(nèi)的放射源電離產(chǎn)生的正、負離子，在電場的作用下，分別向正負電極移動。在正常的情況下，內(nèi)外電離室的電壓與電流都是相對穩(wěn)定的，但是當有火災發(fā)生的時候，煙霧竄進外電離室，導致電離子不能正常運行，此時，電流電壓便發(fā)生變化，破壞內(nèi)外電離室的相對平衡，在電離室兩端的電壓增加到一定的情況下，離子煙霧探測器就會對其產(chǎn)生感應，產(chǎn)生報警。選擇方案：光電煙霧報警器光電煙霧傳感器能夠有效感應不同濃度的煙霧。它由光源，光電元件以及電子開關(guān)組成，它的內(nèi)部采用的是專用的集成電路可以分析火災的模式。紅外光電煙霧探測器的特殊材料和構(gòu)造，使它有效避免灰塵的附著。利用光的散射原理對煙霧的濃度進行探測，超出規(guī)定值時，及時發(fā)出報警信號。光電式煙霧探測器對煙霧粒子大的感應靈敏，對煙霧粒子小的感應差。由于燒火的時候，空氣中煙霧粒子大的會多一些，所以光電式煙霧探測器更為適合。2.2.4通訊模塊方案一：315M無線模塊315M無線模塊的\t"/item/315m%E6%97%A0%E7%BA%BF%E6%A8%A1%E5%9D%97/_blank"工作頻率為315MHZ，通訊的方式是\t"/item/315m%E6%97%A0%E7%BA%BF%E6%A8%A1%E5%9D%97/_blank"調(diào)幅AM，它的頻率穩(wěn)定度非常高，當環(huán)境溫度在一定范圍內(nèi)變化時，頻飄的值是非常小的。比較適合多個發(fā)射信號的設(shè)備集中在一個接受設(shè)備上的\t"/item/315m%E6%97%A0%E7%BA%BF%E6%A8%A1%E5%9D%97/_blank"無線遙控及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，無線發(fā)射模塊能垂直安裝在主板的邊緣上最好了。而且接受部分模塊的工作電壓為5V，靜態(tài)的電流僅為4MA，它可以和多種單片機配合，設(shè)計出來的電路不僅靈活而且還方便。方案二：ZigBee無線通信模塊它是一種短距離的通訊協(xié)議，傳播速度比較低，功率的消耗也比較低，它的安全性較高。但是ZigBee的成本相對較高，穿透力較弱，位置固定以后，很難再變動。方案三：無線通信模塊YL-660YL-660是一款性能比較高的通訊設(shè)備，消耗功率比較低，傳播距離較遠，它不改變?nèi)魏蔚臄?shù)據(jù)和協(xié)議，它是一款半雙工的傳輸機制，它的穩(wěn)定性也是比較好的，它的抗干擾能力，和接收數(shù)據(jù)的靈敏度也非常強，但是它的成本相對較高。選擇方案：315M無線模塊此無線通訊模塊，功率消耗較低，并且穩(wěn)定性相對較強，而且，它可以配合多種單片機工作，所需要的靜態(tài)電流較低，工作電壓相對穩(wěn)定。第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在本系統(tǒng)中，STM32單片機作為一個核心的控制器控制整個系統(tǒng)，由于使用了c語言程序設(shè)計，編譯器采用的是keil5；記錄信息的數(shù)據(jù)庫，采用的是Mysql；發(fā)射模塊是黑盒子，用STM32單片機作為主要傳感器；此部分如需測量體溫，則可采用DS18B20進行測量；最后采用煙霧感應器，對煙氣濃度進行監(jiān)測；目標位置數(shù)據(jù)的獲取，則采用GPS/北斗雙模定位系統(tǒng)來實現(xiàn)；需要通過315M無線發(fā)射系統(tǒng)來實現(xiàn)無線信號的發(fā)送；最后利用磁場傳感器中的顯示屏實現(xiàn)指南針功能，由發(fā)射模塊完成。接收器部分則是用來接受發(fā)射部分的無線信號，也是使用STM32單片機作為此系統(tǒng)的主要控制器；而對無線信號的接收，則采用的是315接收模組來實現(xiàn)；同時用來收集黑匣子的位置數(shù)據(jù)，并采用了OLED屏幕；而本機位置獲取則采用的是GPS/北斗雙模定位實現(xiàn)；同時利用磁場傳感器，結(jié)合著顯示器實現(xiàn)了指南針功能。發(fā)射部分和接收部分組裝完成以后，用藍牙將接收部分接收到的信息轉(zhuǎn)接到手機APP上，最終實現(xiàn)應急救援。GPS定位模塊顯示屏溫度傳感器煙霧探測器315波段頻率GPS定位模塊顯示屏溫度傳感器煙霧探測器315波段頻率黑匣子黑匣子接收模塊接收模塊GPS定位模塊315波段頻率藍牙模塊顯示屏GPS定位模塊315波段頻率藍牙模塊顯示屏圖3.1硬件結(jié)構(gòu)圖3.2元器件簡介（1）主控制器用STM32單片機，它提供了大量的與外設(shè)器件接口，STM32單片機還提供了和所有外設(shè)器件相連的通信協(xié)議，包括USB、CAN、SPI、12C等，以便于與其他設(shè)備進行通信。方便于調(diào)試和測量，STM32單片機中還設(shè)計了多個可以調(diào)試和測量的接口，如SWD和JTAG接口，以方便于進行調(diào)試和測量。再有就是STM32單片機很多都是用了Keil開發(fā)工具，對于中國老一代的工程師們來說，還是用Keil最親切順手。另外，STM32單片機還提供了QFP、LGA、WLCSP.UFQFPN等各種封裝樣式，能夠滿足各種使用要求。在選用封裝類型時，必須針對具體的使用場合、生產(chǎn)工藝，以及生產(chǎn)成本等綜合因素加以考量。如下圖：圖3.2主控制器STM32（2）位置信息的獲取GPS/北斗雙模定位。主要的作用是定位黑匣子的具體位置，確保搜救人員能夠準確定位到黑匣子的位置信息。GPS定位模塊的定位精度很高，而且在世界各地用到的也是相對比較廣泛的，GPS定位模塊儲存信息的能力也是非常強的，可以存儲大量位置信息，方便對數(shù)據(jù)進行分析與處理。GPS通訊模塊有多種接口，可以與多個設(shè)備進行通訊。GPS在各個領(lǐng)域得到了廣泛應用。實物如下圖：圖3.3GPS北斗定位模塊（3）DS18B20溫度傳感器：主要用來檢測人體體溫變化，搜救人員好提前做好準備工作，來確保其安全性，保障人身安全。DS18B20溫度傳感器的測量的精度也是非常高的，可以準確感應人體溫度的變化。它是以數(shù)字的方式來將溫度值呈現(xiàn)出來，為的是能與數(shù)字系統(tǒng)交互與處理。它采用的是單總線接口，一個引腳就可以控制幾個傳感器，為此設(shè)計帶來了方便。圖3.4溫度傳感器（4）煙霧探測器。主要用來檢測煙霧的濃度，確保黑匣子所在位置的安全性，在發(fā)生危險時，能夠察覺到。并且可以實時感知到煙霧并發(fā)出報警信號，提醒人們做好相應的準備。而且耗電量相對較低，可以采用電池供電。除此之外，煙霧探測器還具有聲光報警功能，當煙霧濃度達到一定值時，它會發(fā)出聲音，并且燈光開始亮起，來提醒人們可能有火災發(fā)生。煙霧探測器的檢修與維護也是非常方便的，它的使用范圍也是非常廣泛的。實物如下圖所示：圖3.5煙霧探測器（5）藍牙模塊。主要通過實現(xiàn)硬件部分和軟件部分之間的鏈接，將發(fā)送出去的數(shù)據(jù)的在軟件APP上，以便于搜救員查看。藍牙模塊體積比較小，也比較輕盈，方便集成到不同的電子設(shè)備中，它的功耗相對較低，適合電池供電。藍牙模塊的通訊方式也是比較豐富的，可以通過串口、SPI、IIC等多種方式進行通訊，適應的場景需求較多。實物如圖所示：圖3.6藍牙模塊（6）用315M無線模塊進行通訊。主要的作用是用來進行無線通訊的，將兩個硬件部分（接收部分與發(fā)射部分）相關(guān)聯(lián)，能夠正常進行通訊功能。在早期，發(fā)射機大多使用LC振蕩器，頻率不穩(wěn)定。聲表器件的出現(xiàn)將這個問題，它的頻率穩(wěn)定性和晶振的類似，不需要倍頻，和晶振相比電路非常簡單。接收機用的是超再生電路，它的成本低，功耗小。它的工作穩(wěn)定性比較差，選擇性也相對差，從而降低了抗干擾能力。圖3.7315M無線模塊（7）太陽能板或者鋰電池為黑匣子供電太陽能板能夠提供充足的機械強度，使太陽能電池組件經(jīng)受的住意外中受到的沖擊和振動產(chǎn)生的應力，它還可以承受得住冰雹的沖擊；具有良好的密封性，防止太陽能電池被腐蝕；具有良好的絕緣性能，工作壽命較長，成本要較為便宜。鋰電池較為方便的為黑匣子供電。實物如圖所示：圖3.8太陽能板圖3.9鋰電池（8）OLED顯示屏顯示采集的參數(shù)。OLED顯示屏功耗率較低，它的重量比較輕，抗震系數(shù)比較高，屏幕的視角大，視野范圍比較廣，反應速度比較快，而且它的材質(zhì)的柔韌性也是比較好的。OLED顯示屏是自發(fā)光材質(zhì)，輕薄短小，屬于中小型輕質(zhì)屏幕。圖像相對穩(wěn)定，可以和太陽能電池配合使用。所需電壓較低，耗能也較小。此顯示屏正是此次設(shè)計所需。如圖所示：圖4.1OLED顯示屏第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)是由發(fā)射部分和接收部分組裝完成的，用藍牙將接收部分接收到的信息轉(zhuǎn)接到手機APP上，最終實現(xiàn)應急救援。用程序做出一個APP來接收信息，以供搜救人員觀察黑匣子的情況。黑匣子部分通過對周圍環(huán)境的監(jiān)測，實時向搜救人員也就是接收部分發(fā)送相關(guān)信息，如：黑匣子的位置信息，監(jiān)測周圍煙霧的濃度，同時還可以監(jiān)測人體溫度的變化。開始開始系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化參數(shù)采集參數(shù)采集采集各個傳感器信息采集各個傳感器信息判斷判斷NYOLED顯示屏顯示數(shù)據(jù)OLED顯示屏顯示數(shù)據(jù)結(jié)束結(jié)束圖4.1整體軟件流程圖4.2系統(tǒng)硬件程序設(shè)計硬件部分由主控制器STM32單片機和煙霧探測器，溫度傳感器，超再生315接收模組以及GPS/北斗定位系統(tǒng)構(gòu)成。黑匣子部分系統(tǒng)是由STM32單片機做主控制器，監(jiān)測煙霧用到的是煙霧探測器，同時也可以監(jiān)測溫度的變化，用到的是DS18B20溫度傳感器,通過太陽能發(fā)電板或者鋰電池為黑匣子供電；利用GPS定位系統(tǒng)實時反映自己具體位置信息，由315波段頻率傳輸信號。此時，搜救人員部分通過315接收模組，接收黑匣子傳輸?shù)男畔ⅲ奖闼丫热藛T及時發(fā)現(xiàn)特殊狀況，以便救援。搜救人員部分硬件還有藍牙模塊，用來與上位機連接；兩部分都用到了OLED顯示屏，方便觀察各種信息。圖4.2整體軟件流程圖4.2.1OLED顯示屏將顯示屏與STM32單片機建立起連接，OLED顯示屏通過SPI接口進行通訊，查閱相關(guān)資料，通過IIC引腳將其建立連接，IIC總線包括兩條數(shù)據(jù)線，分別是SDA和SCL。SCL是ICC的時鐘引腳，SDA是ICC的數(shù)據(jù)引腳；在傳輸數(shù)據(jù)的時候，SDA引腳被用做雙向數(shù)據(jù)的總線，然而，SCL引腳是時鐘信號線，它是單向的。ICC上邊可以連接多個設(shè)備。圖4.3OLED顯示屏軟件部分4.2.2DS18B20溫度傳感器該系統(tǒng)在采集過程中，需要采集溫度，比如人體溫度，將溫度傳感器與STM32單片機建立連接，通過單總線串行通訊，與單片機進行信息交互，使其功能得以實現(xiàn)，通過太陽能發(fā)電板或者鋰電池為黑匣子供電。下圖為溫度傳感器的軟件設(shè)計： 圖4.4DS18B20溫度傳感器軟件設(shè)計（1）圖4.5DS18B20溫度傳感器軟件設(shè)計（2）4.2.3GPS定位系統(tǒng)利用GPS定位系統(tǒng)實時反映黑匣子的具體位置信息，GPS的信號通過短報文$GPGGA通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)，讓其功能得以實現(xiàn)。通過程序的編程將GPS的功能得到具體應用，軟件部分程序日下圖：圖4.6GPS定位系統(tǒng)軟件設(shè)計4.3系統(tǒng)上位機軟件設(shè)計上位機用到的是一款APP，通過藍牙串口協(xié)議將此APP與下位機進行通訊。藍牙串口協(xié)議的工作原理是通過藍牙SPP協(xié)議，將手機軟件APP與硬件部分通過虛擬串口進行連接，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。兩部分通過藍牙進行配對，連接與綁定；手機APP提供虛擬串口服務，接收部分硬件設(shè)備向手機APP發(fā)送連接請求；當連接成功以后，就可以像串口一樣進行通訊，將接收部分接收到的信息傳輸?shù)绞謾CAPP上，即完成上位機的通訊工作。在手機上用藍牙來連接搜救人員部分藍牙模塊發(fā)來的信號將黑匣子發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息顯示在手機APP上。來確定黑匣子的具體位置，實時監(jiān)測黑匣子附近的環(huán)境的變化，溫度變化，以及煙霧濃度情況，確保搜救人員及時發(fā)覺特殊情況的發(fā)生。上位機主要用來顯示接收模塊接收到的信息，此信息來源于黑匣子的監(jiān)測。此上位機的作用是讓救援人員隨時都可以觀察到黑匣子發(fā)送來的信息參數(shù)，準確做出判斷，及時做出準備工作。此黑匣子可以用到消防人員身上，當消防人員在遭遇巨大火災時，深陷其中，救援人員可以根據(jù)APP上邊溫度參數(shù)的變化，以及煙霧濃度的變化來判斷，消防人員是否遭遇危險，可以準確定位到消防人員的位置，加以施救。還可以監(jiān)測人體的生命體征，當人體溫度發(fā)生明顯變化時，此APP上將接收到的溫度信息展示在屏幕上，可以準確定位人員的位置信息，根據(jù)具體情況判斷是否需要救援。此上位機用來將搜集到的各個參數(shù)信息展示到手機中，更加方便了我們對黑匣子的實時監(jiān)測，當發(fā)生意外時，可以及時做出相應準備。圖4.7APP界面第5章系統(tǒng)的組裝與調(diào)試5.1系統(tǒng)組裝此系統(tǒng)由發(fā)射部分和接收部分組成，發(fā)射部分為黑匣子部分，接收部分是通過藍牙來連接手機APP。發(fā)射部分由主控制器STM32單片機，GPS/雙模定位系統(tǒng)，DS18B20溫度傳感器，煙霧探測器以及315M波段頻率來組成。接收部分由主控制器STM32單片機，超再生315接收模組組成的。藍牙模塊將接收到的信息反饋給手機APP，搜救人員可以實時獲取黑匣子的各種信息，以便于即使救援。圖5.1黑匣子部分實物組裝圖5.2救援人員部分組裝5.2系統(tǒng)調(diào)試此系統(tǒng)組裝完成以后，進行現(xiàn)場調(diào)試，測試溫度傳感器是否能正常感應溫度的變化，測試GPS/北斗定位系統(tǒng)是否能準確定位黑匣子位置，測試315M波段頻率是否能正常實現(xiàn)信號的接收與發(fā)送，通過用火柴燃燒來測試煙霧探測器是否能正常發(fā)出警報。測試藍牙模塊是否能正常與手機端APP正常連接。在晴朗的天氣有太陽的情況下，通過太陽能發(fā)電板，測試是否能改我們的設(shè)備供電。5.2.1溫度傳感器的測試在感應器放置好之后，用大拇指按住感應器，觀察屏幕上的參數(shù)改變，觀察是否出現(xiàn)溫度波動。圖5.3溫度傳感器圖5.4溫度傳感器數(shù)值5.2.2煙霧探測器的測試將煙霧探測器安裝到主控制器上，在其附近點燃，產(chǎn)生煙霧，觀察蜂鳴器是否有反映。圖5.5煙霧探測器5.2.3315M波段頻率測試測試315波段頻率是否能夠正常傳輸信息，在黑匣子部分與救援人員部分分別安裝好，觀察顯示屏上是否出現(xiàn)黑匣子傳來的信息。圖5.6波段頻率5.2.4GPS的測試將兩部分的GPS定位系統(tǒng)安裝好，將黑匣子部分供上電，觀察顯示屏是否可以接收到黑匣子的位置信息。圖5.7GPS硬件部分圖5.8GPS模塊及數(shù)值5.2.5顯示屏的測試顯示屏測試，將顯示屏安裝在主控制器上，通上電，觀察屏幕是否有變化；是否將參數(shù)信息正確顯示出來。圖5.9顯示屏5.2.6上位機的測試將上位機通過藍牙串口協(xié)議與下位機進行通訊，將下位機采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，使救援人員可以隨時觀察黑匣子的各個信息參數(shù)；觀察各個數(shù)據(jù)是否正常顯示在屏幕中。通過藍牙連接此APP，測試是否可以正常連接。圖5.10上位機結(jié)論緊急救援體系是指在火災、地震等自然災害以及大型生產(chǎn)事故中，政府和企業(yè)為降低人員傷亡和財產(chǎn)損失，保護公眾生命財產(chǎn)安全，以及最大限度的減少對社會的影響，而建立的一系列緊急救援機制。例如在地震發(fā)生時，救援人員在最短時間內(nèi)到達現(xiàn)場，迅速組織人員疏散，以及對受傷人員進行緊急救治。在火災事故中，政府和企業(yè)通過制定一系列有效的應急計劃，組織救援人員進行滅火救援，并及時聯(lián)系消防隊等外部救援力量進行支援。這些內(nèi)部和外部的緊急救援體系都是基于一個共同目標：盡可能地減少傷亡人數(shù)和財產(chǎn)損失。這種目標并不一定都能實現(xiàn)。建設(shè)有效的應急救援設(shè)施是中國災難事件緊急處置的重要基石，它主要分為緊急救助預案、緊急救助系統(tǒng)的規(guī)范制定、應急保障制度、緊急訓練與演習、緊急救助組織機構(gòu)等五部分內(nèi)容。迄今為止，我們的應急救援還不夠完善，當人們在野外、在原始森林、在樹木多的地方?jīng)]有手機網(wǎng)絡(luò)信號，導致失聯(lián)，而我們所研究的應急救援黑匣子，目的就是為了解決這個問題，我們這個系統(tǒng)用到了GPS/北斗雙模定位，采用315M波段頻率將信號傳輸?shù)浇邮斩耍?15頻段具有抗干擾能力并且通訊范圍廣。我們所研究的黑匣子方便救援人員進行搜救，在多人需要救援的情況下，救援人員可以根據(jù)被救援者的身體狀況和周圍環(huán)境來進行優(yōu)先救援。重大安全事故的直接危害，傷亡人數(shù)眾多，經(jīng)濟損失重大。作為一個大工業(yè)生產(chǎn)國家，重大安全事故出現(xiàn)的頻次也相對較高，通過以往的統(tǒng)計分析，重大交通事故所導致的人員傷亡事故現(xiàn)象已呈逐漸穩(wěn)定，趨向改善的態(tài)勢。但同時重大安全事故不僅給社會公眾造成了巨大的損失，同時也給公司和國家經(jīng)濟帶來了嚴重損失。當前國家安全應急行業(yè)發(fā)展并不均衡，且大多集中于處理救災類產(chǎn)品，安全緊急救助設(shè)施功能很是單薄，對國家自然災害管理和重大生產(chǎn)事故服務的貢獻也并非巨大，而檢測預警和預防防護類型生產(chǎn)活動也才剛剛開始，社會化服務程度也相對較少，工業(yè)化應用程度也不高。按照全球應急行業(yè)聯(lián)合會標準對我國的三千余家公司產(chǎn)品進行了分類，處置救援類所占比例最大，占比已經(jīng)超過了百分之五十六，然后是監(jiān)控預警類產(chǎn)品和預防防護類產(chǎn)品，但占比還不到四分之一，之后依次是百分之二十四、百分之十八，然而安全應急業(yè)務的占比則最低，僅有約百分之二，表明了中國的安全應急行業(yè)尚未建立系統(tǒng)化產(chǎn)品體系和完整的市場服務。經(jīng)過對預測技術(shù)的分析也能夠看出，附近的森林管護部門能夠很好的對要發(fā)生火災的區(qū)域迅速進行滅火管理，同時滅火部隊還能夠隨時待命，就算滅火措施不能有效禁火的也能夠及時投入到消防行動當中；同時利用森林火災的預報技術(shù)，還可以預測出發(fā)生火災區(qū)域的具體特點，如堆火災發(fā)生的速度口范圍、大火走向等，這樣有利于森林管理部門對森林火災制定出最好的管理辦法。森林消防通訊手段在森林消防技術(shù)中的應用也是十分關(guān)鍵的，當出現(xiàn)火災事故后可以給指揮員帶來新的火災事故實況，這是消防官兵可以及時獲得消防新情況的主要消息途徑，衛(wèi)星通信手段作為先進的通訊手段的主要特征之一，和其他通訊方式相較而言，具備通訊距離遠、數(shù)據(jù)傳遞容量大、覆蓋面廣、簡便靈活的特性。中國的數(shù)字程控交換技術(shù)始終遙遙領(lǐng)先于國際上其余的發(fā)達國家，其數(shù)字程控交換網(wǎng)絡(luò)可以將全國的所有關(guān)鍵點聯(lián)系到一起，通訊衛(wèi)星的距離達到一公里以上時即可進行全球范圍的通訊，不過數(shù)字程控交換也有著許多缺點：移動網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)需要較高的投資與科技投入，同時數(shù)據(jù)接收點的架設(shè)又是十分復雜的。技術(shù)的不斷革新提高以及管理方法的更加完備，為我國森林防火工作開展提供了有力的技術(shù)上的保證。同時美國和歐洲的部分國家，也為我國森林防火工作投入了大量的人力物力，并利用先進無線電遙感器駕馭技術(shù)、GPS全球定位系統(tǒng)、衛(wèi)星監(jiān)控技術(shù)、微機系統(tǒng)等先進術(shù)的有效運用，在預防、監(jiān)控和合理撲救火災等方面，都起到了重要的效果，成功挽回了由于森林失火而造成的重大損失，并保留了我國寶貴的森林資源。最近幾年，因為我國的綠化覆蓋率也面臨著逐步減少的情況，在林火多發(fā)的春秋季節(jié)，森林中的一次小火就很有機會造成更嚴重的森林大火，所以掌握了國外的先進消防科技，并將之應用到對我國實際的森林資源的保護當中，這是十分重要的。參考文獻陳家敏,顧捷.基于單片機的家居煙霧檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測試,2022,36(20):29-31.郭灼豪,彭杰琛,莊乙輝,郭志鵬,盧虹兆.多模態(tài)火災檢測報警系統(tǒng)設(shè)計[J].韶關(guān)學院學報,2022,43(09):54-59.韓增祺,柳美平,李循珠,李帆,賀永勝.基于單片機的智能火災報警器設(shè)計[J].電子制作,2022,30(09):73-75.王芬.關(guān)于煤礦安全的礦用(煙霧)傳感器的相關(guān)研究[J].當代化工研究,2021(13):50-51.梁光清.多信息識別技術(shù)在礦井煙霧監(jiān)測中的應用研究[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,2021(01)