物联网工程-基于无线通讯的应急救援黑匣子设计与实现

第1章绪论1.1设计目的和意义当前，人类的应急救援设施还不是太完善，当人们在野外、在原始森林、在树木多的地方没有手机网络信号，就会导致失联，而我们所研究的应急救援黑匣子，目的就是为了解决这个问题的，我们这个系统用到了GPS/北斗双模定位，采用315M波段频率将信号传输到接收端，315频段具有抗干扰能力并且通讯范围广。我们所使用的黑匣子便于救援人员实施搜索，在多人需要救助的前提下，救助机构能够基于被救助者的身体和环境来实施优先救助。紧急救助设施通常是指针对突发性、严重事故进行的紧急预防、具有恢复力的相关措施规划，及其相关的人力动员与设施配备，以帮助回复到正常状况，避免事故的扩大。这些事故发生的根本原因与范围都多种多样，涵盖了城市火灾事故救援体系、农村自然灾害救援系统、城市公共交通救援系统等，还有重大基础建设工程厂矿救援系统等等。所以建立科学合理的应急救援体系是灾害事故应急处理的重要基础，其主要包括了应急救援的机构、应急救援体系的标准管理体系、应急救援措施、应急培训和演练、应急保障制度等五方面内容REF_Ref20087\r\h[2]。我们所研发的黑盒子能够显著提升紧急救护的速度与质量,防止和降低人们的伤害与经济损失,能保障环境与社区安全,充分体现出珍惜生命和科技健康的新观念。如果应急救援工作在全社会都得到了完整、科学、合理的开展,将大大减少了由于事故所造成的人员伤亡和经济损失,为建设全面和谐发展的小康社会,创造了一个有利的外部条件和可靠保证。1.2国内外研究现状1.2.1国内研究现状当前中国紧急救助系统中还存在问题。消防员人数少，训练不系统，难以应对复杂的火灾事故。我国消防员的人数相对来说还是比较少的，并且很多消防员是从地方部队选出来的，他们对于救援知识和技能都不够熟练，因此在面对复杂的火灾事故时，往往不能够有效地应对。当火灾事故发生时，消防员难以及时救助，需要第一时间赶往现场进行救援。但是由于当前消防队伍在日常训练中不够系统，缺乏专业的训练课程以及专业的设备设施和人员装备REF_Ref19855\r\h[7]。健全安全应急体系，提升应急管理能力，是全面建设小康社会的必然要求。我国的应急救援体制应如何建立，我们可以借鉴国外先进经验，结合我国国情和实际情况，完善我国的应急救援体制。建立健全公共安全体系是社会发展的必然要求，而建立健全法律法规是实现这一目标的有效途径。首先，我们应加强相关法律法规建设。如《消防法》《消防法实施条例》等法律法规都对紧急救援做出了相关规定，但这些规定分散在多部法律中，没有形成体系。因此，应出台专门的应急管理法律法规。当前手机定位功能在我们国家得到了广泛的应用，但也有很多不足。像野外定位器，定位不完全准确，不能将自己的位置准确的发送出去，无法得到及时救援。如果我们在野外活动时，发现对讲机没电了，该怎么办呢？首先，可以把电池取出来，放进背包里备用。其次，打开电源开关，插上充电器或者充电宝给电池充电。如果电池还是没电了，我们就不要再使用它了，因为这时电池电量已经消耗殆尽了。第三，可以找一个小石块或其他物品放进包里固定电池的位置，以防掉出。第四，我们可以把电池拿出来充电或者更换新的电池。第五、如果有条件的话可以用充电线连接手机充电宝给电池充电。第六、如果有条件的话也可以把手机上的电给足一些，这样我们在野外活动时也能用手机与家人联系了。1.2.2国外研究现状在现代化国家中，公共健康管理体系职责的主要部分就是国家应急管理体系职责。近年来，世界各地均十分重视应急管理，基本上建立了带有自身特点的多元化、整体性、和立体化应急管理体制机制。研究海外紧急救助系统建立，能够为推动中国紧急救助工作发展提供参考借鉴。近几年来，在国外已经开发出了一个新型的扩频通信技术，其最大跳频段宽达一点五MHz以上，最大跳频速度可以达到二千五百六十跳/s，甚至五千跳/s。该类技术的数字传输方式和低频率波型的特性，与快速的高频频速率有机的匹配，实现了极大数据速率。在受衰落和多径效应所限制的天波通道上，能具有良好的数据传输性能。但是它的缺点是系统用频带宽，相对于FDMA、TDMA多址方式，采用扩频技术的CDMA多址方式在移动通信的系统实现更为复杂，不方便使用。根据美国国家灾害应急反应委员会（NationalResponseAgency,NRA）的研究表明，在美国国家灾害应急反应中，政府的救助机构、民间救援组织、志愿者以及公众是共同参与救援行动的四个重要方面。第一，联邦紧急救助体系由联邦政府设立的“紧急救助署”所承担。联邦紧急救助体系作为一个政府系统，它是美国社会保障体系的重要组成部分。通过对灾害进行事先预防和准备，一旦发生灾害后，以最快的速度、最有效的方法和手段对灾害进行及时、高效、全面的处理。它以全国范围内的应急系统为基础，并以应急能力为核心。俄罗斯国家应急救援队有：俄罗斯紧急救援中心（简称紧急救中心）紧急救中心为俄罗斯联邦内务部下属的一个直属单位，成立于1993年，下设四个处，分别是：紧急救中心主任：负责领导和管理紧急救中心的日常工作；副主任：协助主任开展工作；紧急救中心在俄罗斯应急救援体系中起着承上启下的作用，在应对突发事件方面具有举足轻重的地位，其职责是：（1）为俄罗斯联邦政府和俄罗斯应急管理机构提供应急救援的决策依据；（2）指导俄罗斯联邦各地区、联邦主体内各单位开展应急救援工作。日本的灾害管理部门，主要负责对重大自然灾害、特别重大灾害事故、特别重大交通事故的调查和处理，并通过公布灾害信息和采取各种应急措施，尽量减少灾害事故对人们生命财产的损失。日本的医疗机构主要是针对重大自然灾害以及各种突发事件而设立的医疗救助机构。日本目前设有包括国立疾病预防控制中心在内的五十多个全国性医疗机构，负责对重大自然灾害以及各种突发事件的救助，还负责对一些疑难杂症以及疾病进行研究和治疗。其中，国立疾病预防控制中心是日本最大的传染病预防控制机构，拥有三百多名工作人员。1.3设计研究的主要内容研究的黑匣子系统采用315M波段频率通信，采用超再生模块实现接收信号，实现抗衰减，采用CRC校验确保数据的可靠校验。系统分为两部分：发射部分（黑匣子）：采用STM32单片机作为主控制器，采用DS18B20监测体温，采用烟雾探测器来监测烟雾浓度，采用GPS/北斗双模定位实现位置信息的获取，采用315M无线点发射模块实现无线信号的产生，采用磁场传感器配合显示屏实现指南针效果。接收器部分：使用STM32单片机控制器为主控制器，通过超再生三百一十五接收模组进行无线网络信息的接收，并通过OLED显示屏显示搜索到的黑盒子的定位信息，通过GPS/北斗双模定位进行本机定位信息收集，并通过磁场感应器结合显示屏进行指南针效果。发射部分和接收部分组装完成以后，用蓝牙将接收部分接收到的信息转接到手机APP上，此系统构建完成。技术要求：1.采用烟雾传感器监测烟雾浓度。2.采用DS18B20监测体温。3.通过315M无线点发射系统进行无线信号的发射,和通过超再生315接收系统接收无线数据。4.采用STM32为主控制器。5.采用OLED显示屏显示搜索到的位置信息。6.采用GPS/北斗双模定位实现位置信息的获取。第2章基于无线通讯的应急救援黑匣子总体设计2.1系统方案与思路本系统主要由三个部分所构成，分别为上位机，下位机和网关上位机部分主要承载的远程管理，除了系统自身的处理能力，还有管理逻辑方面的支持。远程控制包括远程控制下位机管理的功能。数据管理包括接收下位机发过来的数据内容以及人与物之间交互时用户的操作。业务逻辑的处理包括对值的判断、数据分析的功能。下位机的核心要素是单片机，各种传感器与单片机相互配合，实现了对数据的采集工作。与此同时，下位机还会根据上位机下发的数据信息以及程序中的一些逻辑实现我们预期的功能。网关是数据传送的主要通路，转发上位机和下位机之间发送的信息。上位机我用的是APP软件，利用手机软件收到下位机发送过来的信息，在屏幕上展示，方便于了解的信息。下位机采用的单片机是STM32单片机，它是一种价格比好的系列单片机。由于STM32单片机内部有丰富的I/O口，可以完成上位机与下位机的通讯，上位机通过串口与单片机进行通信。下位机也有丰富的I/O口，可以完成与上位机串口通信。并且下位机有非常丰富的外设，能够实现许多功能。使用STM32单片机作为下位机的核心处理器，能够很好地发挥其性能，并且将其移植到单片机中，能让单片机控制更加灵活。本设计总体设计如下图所示：手机APP手机APP蓝牙模块蓝牙模块搜救人员模块搜救人员模块GPS定位模块315接收模块显示屏GPS定位模块315接收模块显示屏315波段频率315波段频率黑匣子模块黑匣子模块GPS定位模块温度传感器显示屏烟雾探测器GPS定位模块温度传感器显示屏烟雾探测器图2.1系统总体框架图2.2元器件选型2.2.1主控选型：方案一：STM32F103C8T6单片机STM32F103C8T6单片微型机，并且功能的各方面都相当丰富，再加上市面上开发板以及教程的广泛使用，让大家在学习STM32F103C8T6的困难度以及时间上都能够极大的减少。STM32F103C8T6单片机采用了高性能的32位处理器，在系统内部集成了高性能的多个协处理器，具有高性能、高可靠性等特点。方案二：51单片机由于其采用了总线专用辅助暂存器的设计，因此对总线的要求比较高，要求其总线在工作状态下，可以支持四种总线同时工作，即：数据总线、控制总线、地址总线以及时钟总线，由于其采用了单逻辑位操作系统的设计，因此对操作系统的要求相对较低，可以方便地实现多任务操作。由于其指令丰富，因此可以方便地实现复杂的指令系统。基于此控制器的开发也比较简单，在指令系统设计方面已经达到了较高的水平。其编程思想就是：把主程序和各种中断服务子程序以及定时器/计数器作为任务分开来实现；把主程序中所包含的各种操作都作为中断处理，而不是把全部操作都放在主程序中。方案三：MSP430单片机MSP四百三十系列的单片微型机，是由美国德州仪器公司在一九九六年首先推向市场的，一种十六比特非低效率的混合信号处理器，最大的亮点就在于低效率的处理速度非常快，所以汇编语言应用起来非常灵活，而且定址方式简单很多，指令量很少，容易上手。方案选择：STM32F103C8T6，STM32单片机内置了一个16KB的Flash存储器，可以提供一个独立的FLASH存储器空间，并且通过内部集成的STM32F103RCT6微控制器来提供一系列片上资源。此外，STM32单片机还支持闪存技术，它能够保证在任何应用中都能够提供有效的数据传输，并且可以在嵌入式设备中实现更加灵活的应用。STM32单片机有一个内置的串行接口（SPI）、一个外部中断系统（包括一个外部中断控制器）以及两个通用定时器/计数器。2.2.2温度传感器方案一：DS18B20温度传感器该系列产品提供了一个具有非接触式（即非接触）测温功能的温度传感器。在DS18B20中，与热电阻结合使用时，传感器的内部采用了两个可互换的热电偶，即温度传感器DS18B20和热电偶DS18B20.它们各自与一个热电偶结点相连，并通过一个可互换的I/O接口与PC机连接。DS18B20和DS18B20之间的连接采用非接触式方式。两个热电偶输出端都连接在传感器的内部，而温度传感器DS18B20则通过一个I/O接口与PC机相连。由于热电偶输出端是单线，所以DS18B20的供电电压为3.5V。方法二：铂热电阻温度传感器铂热电阻，是一种常用的工业测量仪表，它以铂电阻为测量元件，利用铂电阻的电测原理，直接把被测物体的温度与该电阻的阻值进行转换关系，从而得到被测物体的温度。铂热电阻由于其稳定性好，不受环境中有害气体、烟雾等污染，具有较高的机械强度和良好的工艺性能，广泛应用于冶金、化工、建材、电子、医药和食品等行业。铂热电阻（Pt100）具有结构简单、性能稳定、精度高等特点，广泛用于各种工业生产过程中温度测量。使用时将其两端与待测对象连接起来即可，测温精度可以达到±0.1℃。铂热电阻是一种高温电阻元件，主要用来测量各种金属或合金材料的温度。方法三：热电偶或温度传感器热电偶式水质传感器，通常都是用二个不同的各种金属板材连在一起的，一旦主体温度发生了改变，那二端就会有不同的电势出现，然后再利用电势能的改变就获得了对应的主体温度变化。可测温度：最高达到2300摄氏度，是高温段中比较优秀的K型正级。方案四：热敏电阻通常，这种温度传感器一般都被安装在各种家电的内部，作为温度监测和控制的传感器，可以通过各种接口与家电的其他部分相连接，实现对家电的控制。而要想实现对家电的控制，则需要通过对温度传感器的设定来实现。通常情况下，这种温度传感器都被安装在各种家用电器内部。例如在微波炉内部，就需要安装一个温度传感器来监控微波炉内部的温度情况。具体来说，这种温度传感器一般都是通过压力传感技术来实现对冰箱内部温度的测量。通常情况下，这种压力传感技术是通过气泵或者是压差式传感器来实现的。选择方案：DS18B20温度传感器DS18B20数字式温度传感器，与一般常见的热敏电阻不同的是，使用了集成元件，并且通过单总路设计，它能够有效的降低了外界人力资源的热量影响，也因此极大地提高了检测温度的精确度，此外，还可以直接将测设温度信号转化成串行数字信号，并由单片的微式计算机管理，由于接口设计简单，使得数据的传送与管理都更为简单。部分功能线路的集成，使总体的设置更为简化，也能够有效的降低成本，同时设置线路与连接电路时间也更快，调整时更易于简单化，这也就缩短了开发的时限。2.2.3烟雾探测器方案一：光电烟雾报警器在光电烟雾报警器内部有一个像迷宫一样的空间光学迷宫，安装了红外对管，没有烟雾的时候红外管接收不到红外光，，当有烟雾进入到光学迷宫的时候，通过反射与折射，接收管接收红外光，当达到一定值时，烟雾报警器将发出报警。方案二：离子烟雾报警器工作原理是：电离室内的放射源电离产生的正、负离子，在电场的作用下，分别向正负电极移动。在正常的情况下，内外电离室的电压与电流都是相对稳定的，但是当有火灾发生的时候，烟雾窜进外电离室，导致电离子不能正常运行，此时，电流电压便发生变化，破坏内外电离室的相对平衡，在电离室两端的电压增加到一定的情况下，离子烟雾探测器就会对其产生感应，产生报警。选择方案：光电烟雾报警器光电烟雾传感器能够有效感应不同浓度的烟雾。它由光源，光电元件以及电子开关组成，它的内部采用的是专用的集成电路可以分析火灾的模式。红外光电烟雾探测器的特殊材料和构造，使它有效避免灰尘的附着。利用光的散射原理对烟雾的浓度进行探测，超出规定值时，及时发出报警信号。光电式烟雾探测器对烟雾粒子大的感应灵敏，对烟雾粒子小的感应差。由于烧火的时候，空气中烟雾粒子大的会多一些，所以光电式烟雾探测器更为适合。2.2.4通讯模块方案一：315M无线模块315M无线模块的\t"/item/315m%E6%97%A0%E7%BA%BF%E6%A8%A1%E5%9D%97/_blank"工作频率为315MHZ，通讯的方式是\t"/item/315m%E6%97%A0%E7%BA%BF%E6%A8%A1%E5%9D%97/_blank"调幅AM，它的频率稳定度非常高，当环境温度在一定范围内变化时，频飘的值是非常小的。比较适合多个发射信号的设备集中在一个接受设备上的\t"/item/315m%E6%97%A0%E7%BA%BF%E6%A8%A1%E5%9D%97/_blank"无线遥控及数据传输系统，无线发射模块能垂直安装在主板的边缘上最好了。而且接受部分模块的工作电压为5V，静态的电流仅为4MA，它可以和多种单片机配合，设计出来的电路不仅灵活而且还方便。方案二：ZigBee无线通信模块它是一种短距离的通讯协议，传播速度比较低，功率的消耗也比较低，它的安全性较高。但是ZigBee的成本相对较高，穿透力较弱，位置固定以后，很难再变动。方案三：无线通信模块YL-660YL-660是一款性能比较高的通讯设备，消耗功率比较低，传播距离较远，它不改变任何的数据和协议，它是一款半双工的传输机制，它的稳定性也是比较好的，它的抗干扰能力，和接收数据的灵敏度也非常强，但是它的成本相对较高。选择方案：315M无线模块此无线通讯模块，功率消耗较低，并且稳定性相对较强，而且，它可以配合多种单片机工作，所需要的静态电流较低，工作电压相对稳定。第3章系统硬件设计3.1硬件系统结构在本系统中，STM32单片机作为一个核心的控制器控制整个系统，由于使用了c语言程序设计，编译器采用的是keil5；记录信息的数据库，采用的是Mysql；发射模块是黑盒子，用STM32单片机作为主要传感器；此部分如需测量体温，则可采用DS18B20进行测量；最后采用烟雾感应器，对烟气浓度进行监测；目标位置数据的获取，则采用GPS/北斗双模定位系统来实现；需要通过315M无线发射系统来实现无线信号的发送；最后利用磁场传感器中的显示屏实现指南针功能，由发射模块完成。接收器部分则是用来接受发射部分的无线信号，也是使用STM32单片机作为此系统的主要控制器；而对无线信号的接收，则采用的是315接收模组来实现；同时用来收集黑匣子的位置数据，并采用了OLED屏幕；而本机位置获取则采用的是GPS/北斗双模定位实现；同时利用磁场传感器，结合着显示器实现了指南针功能。发射部分和接收部分组装完成以后，用蓝牙将接收部分接收到的信息转接到手机APP上，最终实现应急救援。GPS定位模块显示屏温度传感器烟雾探测器315波段频率GPS定位模块显示屏温度传感器烟雾探测器315波段频率黑匣子黑匣子接收模块接收模块GPS定位模块315波段频率蓝牙模块显示屏GPS定位模块315波段频率蓝牙模块显示屏图3.1硬件结构图3.2元器件简介（1）主控制器用STM32单片机，它提供了大量的与外设器件接口，STM32单片机还提供了和所有外设器件相连的通信协议，包括USB、CAN、SPI、12C等，以便于与其他设备进行通信。方便于调试和测量，STM32单片机中还设计了多个可以调试和测量的接口，如SWD和JTAG接口，以方便于进行调试和测量。再有就是STM32单片机很多都是用了Keil开发工具，对于中国老一代的工程师们来说，还是用Keil最亲切顺手。另外，STM32单片机还提供了QFP、LGA、WLCSP.UFQFPN等各种封装样式，能够满足各种使用要求。在选用封装类型时，必须针对具体的使用场合、生产工艺，以及生产成本等综合因素加以考量。如下图：图3.2主控制器STM32（2）位置信息的获取GPS/北斗双模定位。主要的作用是定位黑匣子的具体位置，确保搜救人员能够准确定位到黑匣子的位置信息。GPS定位模块的定位精度很高，而且在世界各地用到的也是相对比较广泛的，GPS定位模块储存信息的能力也是非常强的，可以存储大量位置信息，方便对数据进行分析与处理。GPS通讯模块有多种接口，可以与多个设备进行通讯。GPS在各个领域得到了广泛应用。实物如下图：图3.3GPS北斗定位模块（3）DS18B20温度传感器：主要用来检测人体体温变化，搜救人员好提前做好准备工作，来确保其安全性，保障人身安全。DS18B20温度传感器的测量的精度也是非常高的，可以准确感应人体温度的变化。它是以数字的方式来将温度值呈现出来，为的是能与数字系统交互与处理。它采用的是单总线接口，一个引脚就可以控制几个传感器，为此设计带来了方便。图3.4温度传感器（4）烟雾探测器。主要用来检测烟雾的浓度，确保黑匣子所在位置的安全性，在发生危险时，能够察觉到。并且可以实时感知到烟雾并发出报警信号，提醒人们做好相应的准备。而且耗电量相对较低，可以采用电池供电。除此之外，烟雾探测器还具有声光报警功能，当烟雾浓度达到一定值时，它会发出声音，并且灯光开始亮起，来提醒人们可能有火灾发生。烟雾探测器的检修与维护也是非常方便的，它的使用范围也是非常广泛的。实物如下图所示：图3.5烟雾探测器（5）蓝牙模块。主要通过实现硬件部分和软件部分之间的链接，将发送出去的数据的在软件APP上，以便于搜救员查看。蓝牙模块体积比较小，也比较轻盈，方便集成到不同的电子设备中，它的功耗相对较低，适合电池供电。蓝牙模块的通讯方式也是比较丰富的，可以通过串口、SPI、IIC等多种方式进行通讯，适应的场景需求较多。实物如图所示：图3.6蓝牙模块（6）用315M无线模块进行通讯。主要的作用是用来进行无线通讯的，将两个硬件部分（接收部分与发射部分）相关联，能够正常进行通讯功能。在早期，发射机大多使用LC振荡器，频率不稳定。声表器件的出现将这个问题，它的频率稳定性和晶振的类似，不需要倍频，和晶振相比电路非常简单。接收机用的是超再生电路，它的成本低，功耗小。它的工作稳定性比较差，选择性也相对差，从而降低了抗干扰能力。图3.7315M无线模块（7）太阳能板或者锂电池为黑匣子供电太阳能板能够提供充足的机械强度，使太阳能电池组件经受的住意外中受到的冲击和振动产生的应力，它还可以承受得住冰雹的冲击；具有良好的密封性，防止太阳能电池被腐蚀；具有良好的绝缘性能，工作寿命较长，成本要较为便宜。锂电池较为方便的为黑匣子供电。实物如图所示：图3.8太阳能板图3.9锂电池（8）OLED显示屏显示采集的参数。OLED显示屏功耗率较低，它的重量比较轻，抗震系数比较高，屏幕的视角大，视野范围比较广，反应速度比较快，而且它的材质的柔韧性也是比较好的。OLED显示屏是自发光材质，轻薄短小，属于中小型轻质屏幕。图像相对稳定，可以和太阳能电池配合使用。所需电压较低，耗能也较小。此显示屏正是此次设计所需。如图所示：图4.1OLED显示屏第4章系统软件设计4.1系统程序结构该系统是由发射部分和接收部分组装完成的，用蓝牙将接收部分接收到的信息转接到手机APP上，最终实现应急救援。用程序做出一个APP来接收信息，以供搜救人员观察黑匣子的情况。黑匣子部分通过对周围环境的监测，实时向搜救人员也就是接收部分发送相关信息，如：黑匣子的位置信息，监测周围烟雾的浓度，同时还可以监测人体温度的变化。开始开始系统初始化系统初始化参数采集参数采集采集各个传感器信息采集各个传感器信息判断判断NYOLED显示屏显示数据OLED显示屏显示数据结束结束图4.1整体软件流程图4.2系统硬件程序设计硬件部分由主控制器STM32单片机和烟雾探测器，温度传感器，超再生315接收模组以及GPS/北斗定位系统构成。黑匣子部分系统是由STM32单片机做主控制器，监测烟雾用到的是烟雾探测器，同时也可以监测温度的变化，用到的是DS18B20温度传感器,通过太阳能发电板或者锂电池为黑匣子供电；利用GPS定位系统实时反映自己具体位置信息，由315波段频率传输信号。此时，搜救人员部分通过315接收模组，接收黑匣子传输的信息，方便搜救人员及时发现特殊状况，以便救援。搜救人员部分硬件还有蓝牙模块，用来与上位机连接；两部分都用到了OLED显示屏，方便观察各种信息。图4.2整体软件流程图4.2.1OLED显示屏将显示屏与STM32单片机建立起连接，OLED显示屏通过SPI接口进行通讯，查阅相关资料，通过IIC引脚将其建立连接，IIC总线包括两条数据线，分别是SDA和SCL。SCL是ICC的时钟引脚，SDA是ICC的数据引脚；在传输数据的时候，SDA引脚被用做双向数据的总线，然而，SCL引脚是时钟信号线，它是单向的。ICC上边可以连接多个设备。图4.3OLED显示屏软件部分4.2.2DS18B20温度传感器该系统在采集过程中，需要采集温度，比如人体温度，将温度传感器与STM32单片机建立连接，通过单总线串行通讯，与单片机进行信息交互，使其功能得以实现，通过太阳能发电板或者锂电池为黑匣子供电。下图为温度传感器的软件设计： 图4.4DS18B20温度传感器软件设计（1）图4.5DS18B20温度传感器软件设计（2）4.2.3GPS定位系统利用GPS定位系统实时反映黑匣子的具体位置信息，GPS的信号通过短报文$GPGGA通过串口发送数据，让其功能得以实现。通过程序的编程将GPS的功能得到具体应用，软件部分程序日下图：图4.6GPS定位系统软件设计4.3系统上位机软件设计上位机用到的是一款APP，通过蓝牙串口协议将此APP与下位机进行通讯。蓝牙串口协议的工作原理是通过蓝牙SPP协议，将手机软件APP与硬件部分通过虚拟串口进行连接，从而实现数据的传输。两部分通过蓝牙进行配对，连接与绑定；手机APP提供虚拟串口服务，接收部分硬件设备向手机APP发送连接请求；当连接成功以后，就可以像串口一样进行通讯，将接收部分接收到的信息传输到手机APP上，即完成上位机的通讯工作。在手机上用蓝牙来连接搜救人员部分蓝牙模块发来的信号将黑匣子发送来的数据信息显示在手机APP上。来确定黑匣子的具体位置，实时监测黑匣子附近的环境的变化，温度变化，以及烟雾浓度情况，确保搜救人员及时发觉特殊情况的发生。上位机主要用来显示接收模块接收到的信息，此信息来源于黑匣子的监测。此上位机的作用是让救援人员随时都可以观察到黑匣子发送来的信息参数，准确做出判断，及时做出准备工作。此黑匣子可以用到消防人员身上，当消防人员在遭遇巨大火灾时，深陷其中，救援人员可以根据APP上边温度参数的变化，以及烟雾浓度的变化来判断，消防人员是否遭遇危险，可以准确定位到消防人员的位置，加以施救。还可以监测人体的生命体征，当人体温度发生明显变化时，此APP上将接收到的温度信息展示在屏幕上，可以准确定位人员的位置信息，根据具体情况判断是否需要救援。此上位机用来将搜集到的各个参数信息展示到手机中，更加方便了我们对黑匣子的实时监测，当发生意外时，可以及时做出相应准备。图4.7APP界面第5章系统的组装与调试5.1系统组装此系统由发射部分和接收部分组成，发射部分为黑匣子部分，接收部分是通过蓝牙来连接手机APP。发射部分由主控制器STM32单片机，GPS/双模定位系统，DS18B20温度传感器，烟雾探测器以及315M波段频率来组成。接收部分由主控制器STM32单片机，超再生315接收模组组成的。蓝牙模块将接收到的信息反馈给手机APP，搜救人员可以实时获取黑匣子的各种信息，以便于即使救援。图5.1黑匣子部分实物组装图5.2救援人员部分组装5.2系统调试此系统组装完成以后，进行现场调试，测试温度传感器是否能正常感应温度的变化，测试GPS/北斗定位系统是否能准确定位黑匣子位置，测试315M波段频率是否能正常实现信号的接收与发送，通过用火柴燃烧来测试烟雾探测器是否能正常发出警报。测试蓝牙模块是否能正常与手机端APP正常连接。在晴朗的天气有太阳的情况下，通过太阳能发电板，测试是否能改我们的设备供电。5.2.1温度传感器的测试在感应器放置好之后，用大拇指按住感应器，观察屏幕上的参数改变，观察是否出现温度波动。图5.3温度传感器图5.4温度传感器数值5.2.2烟雾探测器的测试将烟雾探测器安装到主控制器上，在其附近点燃，产生烟雾，观察蜂鸣器是否有反映。图5.5烟雾探测器5.2.3315M波段频率测试测试315波段频率是否能够正常传输信息，在黑匣子部分与救援人员部分分别安装好，观察显示屏上是否出现黑匣子传来的信息。图5.6波段频率5.2.4GPS的测试将两部分的GPS定位系统安装好，将黑匣子部分供上电，观察显示屏是否可以接收到黑匣子的位置信息。图5.7GPS硬件部分图5.8GPS模块及数值5.2.5显示屏的测试显示屏测试，将显示屏安装在主控制器上，通上电，观察屏幕是否有变化；是否将参数信息正确显示出来。图5.9显示屏5.2.6上位机的测试将上位机通过蓝牙串口协议与下位机进行通讯，将下位机采集到的数据传输到上位机，使救援人员可以随时观察黑匣子的各个信息参数；观察各个数据是否正常显示在屏幕中。通过蓝牙连接此APP，测试是否可以正常连接。图5.10上位机结论紧急救援体系是指在火灾、地震等自然灾害以及大型生产事故中，政府和企业为降低人员伤亡和财产损失，保护公众生命财产安全，以及最大限度的减少对社会的影响，而建立的一系列紧急救援机制。例如在地震发生时，救援人员在最短时间内到达现场，迅速组织人员疏散，以及对受伤人员进行紧急救治。在火灾事故中，政府和企业通过制定一系列有效的应急计划，组织救援人员进行灭火救援，并及时联系消防队等外部救援力量进行支援。这些内部和外部的紧急救援体系都是基于一个共同目标：尽可能地减少伤亡人数和财产损失。这种目标并不一定都能实现。建设有效的应急救援设施是中国灾难事件紧急处置的重要基石，它主要分为紧急救助预案、紧急救助系统的规范制定、应急保障制度、紧急训练与演习、紧急救助组织机构等五部分内容。迄今为止，我们的应急救援还不够完善，当人们在野外、在原始森林、在树木多的地方没有手机网络信号，导致失联，而我们所研究的应急救援黑匣子，目的就是为了解决这个问题，我们这个系统用到了GPS/北斗双模定位，采用315M波段频率将信号传输到接收端，315频段具有抗干扰能力并且通讯范围广。我们所研究的黑匣子方便救援人员进行搜救，在多人需要救援的情况下，救援人员可以根据被救援者的身体状况和周围环境来进行优先救援。重大安全事故的直接危害，伤亡人数众多，经济损失重大。作为一个大工业生产国家，重大安全事故出现的频次也相对较高，通过以往的统计分析，重大交通事故所导致的人员伤亡事故现象已呈逐渐稳定，趋向改善的态势。但同时重大安全事故不仅给社会公众造成了巨大的损失，同时也给公司和国家经济带来了严重损失。当前国家安全应急行业发展并不均衡，且大多集中于处理救灾类产品，安全紧急救助设施功能很是单薄，对国家自然灾害管理和重大生产事故服务的贡献也并非巨大，而检测预警和预防防护类型生产活动也才刚刚开始，社会化服务程度也相对较少，工业化应用程度也不高。按照全球应急行业联合会标准对我国的三千余家公司产品进行了分类，处置救援类所占比例最大，占比已经超过了百分之五十六，然后是监控预警类产品和预防防护类产品，但占比还不到四分之一，之后依次是百分之二十四、百分之十八，然而安全应急业务的占比则最低，仅有约百分之二，表明了中国的安全应急行业尚未建立系统化产品体系和完整的市场服务。经过对预测技术的分析也能够看出，附近的森林管护部门能够很好的对要发生火灾的区域迅速进行灭火管理，同时灭火部队还能够随时待命，就算灭火措施不能有效禁火的也能够及时投入到消防行动当中；同时利用森林火灾的预报技术，还可以预测出发生火灾区域的具体特点，如堆火灾发生的速度口范围、大火走向等，这样有利于森林管理部门对森林火灾制定出最好的管理办法。森林消防通讯手段在森林消防技术中的应用也是十分关键的，当出现火灾事故后可以给指挥员带来新的火灾事故实况，这是消防官兵可以及时获得消防新情况的主要消息途径，卫星通信手段作为先进的通讯手段的主要特征之一，和其他通讯方式相较而言，具备通讯距离远、数据传递容量大、覆盖面广、简便灵活的特性。中国的数字程控交换技术始终遥遥领先于国际上其余的发达国家，其数字程控交换网络可以将全国的所有关键点联系到一起，通讯卫星的距离达到一公里以上时即可进行全球范围的通讯，不过数字程控交换也有着许多缺点：移动网络的建设需要较高的投资与科技投入，同时数据接收点的架设又是十分复杂的。技术的不断革新提高以及管理方法的更加完备，为我国森林防火工作开展提供了有力的技术上的保证。同时美国和欧洲的部分国家，也为我国森林防火工作投入了大量的人力物力，并利用先进无线电遥感器驾驭技术、GPS全球定位系统、卫星监控技术、微机系统等先进术的有效运用，在预防、监控和合理扑救火灾等方面，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损失，并保留了我国宝贵的森林资源。最近几年，因为我国的绿化覆盖率也面临着逐步减少的情况，在林火多发的春秋季节，森林中的一次小火就很有机会造成更严重的森林大火，所以掌握了国外的先进消防科技，并将之应用到对我国实际的森林资源的保护当中，这是十分重要的。参考文献陈家敏,顾捷.基于单片机的家居烟雾检测系统设计[J].电子测试,2022,36(20):29-31.郭灼豪,彭杰琛,庄乙辉,郭志鹏,卢虹兆.多模态火灾检测报警系统设计[J].韶关学院学报,2022,43(09):54-59.韩增祺,柳美平,李循珠,李帆,贺永胜.基于单片机的智能火灾报警器设计[J].电子制作,2022,30(09):73-75.王芬.关于煤矿安全的矿用(烟雾)传感器的相关研究[J].当代化工研究,2021(13):50-51.梁光清.多信息识别技术在矿井烟雾监测中的应用研究[J].工业仪表与自动化装置,2021(01)