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作者：四川大学锦江学院 郭庆 蒋刚政 何正坤
指导教师：简磊 沈毅斌

　　作品简介

　　一、作品实物图　　

　　二、开发背景
　　据统计，全世界有史以来一次死亡5万人以上的灾害共发生17次，其中7次发生在我国。汶川大地震中数百万房屋被震塌，十几万人被压埋在倒塌的房屋下。在震后72h内尽快抢救被压埋的幸存者成为救灾的第一位紧急任务。
　　根据目前灾后救援无法对灾害区域有全面了解，无法分辨救援的相对优先顺序可能造成的损失，救援设备相对搜索区域小的现状。提出了一种可实现全面监测的新型的用于地震灾害救援中的生命信号探测系统的设计思想与实现方法。

　　三、功能与使用说明　　

　　在救援工作中，救援人员首先利用房屋倒塌后废墟中存在的空隙，将编码后的探测模块通过这些空隙投放到废墟中，并在相应的地面位置做上标记。
　　当被困幸存者通过呼救或者敲击地面发出声音，或者因为相对密闭空间二氧化碳浓度增加，这些生命特征信号会被投放到附近的高灵敏度探测模块拾取;探测模块同时将对测量到的生命特征信号进行分析，一旦发现异常情况将以无线方式传送到基站主机。
　　基站主机自动判断检测到发现异常情况的探测模块编号，并通过声、光进行报警;根据与之对应的地面标记可以确定被困幸存者的大致位置，搜救人员通过相应的地面标识对被困幸存者实施救援。

　　四、结构说明
　　本系统分为分布探测模块及基站模块两个部分。
　　被投放到倒塌后废墟中幸存者附近的高灵敏度分布式探测模块实时监测二氧化碳浓度、呼救等生命信号，探测模块将根据基站监测的信号为基准对本地测量到的生命特征信号进行分析，如发现异常情况将以无线方式传送到基站主机，由基站主机进行报警。　　

　　基站主机监控环境中的背景信号，并发送至各分布式探测模块作为其检测基准;同时基站主机接收异常信号报警，自动判断检测到发现异常情况的探测模块编号，并通过声、光进行报警。　　

　　平台选型说明

　　本系统采用大赛指定的STC15F2K60S2单片机系统作为基站主机声光报警控制模块; 基于CC2530设计分布式探测模块，实现zigbee无线通信，同时利用CC2530内部自带AD模块进行生命信号探测;MG811二氧化碳传感器，基于高灵敏度咪头音频监听模块。

　　设计说明

　　一、设计原理：
　　1、ZigBee设计原理
　　1)ZigBee技术的特点：
　　ZigBee采用调频技术和扩频技术，可工作在2.4GI-Iz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)这三个频段上，并且在这三个频段上分别具有2S0kbps、20kbps和40kbps的最高数据传输速斛141。在使用2.4Gl-lz频段时，ZigBee技术在室内传输距离为lO米，而在室外传输距离则能达到200米;在其它使用频段时，室内传输距离为30米，而在室外传输距离则能到达1000米。实际的传输距离将根据发射功率的大小而定。
　　2) ZigBee 2007协议栈中使用的各个层次介绍：
　　 ZDO 设备对象层，即ZDO(ZigBee Device Object)层，提供了管理一个ZigBee节点所要使用的功函数。ZDO API为协调器、路由器和终端设备提供了应用端点的管理函数，其中包括：建立、现和加入一个ZigBee网络，绑定应用端点和安全管理。
　　 AF 应用框架层，即AF(Application Framework)，提供了针对协议栈的应用端点(EndPoint1~24和设备对象端点(EndPoint0)接口，其中主要包含：设备描述数据结构和数据收、发函数。
　　APS 应用支持子层，即APS(Application Support Sublayer)，为设备对象和应用实体提供了一系列的支持服务。
　　NWK 网络层，即NWK(ZigBee network)，为上层提供了管理服务和数据服务。
　　ZMAC 介质访问层，即ZMAC，在802.15.4 MAC 与 网络层之间提供接口。
　　3) ZigBee 节点功能分析：
　　协调器节点：协调器节点是一个ZigBee网络的第一个开始的设备，或者是一个ZigBee网络的启动或建立设备。协调器节点选择一个信道和网络标志符(也叫PAN ID)，然后开始建立一个网络。协调器节点在网络中可以使用，比如建立安全机制、网络中的绑定的建立等等，ZigBee 网络中有且只能有一个协调器路由器节点：一个路由器的功能有(1)允许其他设备加入网络(2)多跳路由(3)辅助它的子节点完成通信。
　　终端设备：为了维持网络最基本的运行，对于终端设备没有指定的责任。也就是说，在一个基本网络中，终端设备没有必不可缺少性。所以它可以根据自己功能需要休眠或唤醒，因此为电池供电设备。一般来说，该设备需要的内存较少(特别是内部RAM)。
　　4 ) ZigBee 无线组网网络拓扑结构：
　　通常ZigBee 网络拓扑结构有星型，树型，网状型等几种结构。
　　2、二氧化碳检测模块设计原理
　　本传感器采用固体电解质电池原理，由下列固体电池构成： 空气，Au|NASICON||碳酸盐|Au,空气，CO2。当传感器置于CO2气氛中时，将发生以下电极反应：
             

　　传感器敏感电极与参考电极间的电势差(EMF)符合能斯特方程： 
            

　　在下图B中，元件加热电压由外电路提供，当其表面温度足够高时，元件相当于一个电池，其两端会输出一电压信号，其值与能斯特方程符合得较好。元件测量时放大器的阻抗须在100—1000GΩ之间，其测试电流应控制在1pA以下。　　

　　二、设计方案
　　分布式生命探测仪是用Zigbee CC2530无线通信组网模块、MG811二氧化碳传感器以及高灵敏度音频传感器等模块基于增强型51单片机STC15F2K60S2，来实现分布式生命探测及救援。
　　1、控制系统模块
　　采用STC15F2K60S2单片机作为系统主控制芯片，优点是片上资源丰富，I/O口很多，价格便宜，处理速度快。
　　2、二氧化碳检测模块
　　采用MG811，它是一种具有良好灵敏度和选择性，受温湿度变化影响较小且稳定性、再现性良好的二氧化碳传感器探头。　　

　　3、音频监听模块
　　采用高灵敏度咪头就行音频监听，采用高保真低噪声处理芯片，通过多次选频滤波，有效的消除环境噪音，内置自动增益(AGC)控制电路。
　　4、无线通信组网模块
　　Zigbee标 准 是 基 IEEE802.15.4的标准，Zigbee协议堆栈分为两部分，IEEE802.15.4 处理低级MAC层和物理层协议; 应用层的标准规范由Zigbee 联盟制定，Zigbee 联盟对其网络层和 API进行了标准化,Zigbee节省的大部分能量归功于专为低功率设计的IEEE802.15.4协议。
　　ZigBee的特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。　　

　　5、电源模块
　　通过三端稳压集成电路LM7806稳压后为系统提供6V直流电源,为二氧化碳传感器、音频模块供电，通过LM1117-3.3电压转换芯片，将6V电压转化为CC2530需要的3.3V电压。　　

　　产品特色

　　一、产品的特点、先进性和创新性
　　1、 通信采用ZigBee技术，低功耗和低成本，可长时间实施监控;
　　2、 ZigBee通信传输距离可以从标准的75 m，到扩展后的几百米，甚至几千米，可由多到65000个数传模块组成一个庞大而有效的无线数传网络平台。
　　3、 ZigBee自组网技术，使监控范围大，操作简单，LED报警显示，更能满足救灾现场使用的需要。
　　4、 采用基点基准信号与本地测量信号的对比分析，提高对异常情况的正确检出率，提高了救援队工作效率。

　　二、产品的实用性
　　分布式生命探测系统使用信息检测技术，帮助救灾人员全面了解受灾情况，合理分配资源，更加高效的在灾害区域进行快速救援。

系统演示视频：http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2655