一种主动寻向探测定位救援便携装置设计.pdf

设计研发2020.16 一种主动寻向探测定位救援便携装置设计 孙晓东n 2, 3 1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺,113122 ;2,煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺，113122; 3.沈 阳煤炭科学研究所有限公司，辽宁沈阳，110011 摘要基于现有灾后对人员生命探测的方法进行总结分析，提出一种主动寻向救援探测定位的救护装置实现方法。既可 实现探测有源设备双向定位又能实现探测无源设备分级快速区域定位，将待救人员快速锁定在探测围栏内，为营救争取 更宝贵的时间，对提高矿山救援技术装备水平具有指导意义。 关键词生命探测；区域定位；围栏；救援装备；双向定位 Design of a portable device for active direction finding, detection and rescue Sun Xiaodong1,2,3 1. Shenyang Research Institute Co., Ltd, Fushun Liaoning, 113122； 2. State Key Laboratory of coal mine safety technology, Fushun Liaoning, 113122； 3・ Shenyang Coal Science Research Institute Co., Ltd, Shenyang Liaoning, 110011 AbstractAbstract Based on the summary and analysis of the existing life detection s after disaster, this paper proposes a rescue device implementation of active search and rescue detection and location. It can not only realize two-way positioning for detecting active equipment, but also realize fast regional positioning for classifying passive equipment, and quickly lock the rescue personnel in the detection fence, so as to gain more precious time for rescue, it is ins true tive to improve the level of mine rescue technology and equipment. KeywordsKeywords Life signs location; fences; rescue gear; two-way location 00引言 目前缺少可靠装备来实现人员快速探测定位搜救，为了 解决目前搜救技术难题克服现有技术缺陷，首次提出UHF- RFID的主动寻向探测定位救援装置在灾后救援方面应用。现 有人员搜救及定位多釆用有源RFID卡、音频生命探测仪、光 学生命探测仪、红外生命探测仪、雷达生命探测仪、机器人搜 索、无人机搜索等方法其技术存在以下问题有源RFID 卡在无电情况下无法正常使用；待救人员在无体温无法释放 红外的情况下不能被探测到［7-10］；虽然雷达生命探测仪在一 定程度上能满足大多数搜救工作的需要皿-⑹,但是该探测仪 只能用在探测方面，无法进行无源探测识别人员信息。因此, 研究一种既可以对人员进行寻向搜救,又可以统计所在区域 的人员数量进行人员信息识别、灵活便携且被探测标签无需 供电还能被探测识别及定位的装置来弥补现有技术对不同 场合下救援的不足,在煤矿井下推广使用,具有一定意义。 11功能设计 设备包括救援探测器和UHF无源定位标签两部分组成, 结构如图所示。探测器通过发射无线电波进行搜索定位，定 位标签无需供电在感应到无电电波能量后，返回RSSI值和写 入的人员信息。探测器主要包括核心控制单元900、电池保护 单元903、综合探测单元904、天线907、遥控云台905、人机交 互901、无线传输单元906 ；定位标签主要由天线和无源感应 芯片组成。 图1功能单元设计图 人机交互单元901主要实现菜单操作，有源探测、无源 探测选择，雷达、热释电、声音等探测方案设定等；电池保护 基金项目煤科集团沈阳研究院有限公司创新引导项目“物联网型便携式环境多参数测定器SYYD-20SY-001”。 申耳测说 ELECTRONIC TEST 2020. 16设计研发 单元主要通过猛酸锂担心结合双重保护板实现符合本安认 证的电池供电单元；MESH网状网无线传输单元906主要实 现对具有MESH组网的设备进行广播，接收设备收到信息后进 行声光报警便于快速搜救。 22关键技术 2. 1定向探测关键技术及方法 天线单元主要包括屏蔽隔离板及探测器天线两部分。其 中,屏蔽隔离板将3组天线按180度平面均分成3个扇区， 避免天线发射接收信号时互相产生干扰，该部分主要用于确 定待救人员方位或待寻装置的方位。探测器天线釆用陶瓷天 线，用于将无缘探测信息发射出去。天线单元结构顶视图如 图2所示。 主动固定式探测将探测器水平放置,可以接收来自 各个方向可被探测模块的信息、能量。通过反馈的标签能量 rssi值和单位时间读取次数的灵敏度,可以判断出哪个方位 的信号最强，从而确定是哪个探测器探测到的数据,从而进 一步确定具体方向；手持无源探测方法将无源UHF-RFID技 术应用在人员快速定位上,在开机状态下，通过逐级调大发 射器发射功率，可以将探测区域逐级扩大，当有无源信息模 块返回相关信息时,锁定发射功率，并进行方向定位。 2. 2无源标签天线关键技术 由于标签需要嵌入到产品内部，因此采用PCB设计方案。 选择ALIEN IC Higgs-4 （Wafer）或英频杰等厂家的Wafer进 行绑定加工和点胶。为节省空间尺寸不采用S0T-3封装好的 标签芯片。如图所示,通过设计天线909到PCB板上，在PCB 板上通过增加多个过孔912,来提高信号接收方向的灵敏度, 本文创新的将无源UHF技术应用在探测领域，通过高度集成单 芯片无源标签910通过绑定工艺将晶元直接绑定在PCB板上。 909 912 图3功能单元设计图 标签内部主要由Tag memory（标签内存）分为Reserved （保留），EPC（电子产品代码），TID（标签识别号）和User（用 户）四个独立的存储区块（Bank）o Reserved区存储Kill PasswordC灭活口令）和 Access PasswordC访问口令）。EPC 区存储EPC号码等。TID区存储标签识别号码，每个TID 号码应该是唯一的。User区存储用户定义的数据。此外还 有各区块的Lock（锁定）状态位等用到的也是存储性质的单 元。通过读写器对标签实现写入矿工的编号、工种、年龄等相 关信息，经测试无误后可以嵌入到便携仪、手表、矿灯等随身 携带设备中。当发生矿难时，可根据信息标签快速探测定位 及识别人员信息。 33无源探测搜救测试 打开探测器电源，将菜单设置为无源探测，无源模块感 应供电后的信号强度RSSI值通过天线传给探测器,通过计 算,实现距离估算。以探测器为原点，将5块手表依次每隔3 米分别放置在巷道不同位置，探测器有效距离为8米,通过发 射功率每5dbm逐级递增。 测试结果如下当发射器发射功率为5dbm. lOdbm时, 没有探测到手表;当发射器发射功率为15dbm和20dbm时, 探测到1块手表；当发射器发射功率为25dbm时,探测到2 块手表。如上所示,通过向前移动探测器，可实现对人员的快 速探测及区域定位。且不需要被测无源模块供电。相比有源 RFID卡、音频生命探测仪、光学生命探测仪、红外生命探测 仪、雷达生命探测仪方法等具有被测模块无需供电、不受噪 音影响、不受遮挡影响、不受体温影响、不受生命状态影响, 可快速识别人员信息、不怕水浸等优点。 44总结 目前在灾后救援方面缺少可靠装备来实现人员快速探 测定位搜救，自动寻向主动救援探测定位便携救护装置既有 有源双向定位又有无源快速区域探测定位功能，将待救人员 快速锁定在探测围栏内，为营救争取更宝贵的时间。本文只 对探测方案做初步探索，意在有更好、更实用的装备用于煤 矿安全，为矿工保驾护航。 参考文献 [1] 魏煜欣.矿山井下人员定位系统中无线通信技术研究与 开发[D],长沙湖南大学，2008 61-63. 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[7]李娜.蛇眼生命探测仪蛇眼生命探测仪、内镜与介入技术 （下转第21页） 甲耳测何 2020.16设计研发 比较，获得电压差输出。电压差的正负输出到电机驱动芯片 上，从而决定正反转。当舵机开始旋转的时候,舵机内部通过 级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为零，电机停止 转动。 访客刷卡后,如果屏幕上显示停车场内还有剩余车位, 电机闸道会打开，车辆通过后，电机闸道将会自动落下。如果 屏幕上显示该停车场场内剩余停车位数量为零，电机闸道不 打开。为了预防电机闸道在车辆通过时关闭,在程序方面给 加一段延时程序，让电机闸道延迟一段时间落下，这样即可 起到保护车辆的作用。 4自动计费功能 刷卡后电机升降闸门模拟汽车驶入，开始收费；第二次 刷卡电机升降闸门模拟车辆驶出停车场，计费结束。液晶屏 会显示当前停车位、停车时长、本次停车费用。可以通过按键 设置计费标准，如3元/小时，具体停车费用单价设置以当地 实际情况通过设置按键进行灵活设置。也可以通过按键设置 当前时间。 22系统设计 ⑴系统整体运行机制 智能停车场系统以AT89S52为控制核心，由5V电源来 供电。AT89S52是一种低功耗、高性能CM0S8位微控制器，具 有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非 易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全 兼容。AT89S52具有32位I/O 口线、3个16位定时器/ 计数器、一个6向量2级中断结构、全双工串行口。 如图1所示基于单片机的智能停车场系统设计原理框 图。它由单片机最小系统、LCD12864液晶显示屏、DS1302时 钟模块、RC522S射频模块、蜂鸣器模块、sg90舵机等组成。 图1基于单片机的智能停车场系统设计原理框图 智能停车场系统由AT89S52芯片集中控制，访客进入停 车场前要领取IC卡进行刷卡识别验证，若IC卡为有效卡，蜂 鸣器会鸣叫一声，液晶显示屏上会显示一系列相应信息，之 后sg90舵机会驱动电机闸道自动升起，访客可以进入停车 场内停车并且计时收费开始。若IC卡为无效卡，蜂鸣器会鸣 叫三声，液晶显示屏会显示“此卡无效”的字样，电机闸道不 会自动升起。当访客在停车场停车一段时间需要离开停车场 时，需要在出口处用进入时所领取的卡进行再刷卡，这时智 能停车场管理系统将会停止对该车辆计费，液晶屏会显示此 次该车辆停车所消费的金额。当访客结账完毕后，电机闸道 会自动升起，车辆驶出停车场。 2端口选择与接线设计 本设计尽量将芯片左边的端口作为输入端，右边的端口 作为输出端，即P1 口和P3 口作为输入端，P0 口和P2 口作 为输出端，这样设计是为让整体布局更清晰明了，连线相对 简单。 引脚功能分配为P1. 0〜P1. 3分别接一个独立按键, 对应的功能是“调整时间”、“调整单价”、“增加”、“减少”; P1. 5〜P1. 7用来接DS1302时钟模块；P3. 0〜P3. 1用来 接USB转串口； P3.3〜P3.7用来驱动RC522射频模块， 由于此模块的驱动电源是3. 3V,因此需要在VCC5V处要 连接一个降压模块，将5V电压降低到3. 3V后再为RC522 射频模块提供工作电压；因为51单片机的P0 口缺少上 拉电阻，所以在P0 口这里要加上一个10K的上拉电阻，然 后P0. 0〜P0. 7分别接LCD12864液晶显示屏的数据端 DBO〜DB7, P2. 3〜P2. 7分别连接液晶屏的RST、PSB、 ECLK、RWSID、RSCS引脚，此外液晶显示屏3脚VO会 通过一个可调电阻来调节亮度P2. 2用来驱动蜂鸣器模块； P2. 0用来驱动sg90舵机。51单片机的最小系统由复位电路、 振荡电路构成，复位电路接单片机的RST 9脚，振荡电路连 接单片机的XTAL1C19脚和XTAL2C18脚，另外/EA31脚 和VCC40脚接电源5V, GNDC20脚接地。 33总结 智能停车场系统可以应用于各类超市、商场、小区停车 库等地方。系统结构简单、功能齐全，成本具有较大的优势， 可以满足各类停车场的要求。此外，该系统还可以实现各种 功能扩展。该系统的使用可以对整个停车场高效、集约化的 全面管理。具有成本低、功能强、安全方便、易于维护等优点。 在智能化时代具有一定的社会应用价值。 参考文献 [1]何振华.智慧城市智能停车系统探究[J].科技风 20210. ⑵李扬威，焦朋朋，杜林.城市智能停车管理系统研究[J], 交通信息与安全,2014,3204160-164. 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