徐沛文郝娟

(华中师范大学，湖北武汉430079)

1.引言

随着物联网技术和应用系统开发的快速发展，物联网已经引起国内外学术界、工业界和媒体的高度重视。目前物联网正在逐渐被应用于各个行业，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测等多个领域。本文采用物联网的无线传感技术，RFID技术，GPS和无线射频技术构建一套地震应急救援系统。应用于对于灾民身份的确定，伤势情况的统计，灾民原有健康信息的记录管理，灾民位置移动和跟踪，灾区现场救灾物资发放管理。并充分利用RFID、地理信息系统(GIS)、全球卫星定位系统(GPS)的功能，实现对人、对物体的识别跟踪、定位监控、追溯记录等功能。在突发自然灾害特别是在抗震救灾中处理余震和二次险情时，为搜救抢险赢得时间提供强有力的实时信息和技术保障。利用物联网技术提高防灾减灾的能力，将是物联网新兴战略产业的重要使命之一，可以把人们的生命安全和财产损失降到最低程度。

2.物联网技术简介

物联网是指通过各种信息传感设备，如传感器、射频识别(RFID)技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器、气体感应器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。

其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。

3.系统整体架构

本系统主要由以下几个部分组成：

(1)监测地震的各种传感器组成的无线传感网络单元；

(2)标志和传送灾区各个物联网单位的各方面情况的RFID单元和基于无线射频技术的通信工具；

(3)由GPS和卫星构成的物联网单位精确定位单元；

(4)由微处理器、单片机以及软件系统和在线数据库等构成的对各种灾区各项环境数据进行分析和决策的主控制器。具体结构如图1所示。

4.核心模块设置

4.1 传感器以及人体检测芯片和RFID交互模块

该模块中的传感器网络用来采集灾区各个物联网单元的信息，传感器的设计与选择在很大程度上决定了系统的可靠性。系统中所用传感器均为开关量传感器，当监测参数超过设定的安全阈值时，传感器与单片机相连的引脚上就会有高低电平的变化，只有当同一监测防区内与单片机相连的每个传感器都有引脚的变化，逻辑关系有效时，单片机才认为此次报警有效。无线射频模块用来传递采集信息，在数据的实时性和效率方面有了显著的提高，传感网络节点和RFID识读器交互的过程如图2所示。

无线传感网络节点和RFID识别器交互模块是由无线传感器网络和RFID识读器组成。其中无线传感器节点包含各种传感器以及人体机能检测芯片，数据处理单元由单片机、存储器、天线、无线射频模块和供电单元五个部分组成，RFID识读器由单片机、无线射频模块、天线、串口接口模块和供电单元组成。两个元件之间的运行交互过程如下；温度、湿度、烟雾、光线和压力传感器等收集灾区的环境数据，如哪些地方房屋发生坍塌、房屋坍塌程度、是否发生火灾、时候有爆炸危险等。这些数据通过串口传输到单片机中，本设计的控制模块选用MSP430系列中更低成本、更高性能的新型单片机MSP430F2012。数据经过单片机的编码处理后，通过串口传送到存储器，存储器通过串口连接到RFID识读器，把数据传送到该模块。识读器选用的芯片是Chipcon公司最新推出的CC1100射频芯片，它是一种特别适用于UHF的无线传输芯片，体积小、功耗低，数据传输速率为1.2 kbps～500 kbps，其典型工作频率是315、433、868和915MHz，本设计采用915 MHz为中心频率。这些传感和属性数据通过射频卡天线传递到RFID识读器的天线，这里射频卡用到的天线是采用三角微带天线模型设计，最大场强方向为0.125，识读器天线采用915 MHz谐振频率线极化天线，天线的辐射功率是1 W左右。RFID识读器CC1100将获取的数据通过串口传递到单片机MSP430F2012，该单片机对数据进行编码和处理，通过RS-232串口与外部计算机实现双向交互，无线传感器网络节点和RFID识读器的供电单元是9000mAH的锂电池。

4.2 电子标签模块

监测物联网单元的电子标签主要由传感器、现场报警装置、电源模块、MCU和射频模块五部分组成。电源模块负责提供设备工作动力，同时充当备用电源。单片机作为MCU，负责实时采集传感器监测信息，有异常状况时，单片机启动射频模块工作，同时命令现场报警装置报警。监测防区结构如图3所示。

电子标签的设计过程中，MCU的选择非常关键。MCU主要负责控制传感器数据采集，存储报警信息EPC码，启动射频模块工作，命令现场报警装置报警。为了使电子标签尽量成本低、体积小、处理速度快，本系统选用的MCU具有1个时钟/机器周期，高速、高可靠，2路PWM，8路10位高速A/D转换，25万次/秒1T 8051带总线，无法解密，管脚直接兼容传统89C52，有全球唯一ID号可省复位电路，36-44个I/O内部R/C时钟的单片机芯片。小型LQFP48引脚封装包含多达44个通用I/O口，与传感器、射频模块电路连接简单。

4.3 物联网单位的坐标信息获取模块

GPS芯片根据卫星的定位功能得到物资的坐标信息，提高了坐标信息采集的效率和准确率，设计方案采用的是Ublox的GPS模块。该模块的好处是便于直接从串口得到其接收到的信息，也便于同无线通信模块GSM芯片进行集成。在地震应急指挥中，还可以结合移动GIS、GPS和无线通讯技术，将应急救援系统的各种信息资源整合到移动终端中，大大提升应急救援系统的灵活性、实时性、准确性。在应急中，移动终端由救援人员随身携带，为快速抵达灾区现场提供必要的协助，降低灾情的扩大，并提供现场指挥所需要的各类基础信息。通过GPS芯片与卫星的实时交互，得到物资的具体坐标，再通过串口接口输送到RFID识读器中的单片机中进行处理，以便下一步通过无线网络传输到数据中心服务器上。

4.4 射频模块设计

无线射频模块采用工作在2.4GHz ISM频段的nRF24L01芯片，工作电压为1.9～3.6V低功耗，通过SPI总线与MCU相连。具有126个频道，满足多点通信和跳频通信的需要，能够实现点对点、点对多点的无线通信，同时可通过改频、跳频来避免干扰。支持CRC校验，能够提供高达2M bps的传输速率，可以工作在有较强干扰、低功耗的场合。nRF24L01的EnhancedShockBurst模式具有自动应答和自动重传的功能，极大地减少了丢包率，增加了传输可靠性。实验测试证明，当有门、窗、墙等障碍物阻挡时，无线射频通信范围在50～80 m，适用于灾区苛刻的使用条件。如需更大通信范围，可适当增加功率放大装置。

4.5 信息处理功能模块

信息处理模块由信息采集、命令执行、信息存储、地图信息和辅助决策这五个子模块组成。

(1)信息采集子模块通过射频信号接收器以及和卫星的协同交互得到物联网单元的各种信息，包括房屋、道路、桥梁、轨道设施的损毁情况并将它们所处的位置通过GPS卫星系统反应在地图上。通过人体机能状况检测芯片实时反应成为物联网个体的灾民的健康状况、是否有生命迹象，并在地图上反应该物联网个体的位置，为救援工作带来方便。

(2)命令执行子模块通过接收到的信息判断是否发生火灾，如果发生即采取一系列指令，如自动切断火源，煤气等可能引起火灾的因素；开启应急电源并优先给医院，消防部门供电；开启备用医药箱的锁，为灾民开展自救节省时间，并尽快将灾区信息传送至地震指挥中心。

(3)信息存储子模块主要是利用数据库存储物联网单元的基本信息、坐标值和环境数据，以便为后来的辅助决策提供数据支持。

(4)辅助决策子模块对传送过来的数据进行综合的分析和评估。在抗震救援中，道路车辆调度是最常见和有效的救援方式之一。应急救援条件下的救援调度由于多个决策目标的存在，不能直接运用最短路线模型求解。辅助决策子模块可以根据物联网得到的信息及时判断道路环境、地形地貌差异及事态严重程度，并用安全通过概率来描述车辆安全通过某路段的可能性大小，提供救援调度的安全性决策属性如图4所示。

5.结束语

本系统通过传感器、单片机、卫星、GPS芯片和无线射频模块等硬件的协同工作，采集和传送灾区物联网单元的各项信息，有利于地震应急措施的执行，减少地震引发的灾害程度。可以同时在多个远程终端查阅到物联网单元的信息，便于相关部门之间的协调、配合，有效开展救援工作。同时为灾后重建积累大量事实数据。同时，物联网地震应急救援系统具有建设、维护费用低廉，可在线更新数据、软件升级容易等优点，且不受地域、环境等条件的限制，只要有网络的地方，就可以搭建系统。在网络飞速发展的今天，已经具备了建立物联网地震应急救援系统的必要条件。随着技术的进一步完善，该系统将进一步降低地震破坏力。

[1]LANDT J.The history of RFID[J].IEEE Potentials，2005，24(4)：8-11.

[2]LI Jian-zhong，LI Jin-ba，SHI Sheng-fei.Concepts，issues and advance of sensor networks and data management of sensor networks[J].Journal of Software，2003，14(10)：1717.

[3]王保云.物联网技术研究综述[J].电子测量与仪器学报，2009，23(12)：1-7.

[4]刘志平.基于MSP430和NRF2401的WSN节点设计[J].国外电子测量技术，2009，28(8)：57-59.

[5]H eath J R，Yakutis P J.H igh Speed Storage Area Networks U-sing a Fibre Channe l Arbitrated Loop Interconnect[J].Network，IEEE，2000，14(2)：2-3.