李政清，王　健

(1.三亚学院，海南 三亚 570200；2.三亚长岛广电特种设备有限公司，海南 三亚 570200)



多功能智能搜救小车的设计

李政清1，王健2

(1.三亚学院，海南 三亚 570200；2.三亚长岛广电特种设备有限公司，海南 三亚 570200)

针对某些灾难现场救援人员无法及时到达，设计了基于STM32F103VE单片机为核心控制芯片的多功能搜救小车。利用红外热释电传感器、影音录制、温湿度检测、光强检测、车距检测、无线传输等子系统采集幸存人员、灾难现场影音资料、温湿度、光线强度、小车的前后障碍物距离等数据，实时传输给救援人员，为救援指挥部提供有价值的参考信息，实现从盲目救援到理性救援的重要转变。最后，通过实验测试证明各子系统工作正常，安全可靠，达到设计要求。

智能搜救；STM32单片机；OV7670；NRF24L01

近年来，各种各样的灾害如地震、矿难、煤气泄露、火灾等屡见不鲜，其带来的伤害也在所难免，首当其冲的是被困于灾难现场的人，然而由于种种原因致使救援人员无法进入灾难现场及时了解现场的各项环境参数和受灾情况，这对援救工作的开展造成了很大的阻碍。智能搜救小车可以帮助甚至代替救援人员进行救援是势在必行的。

智能搜救小车可以穿越狭窄区域找到受难者并搭建救援中心与受难者间信息交流的通道，同时及时收集各种环境参数和灾难现场的影音资料进行处理后实时地传送回营救中心，为救援指挥部提供有价值的参考信息，实现从盲目救援到理性救援的重要转变。

1　智能搜救小车的组成

智能搜救小车以STM32F103VE单片机为主控制芯片对子系统 (红外热释电传感器、影音录制、温湿度检测、光强检测、车距检测、无线传输、报警等子系统)采集到的信息(幸存人员、灾难现场影音资料、温湿度、光线强度、小车的前后障碍物距离等)进行处理后传输到上位机，给救援指挥部提供可靠的信息。根据性能要求可以把搜救小车具体分为六个子系统，分别是：人体感应系统、灾难现场影音处理系统、灾难现场环境监测系统、自动寻迹防碰撞系统、无线传输系统。

上述系统中各个子系统中的传感器不断检测灾难现场的环境，将检测数据传输到主控芯片STM32中，单片机通过无线传输系统将灾难现场环境变化实时传输给救援人员，系统总体结构图如图1所示。

图1　系统总体结构图

2　组成模块功能

2.1人体感应模块

人体感应系统主要由DYP-ME003人体感应和报警系统组成。当DYP-ME003发现幸存者时发声警报，并将此信息通过无线传输系统传输到救援指挥中心。其主要由PIR热释电传感器、菲涅尔透镜组成，使用简单，感应距离7 m，静功耗为50 uA，可全自动的感应人体，当人进入感应区输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平输出低电平。同时具有两种触发方式：可重复触发和不可重复触发。不可重复触发方式：即感应输出高电平后，延时一段时间结束，输出将自动从高电平变为低电平。可重复触发方式：即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果在感应区范围内有人，其输出高电平，直到检测不到人才延时将高电平变为低电平，救援时可用此功能寻找幸存者。还可以设置感应封锁时间，感应模块在每一次感应输出后的时间段(2.5 s)不接受任何感应信号，此功能可以实现“感应输出时间”和“封锁时间”两者的间隔工作，同时还可以有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰，大大提高了寻找到幸存者具体位置的概率。

2.2灾难现场影音处理模块

某些灾难现场是救援人员无法进入的，影音处理系统加入就可以把现场环境的影音资料传输给救援人员，甚至可以在发现幸存者后进行视频通话，使救援人员更全面的掌握实际环境。

OV7670 CAMERACHIPTM图像传感器通过SCCB总线控制，可以输出整帧、子采样、取窗口等方式的各种分辨率8位影相数据。其VGA图像最高达到30帧/秒，用户可以完全控制图像质量、数据格式和传输方式。所有图像处理功能过程包括伽玛曲线、白平衡、饱和度、色度等都可以通过SCCB接口编程。OmmiVision图像传感器应用独有的传感器技术，通过减少或消除光学或电子缺陷如固定图案噪声、托尾、浮散等，提高图像质量，得到清晰的稳定的彩色图像。考虑到救援小车的运行环境，全向收音，广角接收，信号范围大的麦克风是最佳选择，可使幸存者和救援人员的通话更加方便。

2.3灾难现场环境监测系统

灾难现场的环境是否适合遇难者的生存，在这种环境中遇难者能生存多久，这些都是救援者需要了解的基础信息。灾难现场环境监测系可以精确的测出环境的温度、湿度及光线强度等基本信息，为救援工作的开展做好准备。

温湿度传感器模块主要采集参考点的温湿度数字信号。采集到的数字信号经单片机处理后传输到上位机同时在TFTLCD显示器上显示温湿度。当测得温湿度超出设定界限温湿度时进行报警，提示救援人员恶劣环境的出现。

光照模块主要采集参考点的光照强度数字信号。采集到的数字信号经单片机处理后传输到上位机同时在TFTLCD显示器上显示光强，当光照强度小于设定值下限时单片机通过三极管驱动继电器打开安装于小车上的照明灯，为环境监测提供足够的光强；当光照强度大于设定值上限时单片机通过三极管驱动继电器关闭此灯。具有优异的分光感度特性及高灵敏度的数字输出型的BH1750光照度传感器模块，内置16 bit A/D转换器，功耗低，足以满足设计要求。STM32F103VE与BH1750之间的通信使用标准的I2C协议，STM32F103VE通过内部包含的I2C通信接口与BH1750的I2C接口相连，容易实现编程和控制[1]。

2.4自动循迹防碰撞系统

超声波自动循迹防碰撞系统由STM32单片机、超声波发射电路、接收电路、放大电路、比较整形电路等组成。工作时由STM32的TIM1高级定时器输出两路互补的PWM信号，升压后产生约18 V电压来驱动超声波发射器，将电能转换，发射超声波；超声波在空气中传播，遇障碍物返回，进入超声波接收器，然后经过滤波、放大、整形，进入单片机，单片机将超声振动转换成电信号，处理后在TFTLCD显示器上显示汽车与障碍物的距离[2]。

超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了[3]。系统框图如图所示。设超声波脉冲由传感器发出到接收所经历的时间为t，超声波在空气中的传播速度为c(c=340 m/s)，则从传感器到目标

图2　超声波测距系统框图

物体的距离D可用下式求出：

D=ct/2 .

(1)

2.5无线传输系统

NRF24L01单片射频收发器芯片内置频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器，输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置，可以连接到STM32单片机芯片，并完成无线数据传送工作。当工作在发射模式下发射功率为0dBm时电流消耗为11.3 mA，接收模式时为12.3 mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低，工作在2.4 GHz的ISM频段时，具有高达2 Mbps的传输速度，内置CRC校验和出错重传机制，在2 Mbps的速度下，接收电流仅为12.3 mA，发送电流仅为113 mA，功耗很低。发送端单片机STM32可以通过编写程序对无线射频芯片NRF24L01的参数进行设置，将其设置为发送模式，然后等待外部中断的输入，当中断输入，则控制芯片将数据发射接收模式，如果在有效应答时间内收到应答信号，则认为数据成功发送到接收端，如果没收到则重新发送数据，若自动重发计数器溢出，则TX_DS产生中断，通过写状态寄存器来复位。若收到应答信号，则认为数据成功发送到接收端，则继续发送寄存器中的下一包数据。

接收端单片机STM32可以通过输入程序对无线射频芯片NRF24L01的参数进行设置，设为接收模式以接受检验信号。接收到检验信号后，NRF24L01的自动应答功能会发送应答信号给发送端已确认收到信号，接着nRF24L01通过MAX_RT中断通知接收端单片机，单片机进行数据接收并将其传送给上位机。接收端的单片机在接收到中断的同时，要同发射端芯片进行时间上的协同，以此来保证发送和接收的配合。最后清除NRF24L01的状态寄存器，再次为下一次数据的接收做好准备。

3　测试结果

测试时选择晴天并将光照度采集模块安装在实验室楼道内，没有阳光直接照射和遮挡物，记录一天从早上7点到晚上9点时间段的光照度采集数据，光照度采集数据如图所示。记录时间间隔为每半小时一次。从数据图中可以看出光照度采集模块工作相对稳定符合设计要求，参考点位置选择合适。

图3　光照度采集数据

温度采集模块测试时测量地点为在实验室内，采用搜救小车控制器和标准温度计共同对同一时间同一环境的温度进行测量，实验记录了一个小时时间段内的温度，数据记录时间间隔为三分钟，考虑到由于时间段时间比较短，环境温度变化不大，不能准确判断模块工作的情况，在测试期间用电风扇人为对测试点随机吹风。温度采集数据如图所示。从图中可以看到模块温度采集数据和标准温度计采集数据基本保持一致，在有人为降温的过程中，控制器测温灵敏，符合设计要求。

图4　温度采集数据

测试结果显示系统基本满足文中所阐述的控制要求，并通过实际操作发现了电路测试中的一些注意事项，对以后的深入开发有很大的好处。

4　总结

救援小车中的人体感应系统、灾难现场影音处理系统、灾难现场环境监测系统、自动循迹防碰撞系统、无线传输系统等子系统通力合作，互相配合，使救援人员全面、实时、准确的掌握幸存者所处的环境，及幸存者的体力等信息，为救援工作做好准备工作，是成功营救的前提。

[1]何安科.基于STM32与光强传感器BH1750的无线路灯控制系统[J].企业科技与发展,2011,20:15-17.

[2]苑洁，常太华.基于STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计[J].电子设计工程,2011,15:76-78+82.

[3]陈勇，黄席樾，杨尚罡.汽车防撞预警系统的研究与发展[J].计算机仿真,2006,12:239-243.

Design for Multi-functional and Intelligent Rescuing Trolley

Li Zhengqing1, Wang Jian2

(1.SanyaCollege,SanyaHainan570200,China;2.SanyaChangdaoPhotoelectricalSpecialEquipmentLimitedCompany,SanyaHainan570200,China)

Due to that the rescue workers cannot arrive at some disaster sites in time, the multi-functional rescuing trolley based on STM32F103VE single chip as the core control chip is designed. The information of survival, audiovisual materials, temperature, humidity and light intensity of the disaster site, also the front and back distance to the barrier and other data is collected and then transferred to the rescue workers by the infrared thermal pyroelectric sensor, video recorder, temperature and humidity detector, light intensity detector, distance detector, wireless transmitter and other subsystems to provide the valuable reference information for the headquarters to convert the blind rescuing style to the rational rescuing style. Finally, the modules are certificated to be normal and safe, which can meet the design requirements.

intelligent rescuing; STM32SCM; OV7670; NRF24L01

2016-04-11

李政清(1986- )，男，山西晋中人，中北大学测试计量技术与仪器专业，硕士，现为三亚学院理工学院教师。

1674- 4578(2016)04- 0020- 03

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