基于無線信號強度變化的自動報警定位裝置

1、 基于無線信號強度變化的自動報警定位裝置內(nèi)容摘要：本文提出了一種基于無線信號強度變化的定位報警裝置，可在實施救援任務(wù)的消防員自身生命受到威脅時，及時進行定位發(fā)出求救報警信息，使其他消防員能夠及時對其進行援救。通過對各種無線定位技術(shù)的研究討論，本文主要采用SI4463芯片對消防員進行測距定位，并設(shè)計采用LORA擴頻通信控制模塊與SX1278進行了遠距離的通信，以便更好地實現(xiàn)對消防員運動體征信息收集、運動跟蹤狀態(tài)監(jiān)測以及對火場內(nèi)有害氣體的實時監(jiān)測，并進行判斷在需要的時候?qū)缶盘柊l(fā)送至其他消防員處，使其接受到求救信息后可以及時實施救援任務(wù)，盡最大程度的保障消防人員的安全。 關(guān) 鍵 詞： 無線通信

2、信號強度定位 自動報警Automatic alarm positioning device based on wireless signal strength changeAbstract：This paper proposes a positioning alarm device based on the change of wireless signal strength, which can timely locate and send out the distress alarm information when the life of the firefighters who car

3、ry out rescue tasks is threatened, so that other firefighters can rescue them in time.Through research and discussion of various wireless positioning technologies, this article mainly uses SI4463 chip to locate and locate firefighters, and designs to use LORA spread spectrum communication control mo

4、dule to communicate with SX1278 at a long distance, so as to better achieve the firefighters. Collection of sports sign information, motion tracking status monitoring and real-time monitoring of harmful gases in the fire site, and judgment to send alarm signals to other firefighters when needed, so

5、that they can implement rescue tasks in time after receiving distress information. Maximum guarantee the safety of firefighters.KeyWords: Wireless communication Signal strength positioning Automatic alarm目錄第一章 緒論11.1課題的研究背景11.2無線室內(nèi)定位系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀11.3論文的主要研究內(nèi)容2第二章 系統(tǒng)設(shè)計要求分析22.1 無線定位需求分析22.2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案簡介2第三章

6、 系統(tǒng)硬件設(shè)計43.1 STM32單片機外圍電路43.2系統(tǒng)各個子模塊設(shè)計及簡介43.2.1 手環(huán)信息采集模塊43.2.2 藍牙通信模塊53.2.3 電源供電模塊53.2.4 氣瓶氣壓監(jiān)測模塊73.2.5 運動狀態(tài)監(jiān)測模塊83.2.6 液晶顯示模塊83.2.7 有害氣體檢測模塊93.2.8 高度監(jiān)測模塊103.2.9 聲光報警模塊103.2.10 無線通信模塊11第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計144.1 設(shè)計流程框圖144.2系統(tǒng)初始化模塊程序154.3系統(tǒng)各功能模塊程序154.3.1運動狀態(tài)監(jiān)測模塊154.3.2 OLED驅(qū)動顯示模塊164.3.3高度監(jiān)測模塊174.3.4報警模塊184.3.5無線信

7、號強度定位19第五章 實物制作、性能測試及結(jié)果分析205.1 系統(tǒng)性能測試205.2 性能測試結(jié)果分析及改進245.3 系統(tǒng)測試完成任務(wù)24第六章 心得體會25致謝26參考文獻27附錄28第一章 緒論1.1課題的研究背景近些年，移動互聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備一直在進行著跨越式的發(fā)展，人們也越來越關(guān)注于位置信息相關(guān)的應(yīng)用技術(shù)發(fā)展，其中全球定位系統(tǒng)（GPS）就逐漸出現(xiàn)在了人們的視野中，其能夠滿足大多數(shù)情況下的室外定位，但是當在復(fù)雜多變的室內(nèi)環(huán)境中，人們生活的迫切需求則是希望能夠準確地獲得其在室內(nèi)的定位信息?，F(xiàn)在很多手機應(yīng)用或者導(dǎo)航設(shè)備裝置均使用了GPS對其進行實時定位，這項技術(shù)可以在室外的空曠環(huán)境中能夠起到良

8、好的定位作用，但是如若要對室內(nèi)進行定位時，使用GPS則會產(chǎn)生很大偏差，其不能實現(xiàn)室內(nèi)的定位。伴隨著人民生活水平及質(zhì)量的不斷提高，應(yīng)對自然災(zāi)害的安全防范意識也在逐步提升，當需要應(yīng)對各種突發(fā)情況如地震、火災(zāi)等各式各樣的自然災(zāi)害，這時定位報警技術(shù)就尤為關(guān)鍵，其可以在人員追蹤、消防救火、人員救助等各個方面起到至關(guān)重要的作用。針對當前火災(zāi)報警發(fā)生后，由于缺乏對消防人員進入火場后的人身安全保障和定位，在近十年中導(dǎo)致了將近200名消防人員犧牲，因此消防員的人身安全問題的到了社會各界的關(guān)注，為了能夠盡最大可能地保護消防人員生命安全，我們提出了一種可以及時報警并對受害者進行定位的一種設(shè)備。其是基于無線信號強度變

9、化的自動報警定位裝置，當消防員生命體征信息或者氧氣瓶發(fā)生問題時，其可以自己可以產(chǎn)生報警信息同時對其進行定位并通過藍牙通信傳送至控制終端。結(jié)合當前消防部門使用的火災(zāi)報警系統(tǒng)，通過對火災(zāi)發(fā)生時消防人員所佩戴手環(huán)上面的信息收集，統(tǒng)一傳送給終端控制顯示器，能夠盡最大可能的避免消防人員受到人身威脅，保障消防人員的生命安全。 1.2無線室內(nèi)定位系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀國外定位系統(tǒng)研究如下：Active Badge定位系統(tǒng)：其主要定位原理是利用紅外收發(fā)，由AT&T開發(fā)設(shè)計。由于紅外信號的傳輸會受到視距的影響，所以其定位效果并不能滿足人們對室內(nèi)定位的需求。Bat室內(nèi)定位系統(tǒng)：由AT&T在1999年研發(fā)完成。該系統(tǒng)利

10、用了超聲波技術(shù)實現(xiàn)定位。其缺點是：因為超聲波信號容易受到障礙物的影響，而室內(nèi)環(huán)境較為復(fù)雜且有較多的障礙物，故其室內(nèi)定位精度會受到較大的影響。DARAR系統(tǒng)：由美國加州大學(xué)與微軟在2000年共同研究開發(fā)。該系統(tǒng)主要是基于RSSI的室內(nèi)定位方案。該系統(tǒng)的研究也開啟了指紋定位的發(fā)展史，根據(jù)研究測試，DARAR系統(tǒng)的定位精度在5米左右。國內(nèi)定位系統(tǒng)研究如下：INEMO系統(tǒng)：由浙江大學(xué)的研究人員設(shè)計開發(fā)。此系統(tǒng)主要是根據(jù)用戶本身與周圍得參考節(jié)點進行信息交換，經(jīng)過RSSI來推斷用戶所處得位置。當用戶發(fā)出請求想要進行更加精確的定位時，這個系統(tǒng)將會通過各種信息交換來獲取信號強度，從而進行加權(quán)質(zhì)心定位運算。LA

11、NDMARC系統(tǒng)：該定位系統(tǒng)基于RFID，是由香港科大的科研人員研發(fā)。該系統(tǒng)能夠在相對復(fù)雜的情形之下進行工作，定位精度較高，可擴展性能良好，并且擁有很高的實用性。武漢大學(xué)的科研人員研究并開發(fā)了一種基于高斯模型的WLAN室內(nèi)定位系統(tǒng)。該定位系統(tǒng)建立了與位置信息相關(guān)的指紋數(shù)據(jù)庫，然后利用各個無線接入點的相關(guān)性，提高了整個系統(tǒng)的定位精度。目前室內(nèi)定位在未來仍需要解決很多問題：（1）精度問題。（2）減少能耗和成本的難題。（3）通用標準化問題。（4）未知復(fù)雜環(huán)境因素的定位問題。（5）安全隱私問題。1.3論文的主要研究內(nèi)容（1）研究并設(shè)計一種可判斷佩帶者運動狀態(tài)的自動報警設(shè)備，要求在判斷到佩戴人員停止運動

12、達到內(nèi)部程序設(shè)定時間時，能夠自動產(chǎn)生報警信息進行報警。（2）該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)多設(shè)備間的通信，并且其通信距離需要達到100米以上。（3）報警設(shè)備在產(chǎn)生報警信息的同時，需要能夠產(chǎn)生較大的報警聲音及明亮的警示燈光信息。（4）該裝置需要實現(xiàn)其他設(shè)備在收到報警信息后，可根據(jù)通信的無線信號強度變化來判斷報警設(shè)備與自身的距離從而達到定位功能，并可以及時進行搜救。（5）該設(shè)備通過電源供電提供穩(wěn)定的輸出電壓供給單片機和通信模塊完成正常工作。（6）完成各部分相關(guān)硬件的設(shè)計及相關(guān)軟件的編程并組織進行了系統(tǒng)的調(diào)試、性能測試等相關(guān)工作，使得該裝置能夠正常地運行。第二章 系統(tǒng)設(shè)計要求分析2.1 無線定位需求分析伴隨著無線通

13、信技術(shù)的高速發(fā)展，與位置信息相關(guān)的一些服務(wù)也受到了人民群眾較大的重視。、因無線信號在室內(nèi)的復(fù)雜環(huán)境下無法直接進行信息傳送，故當前的定位無法滿足人類需求并且其定位效率及精確度都十分低?？茖W(xué)技術(shù)順應(yīng)時代的發(fā)展，滿足社會所需，由于如今社會發(fā)展迅速，各種大型、巨型建筑的落地，對很多容易迷路、迷失方向的人來說，室內(nèi)定位技術(shù)應(yīng)運而生，使用其進行室內(nèi)精確定位，滿足人們的日常所需。其次，室內(nèi)定位技術(shù)對于我們搶險救災(zāi)，保障救護人員的安全也帶來了很大的便利。 2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案簡介針對與論文研究內(nèi)容要求我做出了相應(yīng)的設(shè)計方案：圖2.1 硬件設(shè)計方案（1）采集信息部分手環(huán)設(shè)備：消防員通過佩戴手環(huán)收集其體征信息

14、（包括采集心率、步數(shù)、測量血壓燈信息），并通過藍牙模塊與數(shù)據(jù)處理模塊進行通信。氧氣空氣呼吸器：在一些復(fù)雜環(huán)境下（濃煙、缺氧等）用于消防人員救援活動的設(shè)備。運動狀態(tài)監(jiān)測：主要用水銀開關(guān)來采集消防人員的運動狀態(tài)信息。如果消防員超過30秒未產(chǎn)生任何運動狀態(tài)，會發(fā)出預(yù)警報信息；若超過45秒該消防員仍未產(chǎn)生運動，則系統(tǒng)判定該消防員遇到危險，發(fā)出報警信息。（2）定位裝置設(shè)計氣壓傳感器：使用氣壓傳感器來測定搜救人員與遇難人員的相對高度值，判定其所在高度、樓層信息。（氣壓值會受到當?shù)氐貏?、火場溫度等各種不同因素的影響，故在進行判斷測量時需要一個基準氣壓，在每次實行救援任務(wù)時對氣壓傳感器模塊進行自動校準）具體方

15、位判斷：主要根據(jù)設(shè)備靈敏度進行判定，當消防員向前走，判斷與被困人員的距離信息，如果距離增加，則在反方向，反之在前方。（3）消防員報警部分設(shè)計手動報警： 當消防員自己需要幫助或者遇到危險時，消防員能夠自己進行報警，從而產(chǎn)生報警信息并傳給其他消防員。自動報警：當系統(tǒng)檢測到消防員遇到危險需要自動報警時，根據(jù)信號強度定位系統(tǒng)將他的位置信息傳送給他的同組成員以便及時搜救；另外，當消防員隨身攜帶的氧氣瓶中的氧氣達到限定值時，發(fā)出警報。（4）無線通信模塊的設(shè)計定位部分：通過LORA擴頻通信模塊SX1278（170MHz）進行遠距離通信，完成消防員攜帶設(shè)備之間的相互通信，使進入火場的隊員能夠受到隊友所傳來的信

16、息并且可以與總控臺設(shè)備進行同步數(shù)據(jù)通信。搜救部分：先根據(jù)氣壓傳感器進行高度定位，再通過SI4463（433MHz）通信模塊采集到的信號強度信息進行測量距離，最后進行搜救。（5）聲光報警裝置蜂鳴器（100dB）：當消防員出現(xiàn)意外狀況產(chǎn)生報警信息時，此裝置能夠產(chǎn)生較大報警聲音；LED燈：當消防員出現(xiàn)意外狀況產(chǎn)生報警信息時，能夠產(chǎn)生較強烈的燈光來提示自己所處位置。（6）電源供電模塊主要分三方面：a、STM32單片機穩(wěn)定電源供電，433M通信模塊電源、藍牙通信模塊（設(shè)備、氣瓶）、水銀開關(guān)供電電源均需要3.3V的穩(wěn)定電壓。b、液晶顯示屏供電電源需要13V穩(wěn)定電壓。c、170M通信模塊需要5.2V穩(wěn)定電壓

17、。該部分電路主要采用DC-DC轉(zhuǎn)換電路進行供電。第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 STM32單片機外圍電路外圍電路圖如下所示：圖3.1 STM32F103CBT6單片機外圍基礎(chǔ)電路圖在上述電路圖的晶振電路中，C11、C12為電路的負載電容并且其電容值為22pF，并且這兩個電容與晶體Y1構(gòu)成了三點式電容振蕩器，其作用是穩(wěn)定振蕩頻率。該芯片VBAT必須連接到GND上，中間需加電容C14。STM32的異步復(fù)位腳是NRST。增加看門狗電路能夠有效地避免系統(tǒng)微處理器在電壓大小不足或者振蕩器的不穩(wěn)定的情況下進行穩(wěn)定正常的工作。3.2系統(tǒng)各個子模塊設(shè)計及簡介3.2.1 手環(huán)信息采集模塊購買市面上小米手環(huán)4，可以完

18、成體征信息收集（包括：步數(shù)、心率、血壓等），并且上面集成有藍牙模塊，可以通過其進行通信。消防員通過佩戴手環(huán)收集其體征信息（包括采集心率、步數(shù)、測量血壓等信息），并通過藍牙與數(shù)據(jù)處理模塊進行通信，當有報警信息產(chǎn)生時，將信息傳給同組消防員。3.2.2 藍牙通信模塊（1）藍牙通信模塊藍牙技術(shù)的復(fù)雜性相對較高、聯(lián)網(wǎng)速度較快、并且其模塊可靠性較高、傳輸速度大多數(shù)情況下為1Mbps、安裝部署非常簡單且其成本相對較低。 （2）Wi-Fi通信技術(shù)該技術(shù)覆蓋的范疇大多數(shù)情況下是在100米之內(nèi)，WIFI通信技術(shù)的性能相對復(fù)雜，相比較于藍牙，該技術(shù)的安全性能較差，其系統(tǒng)集成度較差，并且其使用成本較高，功耗大，部署設(shè)

19、備時較為復(fù)雜，使用相對困難。經(jīng)過對以上三種技術(shù)的研究分析及對比，我們最終在該無線定位報警裝置上，采用了藍牙通信模塊進行數(shù)據(jù)通信傳輸。該技術(shù)相較于Wi-Fi技術(shù)集成度安全性較高，成本較低，更簡單，功耗也較低，更容易安裝使用。所以我們最后選擇了采用藍牙NRF51822模塊PTR5518芯片完成無線通信，進行數(shù)據(jù)傳輸。圖3.2 藍牙通信模塊電路圖在電路中，輸入電壓采用AMS1117轉(zhuǎn)換電路所得到的3.3V穩(wěn)定電壓，在輸入端接電阻、接地電容使電路更加穩(wěn)定，更好的保護電路。PTR5518在上電并配置好IO口后便能開始廣播進行通信，傳輸速率較大，使用十分方便。3.2.3 電源供電模塊擬采用DC-DC電路對

20、單片機模塊、各種無線通信模塊、液晶顯示屏OLED等各種不同的功能模塊進行穩(wěn)定供電。（1）STM32單片機穩(wěn)定電源供電，433M通信模塊電源，藍牙通信模塊（設(shè)備、氣瓶）、水銀開關(guān)供電電源均需要單獨3.3V的穩(wěn)定電壓。（由3.7V降至3.3V）圖3.3 3.3V穩(wěn)定輸出供電電路在AMS1117供電電路內(nèi)擁有限流和保護電路，所以該芯片才可以有效的保護電路并穩(wěn)定工作，非常適用于電池供電。其可以固定輸出3.3V的穩(wěn)定電壓，保證各個功能模塊的電源供電正常。為確保電路中AMS1117的可以在輸出端輸出穩(wěn)定電壓3.3V，則我們需要在輸出端連接一個甚至多個大小為10uF的接地電容，其可以保證芯片的正常穩(wěn)定工作。

21、（2）液晶顯示屏供電電源需要13V穩(wěn)定電壓。（由3.7V升至13V）圖3.4 13V穩(wěn)定輸出供電電路示意圖上圖中R2與R3電阻串聯(lián)實現(xiàn)分壓功能，保證其輸出電壓范圍。其中，要求Vout=R2/R3+1。因我們所需要的輸出電壓為13V，即Vout=13V，R2=396K，R3=33K。（3）170M通信模塊需要5.2V穩(wěn)定電壓。（由3.7V升至5.2V）圖3.5 5.2V穩(wěn)定輸出供電電路示意圖170MHz通信時使用的模塊，其是需要高功率，供電時不僅需要5.2V的電壓，還需要電流足夠大，所以我們選擇芯片RT9297，該芯片使大電流DCDC升壓芯片。采用DC-DC電源模塊可以確保產(chǎn)生的電源值高度可靠且

22、穩(wěn)定，不會損壞實現(xiàn)設(shè)備芯片，其電源模塊有著各種各樣型號，便于電源工程師的選擇。3.2.4 氣瓶氣壓監(jiān)測模塊圖3.6 MS5611MS561是新一代的高分辨率高度計傳感器，該模塊可以使每個用戶能夠?qū)D(zhuǎn)化速度以及使用過程中電流損耗的進行優(yōu)化。氣瓶氣壓監(jiān)測模塊主要利用MS5611芯片進行收集氣瓶中的氣壓信息，然后將監(jiān)測所得數(shù)據(jù)通過第二藍牙通信模塊通信模塊與消防人員隨身攜帶設(shè)備中的第三藍牙模塊進行通信，并將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)處理模塊，當氣瓶氣壓信息達到預(yù)設(shè)定的閾值時，消防人員所攜帶的設(shè)備將會自動產(chǎn)生報警信息。3.2.5 運動狀態(tài)監(jiān)測模塊水銀開關(guān)：又叫傾側(cè)開關(guān)。工作原理：由于在開關(guān)內(nèi)部水銀的比重較大而且其具

23、有流動性，所以當玻璃管傾斜，水銀就會在重力的作用下位置發(fā)生改變，并向著較低的方向移動，如果在此過程中兩個電極同時與內(nèi)部流動的水銀相接觸，此時開關(guān)會將電路閉合，并開啟開關(guān)。圖3.7 水銀開關(guān)電路圖左邊為已有的水銀開關(guān)，右邊為兩個連接端口。該模塊根據(jù)水銀開關(guān)的工作原理，制作了一對互為90的水銀開關(guān)，其中一個水銀開關(guān)可以用來檢測該設(shè)備佩戴人員是否在平面上進行運動，另一個則用來檢測其是否在垂直方向上進行運動。當消防人員在行進或者執(zhí)行救援行動的過程中，一定會產(chǎn)生水平方向或者垂直方向上的運動，則水銀開關(guān)中的水銀會因重力原因，改變其自身位置，兩個電極直接會接觸從而產(chǎn)生電流脈沖，形成了閉合回路，將電流送給了單

24、片機，單片機可以工作。單片機內(nèi)部根據(jù)外部是否運動，能否產(chǎn)生電流使單片機內(nèi)部計數(shù)清零；當沒有電流產(chǎn)生時，單片機將持續(xù)計數(shù)，該數(shù)表示此人沒有產(chǎn)生任何運動的持續(xù)時間。我們用此方法來采集消防人員的運動狀態(tài)，若超過30秒該隊員未產(chǎn)生運動狀態(tài)，發(fā)出預(yù)報警信息，如超過45秒該隊員未產(chǎn)生運動，則判斷該隊員遇險，發(fā)出報警信息。3.2.6 液晶顯示模塊該模塊采用了SSD1309-24PIN芯片，其能夠顯示當時的位置、時間、距離、氣瓶氣壓等各種參數(shù)。圖3.8 液晶顯示模塊電路SSD1309是一款單芯片顯示驅(qū)動器。OLED輸出電壓的大小最大是16V，通用最大灌電流為40mA，具有嵌入式128 x 64位SRAM顯示緩

25、沖器，面板驅(qū)動電源、矩陣顯示電壓為7.0-16.0V，其工作溫度在-40至85之間，有8位6800/8080系列并行接口。3.2.7 有害氣體檢測模塊在火災(zāi)發(fā)生后，各種不同的可燃物質(zhì)經(jīng)過充分或不充分燃燒會生成各種有害氣體，其中主要包括CO和CO2等等。人體如果吸入CO，會使得氧氣缺乏結(jié)合受體，引起缺氧現(xiàn)象，從而導(dǎo)致窒息。為了保障消防人員在火場內(nèi)的安全，我們在報警裝置中加了CO監(jiān)測傳感器，監(jiān)測環(huán)境中的有害氣體濃度，并及時產(chǎn)生報警信息。圖3.9 MQ-7一氧化碳濃度測量傳感器實物圖MQ-7傳感器的主要材料為SnO2。由于該傳感器對于CO有著十分良好的靈敏度，故主要用來監(jiān)測CO氣體含量。3.2.8

26、高度監(jiān)測模塊圖3.10 MS5803氣壓傳感器實物圖MS5803是一款新型的氣壓傳感器。該傳感器的工作原理是：經(jīng)過對待測點上方氣壓柱重力進行測量計算，然后得出其在地球等重力勢面切線的垂直方向上的所在位置，通過這種方法測量所得的高度稱之為重力勢高度。在此次設(shè)計的系統(tǒng)原有水平信號強度定位的基礎(chǔ)上再增加氣壓傳感器，通過對其所在高度進行氣壓監(jiān)測，然后把監(jiān)測所得數(shù)據(jù)通過串口傳送至單片機數(shù)據(jù)處理中心，再對傳感器所收集到的氣壓信息進行分析，判斷消防人員當前所處高度，達到高度定位的目的，讓三維立體定位更加精準，能夠高效的進行消防救援任務(wù)。3.2.9 聲光報警模塊該模塊是由蜂鳴器和LED燈構(gòu)成。在系統(tǒng)裝置收到報

27、警信息需要產(chǎn)生報警信號時，蜂鳴器和LED報警燈將會同時進行工作。蜂鳴器報警電路如下圖所示：圖3.11 蜂鳴器電路原理圖為了滿足我們實際應(yīng)用時的需求，內(nèi)部需要有足夠大的驅(qū)動電流，只有這樣蜂鳴器才會產(chǎn)生較大聲響。因此我們使用兩級復(fù)合管（達林頓管），實現(xiàn)高倍放大，穩(wěn)定輸出電流，來驅(qū)動蜂鳴器使其能夠產(chǎn)生足夠大的聲響。報警燈電路如下圖所示：圖3.12 報警燈光原理圖報警燈電路模塊由發(fā)光二極管和三極管組成。使用三極管是為了驅(qū)動發(fā)光二極管，其可以高倍放大，輸出穩(wěn)定電流，使燈光越亮。3.2.10 無線通信模塊一、LORA擴頻通信模塊SX12781、 LORA技術(shù)簡介LORA技術(shù)所實現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸可以有效的較低誤

28、碼率，該技術(shù)在實際應(yīng)用中采用了目前較為先進的擴頻調(diào)制和前向糾錯技術(shù)，不但可以擴大無線通信的鏈路范圍，而且可以提升其魯棒性能，然后也對其抗干擾性能進行提升。該技術(shù)也具有非常好的穩(wěn)定性能，其體現(xiàn)在信道的衰落和多普勒效應(yīng)上。同時LORA技術(shù)也提高了信號接收的靈敏度，其傳輸?shù)男盘柨梢越档托旁氡?。該技術(shù)還能夠同時對多個數(shù)據(jù)進行處理，具有長距離傳輸、低功耗、遠距離、信號穿透、等特性。擴頻調(diào)制技術(shù)就是將我們所需要傳輸?shù)脑夹盘柾ㄟ^擴頻調(diào)制的方式，對初始信號的頻帶寬度先進行展寬，然后再發(fā)送出去，在展寬后，用于信息傳輸所需的最小帶寬會遠小于其頻帶寬度，從而提高信噪比。圖3.13 擴頻通信原理圖2、 SX1278

29、芯片簡介我們所采用的SX1278射頻芯片，其工作頻段默認為170MHz，采用LORA擴頻技術(shù)。SX1278遠距離通信模塊電路如下圖所示：圖3.14 SX1278遠距離通信模塊電路圖SX1278芯片的特點功能：（1）支持LORA調(diào)制方式，具有遠距離抗干擾的優(yōu)點；（2）理想條件下通信距離可達8km；（3）支持低頻170MHz，超強的繞射能力；（4）支持多種工作模式（5）超低功耗、傳感器硬件最小化、通信穩(wěn)定性較高、超低成本、采用工業(yè)級標準設(shè)計。二、 SI4463小功率通信模塊（測距定位）1、無線信號強度測距定位原理目前核心技術(shù)是測距的室內(nèi)定位技術(shù)主要包括如下四種： （1）RSSI（信號強度）：通過對

30、RSSI與發(fā)射點之間距離進行測量，我們得到了一個關(guān)系：當目標與發(fā)射點之間的距離相對較近時，其測得的RSSI值較大，反之，通過測量所得的RSSI值會逐漸減小，因此我們會得到一個衰減模型，通過這個模型將RSSI轉(zhuǎn)化為傳輸?shù)木嚯x，然后實現(xiàn)對移動端的定位。我們根據(jù)距離信號的損耗對定位距離進行測算，由于我們已知信號發(fā)射強度，計算接收端的信號強度，從而得到信號強度隨著傳輸距離變化的距離公式3-1。P=P0+10nlog10LL0+ （3-1）上述式子中，P為經(jīng)過L后的損耗，P0為經(jīng)過L0后的損耗，L為兩設(shè)備之間的距離，L0為單位距離；是均值為0的高斯分布函數(shù)；n是信號衰減因子。（2）TOA（信號到達時間）

31、：通過移動端發(fā)出信號，然后統(tǒng)計這些不同信號到達目的位置的時間，從而來計算距離、實現(xiàn)定位功能。（3）TDOA（信號到達時間差）：兩參考節(jié)點同時發(fā)出兩種的信號，將信號到達定位點的時間差轉(zhuǎn)化為兩參考節(jié)點之間的距離差。（4）AOA（信號到達角度）：該定位方法主要是通過測量定位目標與基站參考點信號傳播夾角來進行定位的。2、SI4463芯片簡介SI4463 是美國芯科自主研發(fā)的433MHz 貼片式無線通信模塊。該芯片在接收電流、抗干擾能力等方面與老產(chǎn)品相比較有著很大的提升。SI4463主要特點功能如下：（1）超小體積；（2）理想狀況下，通信距離達2km；（4）芯片支持多種調(diào)制模式；（5）內(nèi)部系統(tǒng)采用工業(yè)級

32、設(shè)計等?；赟I4463的無線信號強度定位電路見圖3.15，在設(shè)計電路的過程中，我們需要適當?shù)囟嗉咏拥仉娙菽軌蚴剐酒ぷ鞯母臃€(wěn)定。通過接收到的信號強度與距離進行對比。圖3.15 SI4463無線定位模塊電路圖第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 設(shè)計流程框圖圖4.1 設(shè)計總體流程框圖該流程框圖主要描述了在佩戴設(shè)備得消防人員進行救援活動時，其設(shè)備中所攜帶的各種模塊以及傳感器都會進行工作，收集相關(guān)的信息，并對所收集到的信息與數(shù)據(jù)處理模塊進行數(shù)據(jù)通信，將信息再通過各個模塊進行傳遞，產(chǎn)生相應(yīng)的工作狀態(tài)，并及時進行搜救完成任務(wù)。4.2系統(tǒng)初始化模塊程序（1）系統(tǒng)初始化流程框圖：圖4.2 初始化流程框圖（2）系統(tǒng)

33、初始化程序如下圖所示：圖4.3 系統(tǒng)初始化首先對系統(tǒng)內(nèi)部時鐘配置，RCC函數(shù)為時鐘基本的初始化。對系統(tǒng)內(nèi)部定時器進行初始化并對其進行設(shè)置，調(diào)節(jié)串口相關(guān)模式配置，根據(jù)中斷功能寄存器的相關(guān)技術(shù)指標對其進行配置，對系統(tǒng)內(nèi)部的中斷優(yōu)先級進行初始化配置，對IO口按鍵進行初始化。4.3系統(tǒng)各功能模塊程序4.3.1運動狀態(tài)監(jiān)測模塊（1）運動狀態(tài)監(jiān)測的流程框圖如下圖所示：圖4.5 運動狀態(tài)監(jiān)測流程框圖（2）運動狀態(tài)監(jiān)測模塊程序如圖所示：圖4.6 水銀開關(guān)晃動則狀態(tài)清零通過判斷電路中是否有電流產(chǎn)生，如若電路中產(chǎn)生了電流脈沖，就會形成閉合回路，其電流會送給單片機，單片機開始工作并將內(nèi)部計數(shù)清零，將內(nèi)部狀態(tài)調(diào)為正常

34、，然后再次對水銀開關(guān)狀態(tài)進行判斷，從而得到佩戴設(shè)備的人員的具體運動狀態(tài)。4.3.2 OLED驅(qū)動顯示模塊（1）OLED驅(qū)動顯示流程框圖：圖4.7 OLED顯示驅(qū)動流程框圖（2）OLED驅(qū)動顯示程序如下圖所示：圖4.8 OLED顯示驅(qū)動程序?qū)Υ谝_、模式、速度分別進行定義配置，對OLED顯示屏的8（CS）、9（RES）、10（D/C）、11（D/C）進行配置。顯示屏顯示開關(guān)：OXAF：開，OXAE：關(guān)。OLED內(nèi)部振蕩頻率參考指令值：OXd5；OX80，電源控制內(nèi)部設(shè)置升壓：OX8d；OX14。4.3.3高度監(jiān)測模塊（1）高度監(jiān)測流程框圖：圖4.9 高度監(jiān)測流程框圖（2）高度監(jiān)測模塊程序如圖所

35、示：圖4.10 根據(jù)氣壓確定高度程序因為氣壓的大小會因環(huán)境因素變化或地理地勢的改變而引起變化，所以我們需要有一個基準氣壓，在每次開展救援活動時，對氣壓傳感器進行氣壓校準。當溫度低于20攝氏度時，我們需要利用氣壓的二階溫度補償算法，然后根據(jù)算法要求對氣壓進行校準，以便我們所測得的氣壓值可以準確地轉(zhuǎn)化為高度值。4.3.4報警模塊（1）報警模塊流程框圖：圖4.11 報警模塊流程框圖（2）報警程序如下圖所示：圖4.12 超時報警程序超時報警程序主要是通過對消防員當前運動狀態(tài)信息的收集，判斷其是否遇到危險（超過程序中內(nèi)部設(shè)定的閾值），若超過30秒該隊員未產(chǎn)生運動狀態(tài)，發(fā)出預(yù)報警信息，如超過45秒并且系統(tǒng)

36、狀態(tài)未檢查，則判斷該隊員遇險，發(fā)出報警信息，并通過無線通信模塊將信息傳遞出去同時聲光報警裝置會發(fā)出警報。（3）手動報警程序如下圖所示：圖4.13 手動報警及取消當攜帶裝置的人員自己發(fā)現(xiàn)需要幫助或遇到危險時，其可以自己通過按鍵手動報警。當判斷開關(guān)3的狀態(tài)沒有按下時，進行標記，進入循環(huán)逐次判斷開關(guān)3的狀態(tài)是否按下，當按下則退出循環(huán)。4.3.5無線信號強度定位（1）無線信號強度定位流程框圖：圖4.14 無線強度定位流程框圖（2）無線信號強度定位程序如圖所示：圖4.15 無線定位模塊程序信號強度的值和接收信號功率之間的關(guān)系如（4-1）所示： P=RSSIVAL+RSSI_OFFSETdBm （4-1）

37、在上述式子中，RSSI_OFFSET一般取-45。當不同的收發(fā)節(jié)點之間的距離固定的情況之下，信號強度的值與發(fā)射功率的大小有著線性映射關(guān)系。經(jīng)過把所收集到的大量數(shù)據(jù)進行處理，然后通過系統(tǒng)模擬得到信號強度的衰減方程（y=0.1154x2-11.555x+287.97），當我們需要根據(jù)所收集到的信號強度信息來進行定位測距時，在接收數(shù)據(jù)的模塊中寫入上圖中的代碼即可。第五章 實物制作、性能測試及結(jié)果分析5.1 系統(tǒng)性能測試1、電源供電模塊測試（1）測試儀器：萬用表（勝利VC890C+）（2）測試流程：因為我們在該部分所涉及到的電源部分全部為直流電源電壓，故我們直接使用萬用表進行測試。首先需要確保電路板可

38、以正常工作，然后我們將萬用表調(diào)到電阻擋或蜂鳴擋，任意在電路板上挑選任何一個位置對其VCC與接地之間的電阻大小進行測量。最后我們再根據(jù)各個模塊所要求其標準電壓及電流大小，在不同模塊分別使用萬用表的電壓檔及電流檔位測量，與標準電壓進行比對，看其模塊供電電壓、供電電流大小是否正常，保證各模塊的正常運行。 （3）測試數(shù)據(jù)：表5-1 電源供電模塊測試2、藍牙通信模塊測試（1）測試流程：先對電路板上的藍牙模塊部分進行檢測，當該模塊能夠正常工作時，再分別測試手環(huán)模塊、氣瓶氣壓測量模塊的藍牙通信模塊是否能夠與主控板的藍牙通信模塊之間進行正常通信，如果可以通信，則對主板程序進行調(diào)試運行，根據(jù)手環(huán)及氣瓶氣壓模塊所

39、發(fā)送出的數(shù)據(jù)與主控板藍牙模塊接收到的數(shù)據(jù)進行對比，判斷其能否正常完成相應(yīng)工作。（2）測試數(shù)據(jù)表5-2 藍牙通信模塊測試備注：編號010101+心跳070+血壓值100；（正常情況下，人的心率一般為60100次/分，成年人的正常血壓值是90-140mmHg。）3、氣瓶氣壓測量模塊（1）測試過程使用工具：帶氣壓表的高壓打氣筒（圣騎士超強高壓打氣筒）（2）測試過程：我們將氣瓶氣壓測量模塊接在高壓打氣筒的接口處，然后向高壓打氣筒內(nèi)打至一定的氣壓。讀取氣瓶氣壓模塊所測得的數(shù)據(jù)，然后將高壓打氣筒再打至另一氣壓，再次讀取氣瓶氣壓測量模塊所測得的數(shù)據(jù)，多次重復(fù)進行以上步驟，將所有的氣壓數(shù)據(jù)與讀取數(shù)據(jù)進行對比。

40、 （3）測試數(shù)據(jù)：表5-3 氣瓶氣壓測量數(shù)據(jù) 4、高度監(jiān)測模塊（1）測試過程：由于我們的設(shè)備會受到周圍環(huán)境因素（溫度、地理位置）的影響，氣壓大小會隨著這些因素變化。我們在測量前，需要選取一套設(shè)備作為基準，用來同步另一套設(shè)備的基準點氣壓數(shù)據(jù)。（從所查資料可知當高度每上升9m，大氣壓降低100Pa。）我們將兩只設(shè)備放置在不同的樓層，則我們所測得的大氣壓會有差異，根據(jù)這二組數(shù)據(jù)之間的差異，計算兩者之間的高度差（兩者之間的氣壓差/100*9=兩者之間的高度差）。我們?nèi)商自O(shè)備，分別放置在已知高度的指定樓層，然后使其中一只設(shè)備產(chǎn)生報警，另外一只設(shè)備接收到其產(chǎn)生的報警信息并根據(jù)自身設(shè)備所收集的氣壓信息數(shù)據(jù)

41、進行對比，根據(jù)公式計算出高度差與已知樓層高度進行比較，對測得的多組數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。（2）測試數(shù)據(jù)：表5-4 高度監(jiān)測模塊測試數(shù)據(jù)5、無線信號強度定位模塊（SI4463）（1）測試過程：首先對無線信號定位模塊進行檢測，確保其模塊的供電電源正常，可以進行穩(wěn)定工作。然后我們?nèi)商自O(shè)備， 將其放置在相距約100米的位置，然后我們觸發(fā)其中一套設(shè)備的報警，產(chǎn)生報警信息，這時，記錄另外一套設(shè)備收到的無線場強信號，關(guān)閉報警，再次報警，然后再紅心記錄無線場強信號數(shù)據(jù)，重復(fù)以上操作若干次；然后依次取90、80、70、60、50、40、30米等若干距離，重復(fù)進行以上步驟過程。根據(jù)測量得到多組無線場強數(shù)據(jù)，然后再依據(jù)這

42、些數(shù)據(jù)進行推導(dǎo)，得到場強數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換距離數(shù)據(jù)的線性公式。圖5.1 信號強度與距離之間的關(guān)系根據(jù)我們所作的圖表得出：y=0.1154x2-11.555x+287.97（2）測試數(shù)據(jù)：表5-5 無線信號強度定位測試數(shù)據(jù)6、無線通信模塊測試（1）測試儀器：頻譜分析儀（型號：安捷倫8594E）（2）測試流程：儀器使用：在頻譜分析儀的輸入端口接一根測量線的一個端口，另一端口使用一根接收天線進行接收到無線通信信號。無線通信模塊SX1278的信號是通過天線才能發(fā)送出去，輻射天線有長有短，測試使用哪種天線發(fā)送時，功率最大。在電源供電模塊能夠正常穩(wěn)定供電，通信模塊SX1278可以正常工作的情況下，保持設(shè)備與頻譜分析

43、儀距離一致，大量測量通信模塊所發(fā)射信號的強度與頻率中心點，查看是否與預(yù)計數(shù)據(jù)一致；然后通過更換通信模塊的外置天線，再次進行測量并對比，查看當使用哪種天線進行工作時，通信模塊的發(fā)射功率最強。（3）測試數(shù)據(jù)：表5-6 無線通信模塊測試數(shù)據(jù)5.2 性能測試結(jié)果分析及改進1、電源供電裝置：由于鋰電池電壓的不穩(wěn)定，通過DC-DC轉(zhuǎn)換電路所得到的電壓有時不能滿足芯片或者模塊的正常工作，會略低于各個模塊的標準工作電壓，但是其都可以正常進行工作，完成各個模塊所要求的任務(wù)。在之后的實驗之前須要對鋰電池的電壓進行準確測量或者選擇使用質(zhì)量較好的鋰電池，以便其能保證鋰電池電壓源充足，通過電壓轉(zhuǎn)換電路可以得到我們每個模

44、塊的工作電壓，使其能夠正常地進行工作。2、藍牙通信模塊：通過系統(tǒng)功能的測試，藍牙通信模塊可以正常的進行通信，能夠得到正確的數(shù)據(jù)，可以達到系統(tǒng)裝置的要求。3、氣瓶氣壓測量模塊：在此測試過程中，我們主要對該模塊讀出的氣壓值與我們使用的高壓氣筒所打入的氣壓值進行比對，發(fā)現(xiàn)所測得的數(shù)據(jù)相對于打入的標準氣壓值較低，需要對該模塊在測量數(shù)據(jù)時進行修正，確保氣瓶氣壓模塊準確測量出氣壓值大小并且可以穩(wěn)定正常的工作，更大程度的保障消防人員的安全。4、高度監(jiān)測模塊：在進行高度監(jiān)測時，根據(jù)模塊所檢測出的具體高度與實際高度存在一定誤差，這些誤差可能是因為當?shù)氐暮０胃叨?、溫度等外界的環(huán)境因素所影響，但是這種誤差可能會導(dǎo)致

45、執(zhí)行救援任務(wù)時造成一些不必要的麻煩。在此我們需要對高度檢測模塊的內(nèi)部運算進行一定優(yōu)化改進，需要對每次測試地點的不同而制定相應(yīng)的高度氣壓算法，使其對高度能夠?qū)崿F(xiàn)更加精確的定位。5、無線信號定位模塊：通過對信號強度與相對應(yīng)距離多組數(shù)據(jù)的測量，經(jīng)過推導(dǎo)后將該組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為距離數(shù)據(jù)的線性方程，通過這個方程進行程序運算，對兩設(shè)備間的距離進行測量，結(jié)果與實際之間存在著一定的誤差，在后續(xù)工作中需要對誤差進行整理，再次進行大量的測量，得到更加精確的線性方程，減少距離的誤差，以達到更高要求的精度，能夠完成我們題目的要求。6、無線通信模塊：經(jīng)過對天線的對比，我們在后續(xù)使用較長的天線，因其有良好的發(fā)射增益效果，測得的

46、發(fā)射功率較大，能夠更好的進行無線通信。5.3 系統(tǒng)測試完成任務(wù)1、設(shè)計并完成了可判斷佩戴者運動狀態(tài)的自動報警裝置，該設(shè)備可以內(nèi)部設(shè)定時間并自動產(chǎn)生報警信息傳送至聲光報警模塊進行報警。2、該裝置之間能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備間的通信，其通信距離遠大于100米。3、在裝置的報警模塊中，采用了蜂鳴器（100dB）以及LED燈以便達到報警目的。4、該裝置通過藍牙和LORA擴頻通信模塊進行無線通信，通過采用SI4463與MS5803進行水平與高度的距離的測算，達到定位的目的，完成其進行搜救的功能。5、采用了電源轉(zhuǎn)換電路進行對所有模塊的單獨供電，使其都能正常穩(wěn)定工作。第六章 心得體會自從2019年9月開始，我便開始準備我的畢業(yè)論文（設(shè)計），如今論文和實物制作及功能調(diào)試已經(jīng)完成。在整個論文撰寫過程中，我收獲了許多相關(guān)專業(yè)知識、技能。例如：我了解到了一些關(guān)于論文寫作方面的知識和技巧，學(xué)會了怎樣才能對我們所收集到的資料進行整合取舍等。每次的論文提交修改中，老師都十分嚴格、負責(zé)，大到論文的大綱框架、研究任務(wù)及方向確定，小到論文格式要求、標點符號地正確使用，這些都是老師教給我做學(xué)術(shù)所必備的專業(yè)涵養(yǎng)；在這個過程中，我不僅從中學(xué)到了很多知