一种大型建筑内火灾被困人员辅助救援装置及控制方法

摘要

一种大型建筑内火灾被困人员辅助救援装置包括信息卡装置和读取器装置，信息卡装置包括：控制器、天线模块、电源模块、LED状态信号指示灯和开关，读取器装置包括：控制器、天线模块、液晶显示模块、烟雾传感器模块、温度传感器模块、键盘模块和电源模块。人员携带存储有个人信息的信息卡，通过读取器读取信息卡信息并进行分析和处理，得出被困人数及信息。本装置控制方法能够获得房间级定位精度，读取器采用电池供电并通过无线网络将被困人员的信息传送给监控中心，为救援提前准备，提高了救援效率。本发明使用时间长，功耗低。信息卡具有休眠/唤醒机制，极大的降低了它的能耗，信息卡上具有USB充电模块，能够方便的对信息卡进行充电。

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络、灾难救援领域，具体涉及基于无线传感器网络的被困人员定位。

背景技术

当火灾发生后会在大型建筑内构成高温、浓烟等复杂环境，使得人员经常被困在某一区域内，由于上述复杂环境，救援人员很难获得被困人员的数量及具体位置信息，这严重影响了救援行动的效率。由于浓烟会造成不可视环境，使得现有的网络视频监控系统在火灾环境中将会失去作用，而且视频监控系统也无法确定被困人员的信息，如：血型、年龄、姓名等。长距离RFID对RFID卡的方向位置和读写器天线方向要求较高，而且标签和读写器之间通信关系较简单，限制了系统的灵活性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种大型建筑内火灾被困人员辅助救援装置及控制方法，人员携带存储有个人信息的信息卡，通过读取器读取信息卡信息进行分析和处理，得出被困人数及信息。

本发明的技术方案是：大型建筑内火灾被困人员辅助救援装置，包括信息卡装置和读取器装置。

信息卡装置包括：控制器、天线模块、电源模块、LED状态信号指示灯和开关，信息卡装置存储有个人信息，如姓名、年龄、血型等，信息卡装置是由人员随身携带，信息卡装置具有休眠/唤醒机制，极大的降低信息卡能耗，当火灾发生时，信息卡装置首先与读取器进行握手通信，确定发送功率等信息，握手通信后信息卡装置会向读取器装置不断发送个人信息。

信息卡的电源模块包括电池和稳压二极管，电池的输出口分别与控制器的电源端口和接地端口连接，且电源端口连接控制器AD模块的IO端口，LED状态信号指示灯与控制器IO端口连接，开关模块连接到控制器IO端口，天线模块连接到控制器的IO端口。

信息卡装置有两种开启方式：人员手动开启和读取器装置强制开启，信息卡装置设有USB接口，通过稳压二极管实现对锂电池充电，设有两路LED状态信号指示灯，用于指示信息卡装置工作状态，信息卡装置通过其控制器内的AD转换器Channel1采集信息卡装置的电源电压信号，检测信息卡装置的剩余电量，若剩余电量低于设定阈值时，通过信息卡装置控制器的IO控制红色LED状态信号指示灯闪烁，若电量充足，绿色LED状态信号指示灯则闪烁。

读取器装置包括：控制器、天线模块、液晶显示模块、烟雾传感器模块、温度传感器模块、键盘模块和电源模块，液晶显示模块包括液晶显示屏和串行转并行芯片，读取器装置固定在建筑物内，使用电池供电，读取器具有烟感、温度等传感器用来不断监测环境信息，当发生火灾后读取器会发送强制开启命令开启通信范围内的信息卡装置；根据建筑物结构、材料和大小的不同，读取器装置确定自身的读取范围参数，当灾难发生后读取器装置通过握手协议设定信息卡装置的发射功率；当读取器装置获得被困人员信息后，通过无线网络将信息传送给监控中心。监控中心通过串口与PC机连接，PC机通过终端界面可以获得每个房间内的人数及其信息。

读取器的电源模块的输出与控制器的电源端口、接地端口连接，烟雾传感器的输出连接至控制器的IO端口，温度传感器模块连接控制器的IO端口，键盘模块的四个选择按键组成的电位差电路连接到控制器AD转换端口，OK键和CANCEL键分别连接控制器的两个IO端口，液晶显示模块的控制引脚分别连接控制器的IO端口，液晶显示屏的数据引脚通过串行转并行芯片与控制器IO端口相连，天线模块连接至控制器的IO端口。

读取器的控制器主要进行无线信号的收发及处理，并对读取器装置内的其它模块进行分析控制；烟雾传感器主要负责检测环境内的烟雾情况，经过比较器后输出检测信号，并将检测信号送给控制器，控制器通过A/D转换对检测信号进行采样，并分析信号是否超过阈值，若超越阈值则向监控中心进行报警；温度模块负责检测室内环境信息，将测得的温度值传送给控制器，控制器将该信号与阈值进行比较，若高于阈值温度，则向监控中心进行报警；液晶显示模块负责设定参数时显示菜单选型，控制器将要显示的内容直接发送给液晶显示模块进行显示；按键模块负责设定参数时选择菜单和参数，其中按键模块中，上、下、左、右按键则使用分级AD转换方式，确定和取消按键则采用了IO口检测方式实现。

本发明装置的控制方法按如下步骤进行： 步骤1：持卡人员将个人信息输入卡内，设定信息卡休眠/唤醒时间，并在每个封闭环境内部署至少2个读取器，设定读取器参数，包括温度阈值、烟感阈值和发射功率，实现读取器之间通过多跳传输数据；

步骤2：读取器通过烟雾传感器和温度传感器采集环境信息，实现环境实时监控；

读取器通过烟雾传感器和温度传感器采集环境信息，烟雾传感器通过读取器控制器内的AD转换器采集传感器输出的电压信号，根据预先设定的阈值判断是否发生火灾。温度传感器通过读取器内的控制器的IO口与其进行通信，通过操作其内部的寄存器进行温度的读取，最后根据温度值判断是否发生火灾。

步骤3：当烟雾传感器或温度传感器采集的数据超过设定的阈值时，读取器的控制器通过无线网络向监控中心发送报警信号，并向读取器的通信半径内的信息卡发射强制启动信息，则信息卡退出休眠/唤醒状态，进入工作状态；当持卡人员发现火灾时，通过手动开启信息卡，使其进入工作状态；

步骤4：信息卡以最大功率向读取器发送信息卡中存储的信息；

步骤5：读取器收到信息卡发送的信息后，由于信息卡初始发射功率为最大值，读取器会与临近读取器进行信息交换；

若有大于或等于3个读取器收到同一个信息卡的信息，则读取器控制信息卡将发射功率减小以适应当前的环境，同时信息卡的控制器打开定时器进行计时，当定时器产生中断后，信息卡再次向读取器发送请求，不断更新环境内信息卡的信息，若收到该请求的读取器数量小于3个，则不再改变信息卡发射功率，若仍然有大于等于3个读取器收到该信息卡信息，继续降低信息卡发射功率，直至最多两个读取器收到同一信息卡的信息；读取器将读取到的信息卡的信息传送给监控中心；

步骤6：转至步骤4。

本发明的有益效果：

1. 能够获得房间级定位精度。由于每个房间至少部署2个读取器，而通过握手协议最多只有2个读取器能够获得信息卡的信息，因此能够获得救援人员能够获得被困人员具体在哪个房间。

2. 鲁棒性好，受环境影响小。读卡器采用电池供电并通过无线网络将被困人员的信息传送给监控中心，受环境变化影响较小。

3. 监控中心能够为救援提前准备，提高了救援效率。由于读取器将被困人员的信息传输给监控中心，监控中心能够提前获得被困人员的具体信息，能够为抢救提供必要信息。

4. 使用时间长，功耗低。信息卡具有休眠/唤醒机制，极大的降低了它的能耗，信息卡上具有USB充电模块，能够方便的对信息卡进行充电。

5. 发射功率低，对人体没有伤害。信息卡唤醒状态的最大发射能量为0dBM，该功率是微波炉功率的百万分之一，是移动手机功率的千分之一，对人体没有任何伤害。

附图说明

图1 本发明实施例信息卡装置框图；

图2 本发明实施例读取器装置框图；

图3 本发明实施例巴伦设计图；

图4 本发明实施例信息卡主电路图；

图5 本发明实施例信息卡USB 充电模块电路图；

图6 本发明实施例读取器烟雾传感器模块电路图；

图7 本发明实施例读取器DS18B20 温度传感器模块电路图；

图8 本发明实施例读取器液晶显示模块电路图；

图9 本发明实施例读取器按键模块电路图；

图10本发明实施例信息卡软件流程图；

图11 本发明实施例读取器软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

大型建筑内火灾被困人员辅助救援装置，包括信息卡装置和读取器装置。

信息卡装置包括：控制器、天线模块、电源模块、LED状态信号指示灯和开关，结构如图1所示，电路图如图4所示，软件流程如图10所示。信息卡装置中，控制器采用CC2430最小系统，支持高级加密技术标准AES，硬件支持CCM加密模式，并能够实现128位数据加密，数据传输时保密性较高。CC2430芯片是一个结合高性能2.4GHz直接序列扩频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器，能够满足低成本、低功耗的需求。该芯片集成符合IEEE802.15.4 标准的2.4 GHz 的无线电收发机，支持ZigBee协议栈。

电源模块由电池和稳压二极管组成，电池输出口分别与控制器VCC、GND连接，并且VCC连接AD模块的Channel1口（P0.1），进行电量检测；LED状态信号指示灯与控制器的P1.0引脚连接；开关模块连接到控制器的P0.2引脚；天线模块则根据datasheet连接到芯片的RF_N、RF_P、TXRX_SWITCH引脚。

天线模块的天线采用2.4G的全向天线AN9520，采用巴伦设计。在发送模式下将两个微分射频的输出合并到一个50欧姆的射频信号上，同时在接收模式下将一个50欧姆的天线信号分成两个微分射频信号。巴伦设计利用两个组件进行阻抗匹配，原理如图3所示：天线模块L2和DC模块C2，同时利用70欧姆23°的传输线保证阻抗匹配。

电源模块采用062025型号锂电池，开关选用MK12C02，LED状态信号指示灯选用常规器件。当信息卡的电量不足时，CC2430会让信息卡上的红色LED闪烁，通知信息卡持有人进行充电。信息卡可以通过USB充电，持有人可以方便的通过电脑进行充电，USB充电模块电路如图5所示，而不需要额外的电源适配器。电池充满后绿色LED会闪烁。

信息卡装置存储有个人信息，如姓名、年龄、血型等，信息卡装置是由人员随身携带，信息卡装置具有休眠/唤醒机制，极大的降低信息卡能耗，当火灾发生时，信息卡装置首先与读取器进行握手通信，确定发送功率等信息，握手通信后信息卡装置会向读取器装置不断发送个人信息。信息卡操作简单、安全、超低功耗、可方便充电。当持有人获得信息卡之后，可以通过电脑将自己的信息输入信息卡内，该信息会存储CC2430的存储器内，即使在掉电情况下该信息仍然能够保存10年。

由于信息卡需要持卡人随身佩戴，因此无线射频对人体的影响至关重要。信息卡的发射功率是根据读取器的命令设定，但是该信息卡的最大发射功率为0dBM，该数量级的发射功率相对于手机等器件非常低，对人体几乎没有影响，小孩和妊妇均可安心利用。

为了节省能量信息卡并不一直处于工作状态，而是处于休眠/唤醒状态，信息卡大部分时间处于休眠状态。信息卡的超低功耗是通过采用不同的唤醒机制实现。信息卡可以通过两种方式开启：人工强制开启和读取器强制开启。当人们感觉到危险时可以强制开启信息卡，信息卡会主动与读取器进行通信，以便读取器能够实时获得信息卡的信息；若读取器发现监测房间的温度或烟雾异常，会向监控中心发送警报并同时强制开启通信半径内的信息卡，获得通信半径内信息卡的信息，并将信息卡的信息传送给监控中心。

读取器装置包括：控制器、天线模块、液晶显示模块、烟雾传感器模块、温度传感器模块、键盘模块和电源模块，结构如图2所示，软件流程如图11所示。控制器采用CC2430，液晶显示模块选用型号为OCM12864-9的128×64液晶显示屏，串行转并行芯片选用型号74HC595，如图8所示。在设定参数时用来显示菜单选型，并通过74HC595驱动控制，控制器将要显示的内容直接发送给液晶显示模块进行显示；烟雾传感器模块型号为QM－N10，如图6所示，经过比较器后输出检测信号，并将检测信号送给CC2430控制器，控制器通过A/D转换对检测信号进行采样，并分析信号是否超过阈值，若超越阈值则向监控中心进行报警；温度传感器选用型号为DS18B20一线制数字温度传感器，如图7所示，将测得的温度值传送给控制器，控制器将该信号与阈值进行比较，若高于阈值温度，则向监控中心进行报警。读取器装置固定在建筑物内，使用电池供电，读取器具有烟感、温度等传感器用来不断监测环境信息，当发生火灾后读取器会发送强制开启命令开启通信范围内的信息卡装置；读取器的电源模块采用4节AA电池供电，通过低压稳压模块进行电压转换，低压稳压模块的型号为TPS79533，电源主要向控制器、液晶显示模块、烟雾传感器、温度传感器和键盘模块供电，并根据不同模块电压的需求进行相应的电压转换。按键模块如图9所示，上、下、左、右按键则使用了分级AD转换方式，确定和取消按键则采用了IO口检测方式实现。根据建筑物结构、材料和大小的不同，读取器装置确定自身的读取范围参数，当灾难发生后读取器装置通过握手协议设定信息卡装置的发射功率；当读取器装置获得被困人员信息后，通过无线网络将信息传送给监控中心。监控中心通过串口与PC机连接，PC机通过终端界面可以获得每个房间内的人数及其信息。

电源模块的输出直接与控制器的VCC、GND连接；烟雾传感器的输出连接控制器的P0.0引脚；温度传感器模块连接控制器的P0.1引脚；键盘模块的四个选择按键组成的电位差电路连接到控制器ADC的Channel6（P0.6），OK键连接控制器的P0.5引脚，CANCEL键连接控制器的P0.4引脚；液晶显示模块的LCD_RS、LCD_RW、LCD_E、LCD_CS、LCD_RST、LCD_BK分别连接控制器的 P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5引脚，液晶显示模块的数据则通过串行转并行芯片74HC595实现，74HC595的输入口LCD_LD、LCD_CK、LCD_DATA则分别连接控制器的P1.6、P1.7、P2.1引脚；天线模块则根据datasheet连接到芯片的RF_N、RF_P、TXRX_SWITCH引脚。

读取器采用ZigBee协议实现多跳传输，ZigBee协议采用ISO其中的四层：物理层、数据链路层、网络层和应用层。物理层处于OSI参考模型中的最底层，是保障信号传输的功能层。数据链路层可进一步划分为MAC和LLC两个子层。LLC子层在IEEE 802.6标准中定义，为802标准系列所共用，MAC子层使用物理层提供的服务实现设备之间的数据帧传输。网络层是应用层框架包括应用支持子层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）和用户所定义的应用对象。应用支持子层的功能包括：维持绑定表、在绑定的设备之间传送消息。所谓绑定，就是基于两台设备的服务与需求将它们匹配地连接起来。ZigBee设备对象（ZDO）的功能为：定义设备在网络中的作用（例如是ZigBee协调器还是终端设备），发起和响应绑定请求，在网络设备之间建立安全机制。ZigBee设备对象还负责发现网络中的设备，并且决定向它们提供何种应用服务。保证MAC层各种功能的正确执行，完成建立和维护网络的任务，并向应用层提供服务。

本发明装置的控制方法如下： 步骤1：持卡人员个人信息输入卡内，设定信息卡休眠/唤醒时间，并在每个封闭环境内部署至少两个读取器，设定读取器参数，包括温度阈值、烟感阈值和发射功率，实现读取器之间通过多跳传输数据；

步骤2：读取器通过烟雾传感器和温度传感器采集环境信息，实现环境实时监控；

步骤3：当烟雾传感器或温度传感器采集的数据超过设定的阈值时，读取器的控制器通过无线网络向监控中心发送报警信号，并向读取器的通信半径内的信息卡发射强制启动信息，则信息卡退出休眠/唤醒状态，进入工作状态；当持卡人员发现火灾时，通过手动开启信息卡，使其进入工作状态；

步骤4：信息卡以最大功率（0dBM）向读取器发送信息卡中存储的信息；

步骤5：读取器收到信息卡发送的信息后，由于信息卡初始发射功率为最大值（0dBM），读取器会与临近读取器进行信息交换；

若有大于或等于3个读取器收到同一个信息卡的信息，则读取器控制信息卡将发射功率减小2dBM以适应当前的环境，同时信息卡的控制器打开定时器进行计时，时间设定为3秒，当定时器产生中断后，信息卡再次向读取器发送请求，不断更新环境内信息卡的信息，若收到该请求的读取器数量小于3个，则不再改变信息卡发射功率，若仍然有大于等于3个读取器收到该信息卡信息，继续降低信息卡发射功率，直至最多两个读取器收到同一信息卡的信息；读取器将读取到的信息卡的信息传送给监控中心；

步骤6：转至步骤4。

所述步骤1中，设定读取器的参数，是通过读取器装置的键盘和液晶显示模块进行设置，具体按如下步骤进行：

第一步，设置读取器发射功率，针对不同的室内环境，提供三种不同的发射功率，分别是0dBM、-2dBM、-6dBM。首先根据液晶显示模块指示的设置选项，通过键盘的上下键选择进入发射功率设置选项，再通过左右键选择0dBM、-2dBM、-6dBM三种不同的发射功率。

第二步，设置读取器休眠/唤醒频率，为了节省读取器消耗的能量，提供五种不同的休眠/唤醒频率，分别为0.1,0.3,0.5,0.7,0.9。具体设置方式同上，首先通过上下键选择进入发射功率设置项，再通过左右键选择0.1,0.3,0.5,0.7,0.9五种不同的休眠/唤醒频率。

所述步骤2中，读取器通过烟雾传感器和温度传感器采集环境信息，烟雾传感器采用灵敏度较好的气敏式烟雾传感器，并通过CC2430处理器内AD转换器的Channl0采集传感器输出的电压信号，并根据预先设定的阈值判断是否发生火灾。温度传感器则采用一线制数字温度传感器DS18B20，数字输入输出信号线首先由电阻R4上拉，通过CC2430处理器IO口与其进行通信，通过操作其内部的寄存器进行温度的读取，最后根据温度值判断是否发生火灾。