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新型電子信息標(biāo)志系統(tǒng)的開發(fā)研究論文
1系統(tǒng)開發(fā)背景
生活中危險(xiǎn)事故經(jīng)常發(fā)生，例如火災(zāi)、有毒有害氣體泄漏、發(fā)現(xiàn)不明可疑危險(xiǎn)物體、傳染性疾病、核輻射污染等，這些都可能危及到社會(huì)、國(guó)家、公民的安危。為了避免危險(xiǎn)區(qū)域?qū)θ松碡?cái)產(chǎn)造成更大的損害，應(yīng)當(dāng)及時(shí)在事故發(fā)生區(qū)域進(jìn)行有效的警示、標(biāo)識(shí)。目前這類警示、標(biāo)識(shí)的方法很簡(jiǎn)單，大多采用掛警示帶、投放警示桶、擺放危險(xiǎn)警示牌等手段，方法較簡(jiǎn)單，警示功能效果單一，只能起到靜態(tài)標(biāo)志的作用，并受時(shí)間、地點(diǎn)、氣候等條件限制，標(biāo)志效果不突出。現(xiàn)有產(chǎn)品或技術(shù)條件未能很好地達(dá)到標(biāo)識(shí)、警示的目的，在使用時(shí)通用性較差、效率較低，容易誤入警示區(qū)造成不必要的損傷，且對(duì)標(biāo)識(shí)區(qū)域的信息不能很好的知曉、存貯和傳遞，并進(jìn)一步升級(jí)處理。
伴隨科技的進(jìn)步發(fā)展，在很多危急場(chǎng)所區(qū)域都需要運(yùn)用擁有更多功能的標(biāo)識(shí)設(shè)備，提高警示標(biāo)識(shí)效能，如：高速路上的交通事故，尤其是夜晚、雨、雪、大霧天氣下發(fā)生的交通事故;有不明危險(xiǎn)物的特殊場(chǎng)所;存在可疑放射源區(qū)域;有可疑爆炸物或是發(fā)生過爆炸的區(qū)域;有毒、有害區(qū)域;刑事案發(fā)的刑偵場(chǎng)所;軍事區(qū)域等。另外，隨著軍警裝備電子化、信息化升級(jí)，隨著“科技強(qiáng)軍、科技強(qiáng)警、構(gòu)建和諧平安社會(huì)”的發(fā)展需要，軍警的警示標(biāo)志設(shè)備應(yīng)具有更先進(jìn)的功能，以適應(yīng)現(xiàn)代化軍警部隊(duì)在訓(xùn)練、作戰(zhàn)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、處理突發(fā)事件時(shí)對(duì)相關(guān)區(qū)域，特別是三防區(qū)域進(jìn)行標(biāo)識(shí)警示，并對(duì)標(biāo)識(shí)信息進(jìn)行電子信息化處理。
本系統(tǒng)針對(duì)現(xiàn)有市場(chǎng)上標(biāo)志設(shè)備產(chǎn)品的落后和不足，提供了一種全新的電子信息標(biāo)志/警示系統(tǒng)。本技術(shù)采用動(dòng)態(tài)標(biāo)識(shí)指示的方式，前端可運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過不同采集信息的專用設(shè)備(如傳感器、空氣質(zhì)量檢測(cè)儀、偵毒器、輻射儀等)采集標(biāo)志信息(如警示源種類、污染物濃度、輻射劑量率、測(cè)定時(shí)間、地理坐標(biāo)等)，將標(biāo)志信息傳給計(jì)算機(jī)處理后傳輸給標(biāo)志信息注入器。注入器可安裝于固定場(chǎng)所、偵察或巡邏車輛內(nèi)部等。在安裝有標(biāo)志信息注入器的地方配備一定數(shù)量的標(biāo)志旗，標(biāo)志旗依次通電工作，依次寫入對(duì)應(yīng)的標(biāo)志信息。裝有光敏元件的標(biāo)志旗頂部高亮LED燈在雨、霧、雪、霾天氣環(huán)境下或是光線較弱時(shí)開始閃爍警示;在光線較好的環(huán)境下標(biāo)志旗通過上部帶有醒目的、可旋轉(zhuǎn)的三角形熒光旗面提供直觀警示。標(biāo)志旗依次通電注入標(biāo)志信息后，按一定距離間隔投放至需要標(biāo)識(shí)、警示的區(qū)域邊緣，定時(shí)向四周發(fā)射無(wú)線標(biāo)志信號(hào)。后繼相關(guān)人員通過手持標(biāo)志信息接收器對(duì)一定距離范圍內(nèi)的標(biāo)志旗進(jìn)行識(shí)別，提供聲光報(bào)警，讀取接收到的警示標(biāo)志信息，對(duì)標(biāo)志旗傳送的標(biāo)志信息進(jìn)行綜合處理、應(yīng)用和掌控。另外，標(biāo)志信息接收器通過連接計(jì)算機(jī)，可向計(jì)算機(jī)軟件導(dǎo)入多點(diǎn)(標(biāo)志旗)標(biāo)志信息，將警示區(qū)域信息2D、3D圖形化，指揮人員進(jìn)行集中的分析、判斷、處理。系統(tǒng)具有聲、光雙向報(bào)警的功能、不受時(shí)間、天氣及使用范圍等因素的影響，它具有新型、高效、節(jié)能、實(shí)用、安全、輕便、適用范圍較廣的特點(diǎn)。
2主要研究開發(fā)內(nèi)容、技術(shù)關(guān)鍵及創(chuàng)新點(diǎn)
2.1主要研究開發(fā)內(nèi)容
本項(xiàng)目研究開發(fā)一種全新的電子信息標(biāo)志系統(tǒng)，它主要由標(biāo)志信息注入器、標(biāo)志旗、標(biāo)志信息接收器三個(gè)設(shè)備組成，系統(tǒng)的研發(fā)主要涉及到這三個(gè)分系統(tǒng)設(shè)備的相關(guān)技術(shù)研發(fā)。
2.2系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
2.2.1系統(tǒng)組成和接口關(guān)系。新型電子信息標(biāo)志系統(tǒng)設(shè)備由標(biāo)志信息注入器、標(biāo)志旗、標(biāo)志信息接收器組成，如圖1所示。標(biāo)志信息注入器安裝于固定場(chǎng)所內(nèi)、偵測(cè)或巡邏車輛內(nèi)部等，通過CAN或RS-232總線與主控計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。標(biāo)志旗通過無(wú)線與標(biāo)志信息注入器、標(biāo)志信息接收器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
2.2.2工作方式。當(dāng)確定警示區(qū)域或污染區(qū)域邊界后，主控計(jì)算機(jī)將標(biāo)志旗承載信息(如警示源種類、污染物濃度、輻射劑量率、測(cè)定時(shí)間、地理坐標(biāo)等)下傳到標(biāo)志信息注入器。偵測(cè)人員將標(biāo)志旗通電，確定正確接收注入器的標(biāo)志信息后進(jìn)行投放。投放后的標(biāo)志旗間歇式無(wú)線發(fā)射標(biāo)志信息，并根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)弱判斷頂燈是否閃爍。當(dāng)后繼相關(guān)人員攜帶標(biāo)志信息接收器靠近警示區(qū)域時(shí)，接收到標(biāo)志旗信息發(fā)出無(wú)線信息，發(fā)出聲光警示，并顯示接收到的警示區(qū)域標(biāo)志信息。標(biāo)志信息接收器通過連接計(jì)算機(jī)，可向計(jì)算機(jī)軟件導(dǎo)入多點(diǎn)標(biāo)志信息，將區(qū)域信息2D、3D圖形化，指揮人員進(jìn)行集中的分析、判斷、處理。
2.3新型電子信息標(biāo)志系統(tǒng)的分系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其技術(shù)關(guān)鍵
2.3.1標(biāo)志旗。(1)結(jié)構(gòu)及電路設(shè)計(jì)。標(biāo)志旗從結(jié)構(gòu)上主要由桿頭部和底部?jī)刹糠纸M成。標(biāo)志旗是抗倒伏結(jié)構(gòu)體，有不倒翁效果，這樣的功能有利于它的標(biāo)識(shí)效果和無(wú)線功能。在裝放車輛上，非使用狀態(tài)的標(biāo)志旗旗面、燈桿和底座分開放置，節(jié)省存放空間，使用時(shí)根據(jù)受染類型或是警示內(nèi)容快速上電組裝。標(biāo)志旗總高度為0.5m。旗面采用帶有熒光特性塑料薄膜縫制，選用多種鮮艷警示顏色，如紅、黃、藍(lán)、白等。旗面為等腰直角三角形，直角向下。在旗面正反兩面可印上“警”、“危險(xiǎn)”、“注意”等字體。旗幟上裝有卡環(huán)，安裝時(shí)通過卡環(huán)卡入支連桿頭部槽內(nèi)，旗幟在遇風(fēng)的狀況下可自由旋轉(zhuǎn)。燈桿由頂燈和支連桿組成。頂燈為半球形，具有良好透光性和極佳的機(jī)械強(qiáng)度。支連桿由特種塑料注塑成形，為中空柔性桿件。裝配時(shí)內(nèi)置無(wú)線通信天線和電源線。支連桿使用時(shí)與底座連接上電，不用時(shí)，桿頭部可拔下，便于運(yùn)輸和保存。底座為一金屬半球體，有一定的重量，起配重和固定支撐的作用，為主要外部受力部件，內(nèi)部有電池容納倉(cāng)。標(biāo)志旗電路由嵌入式控制器、驅(qū)動(dòng)電路、電池、LED燈和無(wú)線收發(fā)電路等組成。(2)質(zhì)心計(jì)算。基于對(duì)不倒翁原理的分析，標(biāo)志旗底部設(shè)計(jì)為一半球體最為合理，而整個(gè)設(shè)備的重心點(diǎn)最好在整個(gè)設(shè)備的垂直中心線上。重心點(diǎn)到水平地面的垂直距離必須小于底部球體的半徑值，這樣才能保證標(biāo)志旗在平地上具有抗倒伏效果。設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用三維模擬設(shè)計(jì)軟件，將標(biāo)志旗中的所有零部件按精確的尺寸繪制成三維實(shí)體后，賦予材質(zhì)，精確模擬得到每一個(gè)實(shí)體零部件的質(zhì)量及重心坐標(biāo)點(diǎn)，然后再將這些零部件按約束進(jìn)行裝配，后得到裝配體模擬實(shí)體，軟件計(jì)算后可精確得到此裝配體的質(zhì)量和重心。
2.3.2標(biāo)志信息注入器。標(biāo)志信息注入器安裝固定在特定場(chǎng)所內(nèi)或偵察、巡邏車輛內(nèi)部，與控制計(jì)算機(jī)配合使用。標(biāo)志信息注入器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上重點(diǎn)考慮體積小、安裝方便、減震效果好等因素。標(biāo)志信息注入器由嵌入式單片機(jī)、無(wú)線收發(fā)電路、外置天線、接口電路、狀態(tài)指標(biāo)燈和電源模塊部分組成。
2.3.3標(biāo)志信息接收器。標(biāo)志信息接收器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上重點(diǎn)考慮體形小巧輕便、天線收放方便、密封防水性電磁兼容性好等因素。標(biāo)志信息接收器的結(jié)構(gòu)主要由前蓋盒體和后蓋盒體組成，采用鋁合金件，輕便結(jié)實(shí)。在前蓋盒體的外部安裝有有機(jī)玻璃面板和薄膜開關(guān)按鈕。在內(nèi)部還留有與計(jì)算機(jī)連接的通信接口。在前蓋盒體上開有蜂鳴器的出音孔，前蓋體內(nèi)部安裝固定顯示屏及電路板。在后蓋體的上側(cè)面安裝旋轉(zhuǎn)天線。在后蓋體的下面開有電池倉(cāng)口。前后蓋體之間、盒體與電池倉(cāng)蓋之間通過橡膠條來密封防水。標(biāo)志信息接收器由嵌入式單片機(jī)、無(wú)線收發(fā)電路、OLED顯示屏、電源控制電路、鋰亞電池和蜂鳴器等部分組成。
2.4項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)或系統(tǒng)特點(diǎn)
2.4.1無(wú)線電子信息通訊技術(shù)動(dòng)態(tài)標(biāo)識(shí)。本系統(tǒng)開發(fā)運(yùn)用了無(wú)線電子信息技術(shù)來實(shí)現(xiàn)標(biāo)志系統(tǒng)的標(biāo)識(shí)功能，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)志設(shè)備電子化、信息化。新型電子信息標(biāo)志系統(tǒng)中的三個(gè)分系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交流均通過無(wú)線通信來實(shí)現(xiàn)，無(wú)線通信主要通過采用現(xiàn)有技術(shù)相對(duì)成熟的無(wú)線模塊來實(shí)現(xiàn)。(1)射頻器件選型。標(biāo)志設(shè)備的無(wú)線通信中，由于標(biāo)志旗主要投放至野外或戶外環(huán)境，無(wú)線通信采用電池供電，要求功耗低。同時(shí)受到標(biāo)志旗高度的限制，天線距離地面較近，受周圍環(huán)境影響較大，要求信號(hào)傳輸具有一定的繞射能力，并具有可靠的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制�？紤]到這些原因，系統(tǒng)采用中波無(wú)線模塊。該模塊工作在240～930MHz頻率范圍，接收靈敏度高達(dá)-117dBm(數(shù)據(jù)速率1.2kbps);最大輸出功率20dBm(發(fā)射電流80mA);接收電流18.5mA;提供多種工作模式進(jìn)行功耗管理;數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)可配置;具有數(shù)字接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)功能。(2)通信參數(shù)設(shè)置。標(biāo)志信息注入器、標(biāo)志旗、標(biāo)志信息接收器均采用該模塊。通過單片機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。載波調(diào)制采用高斯頻移鍵控調(diào)制，通過高斯低通濾波器限制頻譜寬度，功率譜更加集中。采用信號(hào)同步字、幀頭檢測(cè)，并采用基于能量分析的載波偵聽技術(shù)和CRC校驗(yàn)來提高無(wú)線通信的可靠性，解決信號(hào)碰撞問題。數(shù)據(jù)傳輸速率與接收靈敏度相關(guān)。數(shù)據(jù)速率越低，接收靈敏度越高，其他條件相同時(shí)傳輸距離也就更遠(yuǎn)。但數(shù)據(jù)速率低，發(fā)射時(shí)間長(zhǎng)，功耗增加。作為接收器，為了能夠捕捉標(biāo)志旗的發(fā)射包，射頻模塊處于接收模式的時(shí)間同樣需要增長(zhǎng)，造成功耗增加。
2.4.2新工藝設(shè)計(jì)制作標(biāo)志旗。新型電子信息標(biāo)志系統(tǒng)中的標(biāo)志旗在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作上運(yùn)用了一些新的工藝。(1)標(biāo)志旗底座的設(shè)計(jì)制作。依據(jù)不倒翁原理，標(biāo)志旗底部設(shè)計(jì)成一半球體最為合理，而整個(gè)設(shè)備的重心點(diǎn)應(yīng)貼近設(shè)備的垂直中心線，重心點(diǎn)到水平地面的垂直距離必須小于底部球體的半徑值。基于這樣的設(shè)計(jì)原則，根據(jù)三維實(shí)體軟件的分析得出結(jié)論，底部的質(zhì)量應(yīng)占整體質(zhì)量的90%以上。對(duì)底座材質(zhì)、外徑大小進(jìn)行過多次分析模擬測(cè)算，加工制作底座選用密度大的材質(zhì)。結(jié)合新的加工工藝，底座采用不銹鋼精密鑄造，配合二次加工成形。(2)標(biāo)志旗支連桿的設(shè)計(jì)制作。標(biāo)志旗支連桿設(shè)計(jì)為一根中空的柔性塑料桿件，這根柔性桿件一方面起支撐作用;另一方面它能過線，將底部電源線引至燈頭部位。在沖擊震動(dòng)的過程中，由于其柔軟特性，在大的沖擊力下它會(huì)發(fā)生形變，從而化解大部分的沖擊力，有效的保護(hù)好燈頭部位的完好性，而在常態(tài)下它又能很好地恢復(fù)原形�；谒耐吨貌僮鞣奖阈�、耐沖擊振動(dòng)性、密封防水性等要求，通過大量材料選型，最終選定采用易恢復(fù)、耐磨強(qiáng)、低溫性能高的新型復(fù)合塑料材料，采用新工藝模具注塑成形制作標(biāo)志旗支連桿。
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