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新型電子信息標志系統的開(kāi)發(fā)研究論文
1系統開(kāi)發(fā)背景
生活中危險事故經(jīng)常發(fā)生，例如火災、有毒有害氣體泄漏、發(fā)現不明可疑危險物體、傳染性疾病、核輻射污染等，這些都可能危及到社會(huì )、國家、公民的安危。為了避免危險區域對人身財產(chǎn)造成更大的損害，應當及時(shí)在事故發(fā)生區域進(jìn)行有效的警示、標識。目前這類(lèi)警示、標識的方法很簡(jiǎn)單，大多采用掛警示帶、投放警示桶、擺放危險警示牌等手段，方法較簡(jiǎn)單，警示功能效果單一，只能起到靜態(tài)標志的作用，并受時(shí)間、地點(diǎn)、氣候等條件限制，標志效果不突出�，F有產(chǎn)品或技術(shù)條件未能很好地達到標識、警示的目的，在使用時(shí)通用性較差、效率較低，容易誤入警示區造成不必要的損傷，且對標識區域的信息不能很好的知曉、存貯和傳遞，并進(jìn)一步升級處理。
伴隨科技的進(jìn)步發(fā)展，在很多危急場(chǎng)所區域都需要運用擁有更多功能的標識設備，提高警示標識效能，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;有不明危險物的特殊場(chǎng)所;存在可疑放射源區域;有可疑爆炸物或是發(fā)生過(guò)爆炸的區域;有毒、有害區域;刑事案發(fā)的刑偵場(chǎng)所;軍事區域等。另外，隨著(zhù)軍警裝備電子化、信息化升級，隨著(zhù)“科技強軍、科技強警、構建和諧平安社會(huì )”的發(fā)展需要，軍警的警示標志設備應具有更先進(jìn)的功能，以適應現代化軍警部隊在訓練、作戰、搶險救災、處理突發(fā)事件時(shí)對相關(guān)區域，特別是三防區域進(jìn)行標識警示，并對標識信息進(jìn)行電子信息化處理。
本系統針對現有市場(chǎng)上標志設備產(chǎn)品的落后和不足，提供了一種全新的電子信息標志/警示系統。本技術(shù)采用動(dòng)態(tài)標識指示的方式，前端可運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)不同采集信息的專(zhuān)用設備(如傳感器、空氣質(zhì)量檢測儀、偵毒器、輻射儀等)采集標志信息(如警示源種類(lèi)、污染物濃度、輻射劑量率、測定時(shí)間、地理坐標等)，將標志信息傳給計算機處理后傳輸給標志信息注入器。注入器可安裝于固定場(chǎng)所、偵察或巡邏車(chē)輛內部等。在安裝有標志信息注入器的地方配備一定數量的標志旗，標志旗依次通電工作，依次寫(xiě)入對應的標志信息。裝有光敏元件的標志旗頂部高亮LED燈在雨、霧、雪、霾天氣環(huán)境下或是光線(xiàn)較弱時(shí)開(kāi)始閃爍警示;在光線(xiàn)較好的環(huán)境下標志旗通過(guò)上部帶有醒目的、可旋轉的三角形熒光旗面提供直觀(guān)警示。標志旗依次通電注入標志信息后，按一定距離間隔投放至需要標識、警示的區域邊緣，定時(shí)向四周發(fā)射無(wú)線(xiàn)標志信號。后繼相關(guān)人員通過(guò)手持標志信息接收器對一定距離范圍內的標志旗進(jìn)行識別，提供聲光報警，讀取接收到的警示標志信息，對標志旗傳送的標志信息進(jìn)行綜合處理、應用和掌控。另外，標志信息接收器通過(guò)連接計算機，可向計算機軟件導入多點(diǎn)(標志旗)標志信息，將警示區域信息2D、3D圖形化，指揮人員進(jìn)行集中的分析、判斷、處理。系統具有聲、光雙向報警的功能、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、節能、實(shí)用、安全、輕便、適用范圍較廣的特點(diǎn)。
2主要研究開(kāi)發(fā)內容、技術(shù)關(guān)鍵及創(chuàng )新點(diǎn)
2.1主要研究開(kāi)發(fā)內容
本項目研究開(kāi)發(fā)一種全新的電子信息標志系統，它主要由標志信息注入器、標志旗、標志信息接收器三個(gè)設備組成，系統的研發(fā)主要涉及到這三個(gè)分系統設備的相關(guān)技術(shù)研發(fā)。
2.2系統的總體設計
2.2.1系統組成和接口關(guān)系。新型電子信息標志系統設備由標志信息注入器、標志旗、標志信息接收器組成，如圖1所示。標志信息注入器安裝于固定場(chǎng)所內、偵測或巡邏車(chē)輛內部等，通過(guò)CAN或RS-232總線(xiàn)與主控計算機之間進(jìn)行數據通信。標志旗通過(guò)無(wú)線(xiàn)與標志信息注入器、標志信息接收器進(jìn)行數據通信。
2.2.2工作方式。當確定警示區域或污染區域邊界后，主控計算機將標志旗承載信息(如警示源種類(lèi)、污染物濃度、輻射劑量率、測定時(shí)間、地理坐標等)下傳到標志信息注入器。偵測人員將標志旗通電，確定正確接收注入器的標志信息后進(jìn)行投放。投放后的標志旗間歇式無(wú)線(xiàn)發(fā)射標志信息，并根據環(huán)境光強弱判斷頂燈是否閃爍。當后繼相關(guān)人員攜帶標志信息接收器靠近警示區域時(shí)，接收到標志旗信息發(fā)出無(wú)線(xiàn)信息，發(fā)出聲光警示，并顯示接收到的警示區域標志信息。標志信息接收器通過(guò)連接計算機，可向計算機軟件導入多點(diǎn)標志信息，將區域信息2D、3D圖形化，指揮人員進(jìn)行集中的分析、判斷、處理。
2.3新型電子信息標志系統的分系統設計及其技術(shù)關(guān)鍵
2.3.1標志旗。(1)結構及電路設計。標志旗從結構上主要由桿頭部和底部?jì)刹糠纸M成。標志旗是抗倒伏結構體，有不倒翁效果，這樣的功能有利于它的標識效果和無(wú)線(xiàn)功能。在裝放車(chē)輛上，非使用狀態(tài)的標志旗旗面、燈桿和底座分開(kāi)放置，節省存放空間，使用時(shí)根據受染類(lèi)型或是警示內容快速上電組裝。標志旗總高度為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、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”、“注意”等字體。旗幟上裝有卡環(huán)，安裝時(shí)通過(guò)卡環(huán)卡入支連桿頭部槽內，旗幟在遇風(fēng)的狀況下可自由旋轉。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械強度。支連桿由特種塑料注塑成形，為中空柔性桿件。裝配時(shí)內置無(wú)線(xiàn)通信天線(xiàn)和電源線(xiàn)。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，內部有電池容納倉。標志旗電路由嵌入式控制器、驅動(dòng)電路、電池、LED燈和無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路等組成。(2)質(zhì)心計算�；趯Σ坏刮淘淼姆治�，標志旗底部設計為一半球體最為合理，而整個(gè)設備的重心點(diǎn)最好在整個(gè)設備的垂直中心線(xiàn)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，這樣才能保證標志旗在平地上具有抗倒伏效果。設計時(shí)運用三維模擬設計軟件，將標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，軟件計算后可精確得到此裝配體的質(zhì)量和重心。
2.3.2標志信息注入器。標志信息注入器安裝固定在特定場(chǎng)所內或偵察、巡邏車(chē)輛內部，與控制計算機配合使用。標志信息注入器在結構設計上重點(diǎn)考慮體積小、安裝方便、減震效果好等因素。標志信息注入器由嵌入式單片機、無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路、外置天線(xiàn)、接口電路、狀態(tài)指標燈和電源模塊部分組成。
2.3.3標志信息接收器。標志信息接收器在結構設計上重點(diǎn)考慮體形小巧輕便、天線(xiàn)收放方便、密封防水性電磁兼容性好等因素。標志信息接收器的結構主要由前蓋盒體和后蓋盒體組成，采用鋁合金件，輕便結實(shí)。在前蓋盒體的外部安裝有有機玻璃面板和薄膜開(kāi)關(guān)按鈕。在內部還留有與計算機連接的通信接口。在前蓋盒體上開(kāi)有蜂鳴器的出音孔，前蓋體內部安裝固定顯示屏及電路板。在后蓋體的上側面安裝旋轉天線(xiàn)。在后蓋體的下面開(kāi)有電池倉口。前后蓋體之間、盒體與電池倉蓋之間通過(guò)橡膠條來(lái)密封防水。標志信息接收器由嵌入式單片機、無(wú)線(xiàn)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項目創(chuàng )新點(diǎn)或系統特點(diǎn)
2.4.1無(wú)線(xiàn)電子信息通訊技術(shù)動(dòng)態(tài)標識。本系統開(kāi)發(fā)運用了無(wú)線(xiàn)電子信息技術(shù)來(lái)實(shí)現標志系統的標識功能，實(shí)現了標志設備電子化、信息化。新型電子信息標志系統中的三個(gè)分系統之間的數據交流均通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信來(lái)實(shí)現，無(wú)線(xiàn)通信主要通過(guò)采用現有技術(shù)相對成熟的無(wú)線(xiàn)模塊來(lái)實(shí)現。(1)射頻器件選型。標志設備的無(wú)線(xiàn)通信中，由于標志旗主要投放至野外或戶(hù)外環(huán)境，無(wú)線(xiàn)通信采用電池供電，要求功耗低。同時(shí)受到標志旗高度的限制，天線(xiàn)距離地面較近，受周?chē)h(huán)境影響較大，要求信號傳輸具有一定的繞射能力，并具有可靠的數據傳輸機制�？紤]到這些原因，系統采用中波無(wú)線(xiàn)模塊。該模塊工作在240～930MHz頻率范圍，接收靈敏度高達-117dBm(數據速率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;數據包結構可配置;具有數字接收信號強度指示(RSSI)功能。(2)通信參數設置。標志信息注入器、標志旗、標志信息接收器均采用該模塊。通過(guò)單片機進(jìn)行參數設置。載波調制采用高斯頻移鍵控調制，通過(guò)高斯低通濾波器限制頻譜寬度，功率譜更加集中。采用信號同步字、幀頭檢測，并采用基于能量分析的載波偵聽(tīng)技術(shù)和CRC校驗來(lái)提高無(wú)線(xiàn)通信的可靠性，解決信號碰撞問(wèn)題。數據傳輸速率與接收靈敏度相關(guān)。數據速率越低，接收靈敏度越高，其他條件相同時(shí)傳輸距離也就更遠。但數據速率低，發(fā)射時(shí)間長(cháng)，功耗增加。作為接收器，為了能夠捕捉標志旗的發(fā)射包，射頻模塊處于接收模式的時(shí)間同樣需要增長(cháng)，造成功耗增加。
2.4.2新工藝設計制作標志旗。新型電子信息標志系統中的標志旗在結構設計制作上運用了一些新的工藝。(1)標志旗底座的設計制作。依據不倒翁原理，標志旗底部設計成一半球體最為合理，而整個(gè)設備的重心點(diǎn)應貼近設備的垂直中心線(xiàn)，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�；谶@樣的設計原則，根據三維實(shí)體軟件的分析得出結論，底部的質(zhì)量應占整體質(zhì)量的90%以上。對底座材質(zhì)、外徑大小進(jìn)行過(guò)多次分析模擬測算，加工制作底座選用密度大的材質(zhì)。結合新的加工工藝，底座采用不銹鋼精密鑄造，配合二次加工成形。(2)標志旗支連桿的設計制作。標志旗支連桿設計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(guò)線(xiàn)，將底部電源線(xiàn)引至燈頭部位。在沖擊震動(dòng)的過(guò)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，有效的保護好燈頭部位的完好性，而在常態(tài)下它又能很好地恢復原形�；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(guò)大量材料選型，最終選定采用易恢復、耐磨強、低溫性能高的新型復合塑料材料，采用新工藝模具注塑成形制作標志旗支連桿。
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