新型电子信息标志系统的开发研究论文
1系统开发背景
生活中危险事故经常发生，例如火灾、有毒有害气体泄漏、发现不明可疑危险物体、传染性疾病、核辐射污染等，这些都可能危及到社会、国家、公民的安危。为了避免危险区域对人身财产造成更大的损害，应当及时在事故发生区域进行有效的警示、标识。目前这类警示、标识的方法很简单，大多采用挂警示带、投放警示桶、摆放危险警示牌等手段，方法较简单，警示功能效果单一，只能起到静态标志的作用，并受时间、地点、气候等条件限制，标志效果不突出。现有产品或技术条件未能很好地达到标识、警示的目的，在使用时通用性较差、效率较低，容易误入警示区造成不必要的损伤，且对标识区域的信息不能很好的知晓、存贮和传递，并进一步升级处理。
伴随科技的进步发展，在很多危急场所区域都需要运用拥有更多功能的标识设备，提高警示标识效能，如：高速路上的交通事故，尤其是夜晚、雨、雪、大雾天气下发生的交通事故;有不明危险物的特殊场所;存在可疑放射源区域;有可疑爆炸物或是发生过爆炸的区域;有毒、有害区域;刑事案发的刑侦场所;军事区域等。另外，随着军警装备电子化、信息化升级，随着“科技强军、科技强警、构建和谐平安社会”的发展需要，军警的警示标志设备应具有更先进的功能，以适应现代化军警部队在训练、作战、抢险救灾、处理突发事件时对相关区域，特别是三防区域进行标识警示，并对标识信息进行电子信息化处理。
本系统针对现有市场上标志设备产品的落后和不足，提供了一种全新的电子信息标志/警示系统。本技术采用动态标识指示的方式，前端可运用物联网技术，通过不同采集信息的专用设备(如传感器、空气质量检测仪、侦毒器、辐射仪等)采集标志信息(如警示源种类、污染物浓度、辐射剂量率、测定时间、地理坐标等)，将标志信息传给计算机处理后传输给标志信息注入器。注入器可安装于固定场所、侦察或巡逻车辆内部等。在安装有标志信息注入器的地方配备一定数量的标志旗，标志旗依次通电工作，依次写入对应的标志信息。装有光敏元件的标志旗顶部高亮LED灯在雨、雾、雪、霾天气环境下或是光线较弱时开始闪烁警示;在光线较好的环境下标志旗通过上部带有醒目的、可旋转的三角形荧光旗面提供直观警示。标志旗依次通电注入标志信息后，按一定距离间隔投放至需要标识、警示的区域边缘，定时向四周发射无线标志信号。后继相关人员通过手持标志信息接收器对一定距离范围内的标志旗进行识别，提供声光报警，读取接收到的警示标志信息，对标志旗传送的标志信息进行综合处理、应用和掌控。另外，标志信息接收器通过连接计算机，可向计算机软件导入多点(标志旗)标志信息，将警示区域信息2D、3D图形化，指挥人员进行集中的分析、判断、处理。系统具有声、光双向报警的功能、不受时间、天气及使用范围等因素的影响，它具有新型、高效、节能、实用、安全、轻便、适用范围较广的特点。
2主要研究开发内容、技术关键及创新点
2.1主要研究开发内容
本项目研究开发一种全新的电子信息标志系统，它主要由标志信息注入器、标志旗、标志信息接收器三个设备组成，系统的研发主要涉及到这三个分系统设备的相关技术研发。
2.2系统的总体设计
2.2.1系统组成和接口关系。新型电子信息标志系统设备由标志信息注入器、标志旗、标志信息接收器组成，如图1所示。标志信息注入器安装于固定场所内、侦测或巡逻车辆内部等，通过CAN或RS-232总线与主控计算机之间进行数据通信。标志旗通过无线与标志信息注入器、标志信息接收器进行数据通信。
2.2.2工作方式。当确定警示区域或污染区域边界后，主控计算机将标志旗承载信息(如警示源种类、污染物浓度、辐射剂量率、测定时间、地理坐标等)下传到标志信息注入器。侦测人员将标志旗通电，确定正确接收注入器的标志信息后进行投放。投放后的标志旗间歇式无线发射标志信息，并根据环境光强弱判断顶灯是否闪烁。当后继相关人员携带标志信息接收器靠近警示区域时，接收到标志旗信息发出无线信息，发出声光警示，并显示接收到的警示区域标志信息。标志信息接收器通过连接计算机，可向计算机软件导入多点标志信息，将区域信息2D、3D图形化，指挥人员进行集中的分析、判断、处理。
2.3新型电子信息标志系统的分系统设计及其技术关键
2.3.1标志旗。(1)结构及电路设计。标志旗从结构上主要由杆头部和底部两部分组成。标志旗是抗倒伏结构体，有不倒翁效果，这样的功能有利于它的标识效果和无线功能。在装放车辆上，非使用状态的标志旗旗面、灯杆和底座分开放置，节省存放空间，使用时根据受染类型或是警示内容快速上电组装。标志旗总高度为0.5m。旗面采用带有荧光特性塑料薄膜缝制，选用多种鲜艳警示颜色，如红、黄、蓝、白等。旗面为等腰直角三角形，直角向下。在旗面正反两面可印上“警”、“危险”、“注意”等字体。旗帜上装有卡环，安装时通过卡环卡入支连杆头部槽内，旗帜在遇风的状况下可自由旋转。灯杆由顶灯和支连杆组成。顶灯为半球形，具有良好透光性和极佳的机械强度。支连杆由特种塑料注塑成形，为中空柔性杆件。装配时内置无线通信天线和电源线。支连杆使用时与底座连接上电，不用时，杆头部可拔下，便于运输和保存。底座为一金属半球体，有一定的重量，起配重和固定支撑的作用，为主要外部受力部件，内部有电池容纳仓。标志旗电路由嵌入式控制器、驱动电路、电池、LED灯和无线收发电路等组成。(2)质心计算。基于对不倒翁原理的分析，标志旗底部设计为一半球体最为合理，而整个设备的重心点最好在整个设备的垂直中心线上。重心点到水平地面的垂直距离必须小于底部球体的半径值，这样才能保证标志旗在平地上具有抗倒伏效果。设计时运用三维模拟设计软件，将标志旗中的所有零部件按精确的尺寸绘制成三维实体后，赋予材质，精确模拟得到每一个实体零部件的质量及重心坐标点，然后再将这些零部件按约束进行装配，后得到装配体模拟实体，软件计算后可精确得到此装配体的质量和重心。
2.3.2标志信息注入器。标志信息注入器安装固定在特定场所内或侦察、巡逻车辆内部，与控制计算机配合使用。标志信息注入器在结构设计上重点考虑体积小、安装方便、减震效果好等因素。标志信息注入器由嵌入式单片机、无线收发电路、外置天线、接口电路、状态指标灯和电源模块部分组成。
2.3.3标志信息接收器。标志信息接收器在结构设计上重点考虑体形小巧轻便、天线收放方便、密封防水性电磁兼容性好等因素。标志信息接收器的结构主要由前盖盒体和后盖盒体组成，采用铝合金件，轻便结实。在前盖盒体的外部安装有有机玻璃面板和薄膜开关按钮。在内部还留有与计算机连接的通信接口。在前盖盒体上开有蜂鸣器的出音孔，前盖体内部安装固定显示屏及电路板。在后盖体的上侧面安装旋转天线。在后盖体的下面开有电池仓口。前后盖体之间、盒体与电池仓盖之间通过橡胶条来密封防水。标志信息接收器由嵌入式单片机、无线收发电路、OLED显示屏、电源控制电路、锂亚电池和蜂鸣器等部分组成。
2.4项目创新点或系统特点
2.4.1无线电子信息通讯技术动态标识。本系统开发运用了无线电子信息技术来实现标志系统的标识功能，实现了标志设备电子化、信息化。新型电子信息标志系统中的三个分系统之间的数据交流均通过无线通信来实现，无线通信主要通过采用现有技术相对成熟的无线模块来实现。(1)射频器件选型。标志设备的.无线通信中，由于标志旗主要投放至野外或户外环境，无线通信采用电池供电，要求功耗低。同时受到标志旗高度的限制，天线距离地面较近，受周围环境影响较大，要求信号传输具有一定的绕射能力，并具有可靠的数据传输机制。考虑到这些原因，系统采用中波无线模块。该模块工作在240～930MHz频率范围，接收灵敏度高达-117dBm(数据速率1.2kbps);最大输出功率20dBm(发射电流80mA);接收电流18.5mA;提供多种工作模式进行功耗管理;数据包结构可配置;具有数字接收信号强度指示(RSSI)功能。(2)通信参数设置。标志信息注入器、标志旗、标志信息接收器均采用该模块。通过单片机进行参数设置。载波调制采用高斯频移键控调制，通过高斯低通滤波器限制频谱宽度，功率谱更加集中。采用信号同步字、帧头检测，并采用基于能量分析的载波侦听技术和CRC校验来提高无线通信的可靠性，解决信号碰撞问题。数据传输速率与接收灵敏度相关。数据速率越低，接收灵敏度越高，其他条件相同时传输距离也就更远。但数据速率低，发射时间长，功耗增加。作为接收器，为了能够捕捉标志旗的发射包，射频模块处于接收模式的时间同样需要增长，造成功耗增加。
2.4.2新工艺设计制作标志旗。新型电子信息标志系统中的标志旗在结构设计制作上运用了一些新的工艺。(1)标志旗底座的设计制作。依据不倒翁原理，标志旗底部设计成一半球体最为合理，而整个设备的重心点应贴近设备的垂直中心线，重心点到水平地面的垂直距离必须小于底部球体的半径值。基于这样的设计原则，根据三维实体软件的分析得出结论，底部的质量应占整体质量的90%以上。对底座材质、外径大小进行过多次分析模拟测算，加工制作底座选用密度大的材质。结合新的加工工艺，底座采用不锈钢精密铸造，配合二次加工成形。(2)标志旗支连杆的设计制作。标志旗支连杆设计为一根中空的柔性塑料杆件，这根柔性杆件一方面起支撑作用;另一方面它能过线，将底部电源线引至灯头部位。在冲击震动的过程中，由于其柔软特性，在大的冲击力下它会发生形变，从而化解大部分的冲击力，有效的保护好灯头部位的完好性，而在常态下它又能很好地恢复原形。基于它的投置操作方便性、耐冲击振动性、密封防水性等要求，通过大量材料选型，最终选定采用易恢复、耐磨强、低温性能高的新型复合塑料材料，采用新工艺模具注塑成形制作标志旗支连杆。
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