高科技救援：现代通信技术的关键作用

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现代通信技术

通信技术和通信产业是20世纪80年代以来发展最快的领域之一。不论是在国际还是在国内都是如此。这是人类进入信息社会的重要标志之一。

纵观通信的发展分为以下三个阶段：第一阶段是语言和文字通信阶段。在这一阶段，通信方式简单，内容单一。第二阶段是电通信阶段。1837年，莫尔斯发明电报机，并设计莫尔斯电报码。1876年，贝尔发明电话机。这样，利用电磁波不仅可以传输文字，还可以传输语音，由此大大加快了通信的发展进程。1895年，马可尼发明无线电设备，从而开创了无线电通信发展的道路。第三阶段是电子信息通信阶段。从总体上看，通信技术实际上就是通信系统和通信网的技术。通信系统是指点对点通信所需的全部设施，而通信网是由许多通信系统组成的多点之间能相互通信的全部设施。而现代的主要通信技术有数字通信技术、程控交换技术、信息传输技术、通信网络技术、数据通信与数据网、ISDN与ATM技术、宽带IP技术、接入网与接入技术。信息传输技术主要包括光纤通信、数字微波通信、卫星通信、移动通信以及图像通信。

高科技救援行动中，无论是受灾单位和人员直接通话、位置确定、生命状态监控、环境数据监控、远程设备操控、视频监控等，现代通信技术都起着至关重要的作用。

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1.设置通信模块AT指令

AT即Attention，AT指令集是从终端设备（Terminal Equipment，TE）或数据终端设备（Data Terminal Equipment，DTE）向终端适配器（Terminal Adapter，TA）或数据电路终端设备AT（Data Circuit Terminal Equipment，DCE）发送的。用户可以通过AT指令对通信模块进行呼叫、短信等方面的控制，或对通信模块进行设置。

◆每个通信模块都有一个自己独特的MAC地址（Media Access Control Address，也叫物理地址、硬件地址），通常表示为12个16进制数，如：00-16-EAAE-3C-40，MAC地址就如同身份证上的身份证号码，具有唯一性。请你利用AT指令集中的相应指令编写一段程序，查询一个蓝牙模块的MAC地址。

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◆互动反馈

我们小组在探究这个问题时遇到的困难是：________________________________

2.建立信号发射系统

蓝牙技术是一种无线数据和语音通信开放的全球规范，它是基于低成本的近距离无线连接，为固定和移动设备建立通信环境的一种特殊的近距离无线技术连接。我们用蓝牙模拟定位信号发射源，如卫星定位系统失效时，需要用到的临时信号发射塔或高空气球，将一个蓝牙模块设置为从设备通电后即可发出信号。

◆你都知道有哪些设备包含有蓝牙模块？

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◆你所使用的蓝牙模块工作电压是多少？

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◆互动反馈

我认为在这个探究活动中，我们小组内________同学发挥了引领作用，理由是：_____________________________________________________________________

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常见定位技术

目前，常见的定位技术主要有：全球定位、基站定位、WiFi定位、IP定位、RFID/二维码等标签识别定位、蓝牙定位、声波定位、场景识别定位等。

在日常生活中最常见的车辆、手机、智能手表定位等，使用的是全球定位技术。全球定位技术主要的提供商有美国GPS、俄罗斯GLONASS、中国北斗和欧盟GALILEO。全球定位技术的原理是使用24颗地球同步卫星，使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。

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1.制作便携式定位设备

定位设备就是被定位的目标，它需要被“受灾单位”携带，对“受灾单位”的定位其实就是对该设备的定位。此设备需要有一个接收装置，可以接收3个发射塔的信号，还需要有一个发射装置，将自身的坐标值发送给救援指挥系统。

◆便携式定位设备的接收功能由什么模块提供，具体型号和设置要点是

______________________________________________什么？

◆便携式定位设备的发射功能由什么模块提供，具体型号和设置要点是什么？

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2.实现定位并计算坐标值

定位设备接收装置是一个被设置为“主设备”的蓝牙模块，它可以检测到周围蓝牙模块的信号强度值，单片机的程序里事先建立好了直角坐标系，记录了3个信号塔的坐标位置，通过将信号强度值代入公式计算，即可得到“主设备”的坐标值。

◆为什么我们使用的定位技术需要至少3个信号发射塔？

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便携式定位设备的计算功能由什么模块提供，具体型号和程序要点是什么？

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我认为在探究这个问题时，遇到的最大困难是____________________，最后解决的方法是：_____________________________________________________________

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LCD、LED、OLED、QLED的区别

在OLED显示器成熟之前，LCD显示器是主流的显示设备。LCD是Liquid Crystal Display，即液晶显示屏，其构造是在两片平行的玻璃基板之间放置液晶盒，下基板玻璃上设置薄膜晶体管，上基板玻璃上设置彩色滤光片。通过控制薄膜晶体管上液晶分子的转动方向，来控制每个像素点上偏振光线的通过与否，从而达成显示的目的。LCD本身是不发光的，需要额外的光源，如背光或边缘光。常见的电脑LCD显示器和LCD电视，就是由白色LCD光源加上LCD面板构成的。

LED是发光二极管Light-Emitting Diode，与OLED写法很相近，但实际上差别非常大。LED显示屏是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，靠灯的亮灭来显示字符。其发光原理是利用半导体中电子与电洞结合时，将释放的能量以光子的形式释出而发光。在液晶显示屏中，LED只发出白光，利用上基板玻璃上的彩色滤光片，呈现出彩色。让LED发出白光的方式有2～3种，每种都需要用到蓝光LED。红、橙、黄、绿、翠绿LED很早就发明了，而高亮度蓝光LED到1993年才发明，其发明者获得了2014年诺贝尔物理学奖。

独立使用的LED，如LED广告屏等，以红光LED较为常见，如下图所示。

OLED（Organic Light-Emitting Diode），即有机发光二极管。OLED是一种快速崛起的新技术，很可能成为LED的替代者。OLED是通过电流驱动有机薄膜来发光的，可以发出红、绿、蓝和白等单色光，因此可以组合成全彩光，OLED可以自发光的，不需要额外光源。OLED面板还具有可弯曲的特点，这是LED面板完全无法做到的地方，现在许多可折叠屏幕都是用OLED制作的。

QLED（Quantum Dot Light Emitting Diodes），量子点发光二极管是指由耶鲁大学的物理学家马克·里德命名的量子点（Quantum Dots），它具体是指一些肉眼无法看到的、极其微小的半导体纳米晶体，通常说来，量子点是由锌、镉、硒和硫原子组合而成。它也是一种粒径不足10纳米的颗粒，如果将其制作成量子点薄层，并将该层置入液晶显示器（LCD）的背光模组（BLU，Backlight Unit）中，以期相较于未使用量子点薄层的液晶显示器，就更能降低背光亮度落失及RGB彩色滤光片（Color filter）的色彩串扰（Cross talk），进而得到更佳的背光利用率及提升显示色域空间（Color gamut）的优点的方式，而此种方式的应用也同样使用于拥有彩色滤光片设计的白光、蓝光或紫外光（UV）的有机发光二极管（OLED）显示器或电视设备。

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建立救援指挥中心，并显示坐标值

在定位装置上安装第二个蓝牙模块，该模块的作用是将单片机计算得到的坐标值发送出去。利用另一组单片机和蓝牙模块作为接收设备，可接收到该坐标值，同时安装一个OLED显示器，可以将接收到的坐标值显示出来。

◆将定位装置放置在场地的正中央，写下此时你接收到的坐标值。

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你使用的OLED显示屏有多少个横点和多少个纵点？

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◆将第二个定位装置放置在场地的左下角，写下此时你接收到的坐标值。

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救援机器人

救援机器人是为救援目的而研制的机器人设备。针对不同的救援场景，所需的救援机器人也不尽相同，如地震救援机器人、战场救援机器人、火灾救援机器人、核灾难救援机器人等。不同应用场景也意味着不同的功能设计，如地震救援机器人往往用于地震后在废墟中寻找幸存者，这种机器人往往需要较小的体积，较轻的重量，需要配备作业机械臂、彩色摄像机、生命探测仪和通信系统等。(www.xing528.com)

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1.设计救援机器人

设计救援机器人，并利用机械零件和电机装配本体，然后根据功能设计为其安装电子模块，如单片机、蓝牙模块、摄像头以及电源等。

◆请画出你设计的救援机器人的结构简图。

◆你设计的救援机器人使用了多少个电机，分别是什么电机？

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2.救援机器人遥控

利用蓝牙模块可以和手机进行连接，并利用手机App实现对机器人的遥控。

◆请你画出你设计的手机App遥控界面。

◆你设计的遥控命令分别用什么字符代表？

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我认为在这个探究活动中，我们小组内________同学表现最佳，理由是：

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无线视频监控

无线视频监控概念就是指不用布线（线缆）而利用无线电波来传输视频、声音、数据等信号的监控系统。无线视频监控分为模拟微波传输和数字微波传输。在无线视频监控系统中，摄像头是最前端、最基础、投资数量最大的一个产品，也是最关键设备，它负责对监视区域进行摄像并转换成电信号，再进一步用于传输，其质量直接影响视频监控系统的整体应用，同时还关系到工程造价。

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1.搭建Wi-Fi网络

使用无线路由器提供一个Wi-Fi信号，将摄像头安装在无线路由器上构成一个无线视频采集设备。

◆大家日常上网都会用到Wi-Fi，那么请你查阅资料弄清楚：Wi-Fi的全称是什么？它采用的标准是什么？该标准的含义又是什么？

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◆你查阅了什么资料，在哪里查的？

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2.传输视频画面

在手机上安装对应的Wi-Fi视频App，实现在手机上显示监控画面。

◆项目中用到的摄像头是CMOS摄像头，请你查阅资料确定CMOS摄像头的特点，以及与CCD摄像头的区别。

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◆通过实验确定本项目中使用的Wi-Fi路由器的覆盖范围，将实验方法、过程和结果写下来。

示例：探讨Wi-Fi强信号的覆盖范围，实验方法：手机连接Wi-Fi路由器，以路由器为圆心，沿射线方向移动，过程中观察Wi-Fi强度变化，当强度由满格变为3格时，记录此时离圆心的距离，该半径就是Wi-Fi强信号的覆盖范围。

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传感器

传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

DHT11数字温湿度检测模块，是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，每个DHT11模块都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数。

红外热释电传感器可用于检测人体。它的探测元件主要是由高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成。人体辐射的红外线中心波长为9～10 μm，而探测元件的波长灵敏度在0.2～20 μm范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7～10 μm，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其他波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。

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◆在定位装置上增加一个温湿度传感器，使其能够获取环境温湿度数据。请你记录一下你所处的环境下的温度和相对湿度。

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地震救援

地震救援主要是指迅速搜索与营救由于地震造成的建筑物破坏而被压埋人员的举动。在地震发生后展开救援的第一步是搜索工作。而在搜索之前必须要进行正确的区域、场所的划分和设定，现场必须实施警戒，严格控制人员出入，设立工作区、装备区、指挥部等，这样才能提供良好的搜索环境，提高搜索效率。能带来更多人员的幸存。

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设置好地震高科技救援模拟场地，放置好“受困人员”模型、障碍等，“受困人员”持有便携式定位仪。

地震发生后，通信中断，临时定位信号发射设备安装在紧急竖立的信号塔上或搭乘热气球升空，为便携式定位仪提供定位信号。救援指挥部成立，在救援指挥部的屏幕上可以显示“受困人员”的坐标和环境温湿度信息，救援人员在指挥部视频遥控救援机器人进入震区。救援指挥部的屏幕上可以显示救援机器人的定位信息，从而判断救援机器人与“受困人员”的位置关系。

救援机器人来到“受困人员”附近，利用生命探测仪对“受困人员”进行精确定位，然后搬开障碍，救出“受困人员”，并返回救援指挥部。

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◆在这个高科技救援方案的设计中，你认为还有哪些需要注意的问题以及可以改进的地方？

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活动评价表

（续表）

评价等级：优、良、中、差