智能型北斗搜救报位仪及其搜救报位方法

摘要

本发明公开了一种智能型北斗搜救报位仪，包括北斗RDSS模块、北斗RNSS模块、北斗RDSS天线、北斗RNSS天线、微控制器MCU和供电电源，其特征在于：还包括气压/温度传感器、海水传感器、加速度传感器、SOS一键呼叫开关和语音播放单元；所述的气压/温度传感器、加速度传感器分别连接至微控制器MCU的I2C接口，所述的海水传感器和SOS一键呼叫开关连接至微控制器MCU的中断检测管脚，所述的语音播放单元连接至微控制器MCU的SPI接口；本发明的北斗搜救报位仪能够通过多种方式如加速度检测、气压差检测、温度差检测、海水检测、手动呼救按钮SOS等在飞行员跳伞瞬间及以后发出求救信息，及时向指挥站报告飞行员当前位置，并给出信息报送成功声光提示。

说明书

技术领域

本发明属于飞行员救生系统中的北斗救生报送设备，具体涉及一种利用我国的北斗通信卫星链路将遇险人员的各种信息上报给指挥站的搜救报位仪及其搜救报位方法。

背景技术

当前海军航空兵飞行人员在海上遇险跳伞离机后，主要使用伞包内手持救生电台的无线电应急示位信标进行示位，然后依靠搜索引导飞机或搜救直升机完成对无线电应急示位信标的定位和位置报告。由于无线电应急示位信标的示位覆盖范围只有120公里，因此搜索引导飞机或搜救直升机至少需要飞入该范围才有可能接收到无线电应急示位信标的信号，并进一步通过连续载波定向、询问位置坐标和自主测向测距等方式定位无线电应急示位信标的位置。完成定位后，搜索引导飞机或搜救直升机才能通过话音通信，向岸基指挥所或附近搜救兵力报送定位信息，可见，现有海军航空兵飞行员遇险时的报警和通信手段，只是解决了我军航空搜救能力的有无问题，与国际上先进的遇险飞行员报警和通信手段相比，还存在很大差距，并且，在出现飞行员伞包丢失的情况下还会导致遇险人员的完全失联。随着我国北斗卫星的不断发射，利用北斗通信进行遇险人员营救的设备也不断出现，但存在一个问题，现有的北斗救生设备启动方式都很单一，往往只有一种SOS手动启动方式，而被救援人员往往在出事后会处于昏迷状态，无法手动启动救援装置；还有，一些通用的北斗救援设备都存在体积大、重量重、待机时间短、不适合飞行员配戴等缺点。所以，急需研制一款具有国际先进水平的复合使用环境的高效救生设备。

发明内容

本发明的目的在于克服现有北斗救生装置启动方式单一，容易失效的不足，提出了一种北斗搜救报位仪及其搜救报位方法，一套设备实现了多种传感器在救生条件下的智能触发，并具有节约电能，延长报位时间等优点。

本发明的具体技术方案如下：

智能型北斗搜救报位仪，包括北斗RDSS模块、北斗RNSS模块、北斗RDSS天线、北斗RNSS天线、微控制器MCU和供电电源，其特征在于：还包括气压/温度传感器、海水传感器、加速度传感器、蓝牙数传单元、SOS一键呼叫开关和语音播放单元；所述的气压/温度传感器、加速度传感器分别连接至微控制器MCU的I2C接口，所述的海水传感器和SOS一键呼叫开关连接至微控制器MCU的中断检测管脚，所述的蓝牙模块连接至微控制器MCU的串口，所述的语音播放单元连接至微控制器MCU的SPI接口。

上述智能型北斗搜救报位仪中，微控制器MCU内置传感器检测单元、状态判断单元、发送处理单元、重发处理单元、RDSS/RNSS驱动单元、语音驱动单元和电源控制单元；

所述的传感器检测单元检测气压/温度传感器、海水传感器、加速度传感器和SOS一键呼叫开关的触发状态，并将触发标记传送给状态判断单元；

所述的状态判断单元对各个触发标记按照优先级进行排序处理，并将处理结果发送给发送处理单元；

所述的重发处理单元在发送处理单元发送不成功的状态下，对信息进行重新排序、编辑、打包处理后，再次发送给发送处理单元；

所述的RDSS/RNSS驱动单元将来自发送处理单元的信息与IC卡认证信息打包后发送给RDSS/RNSS模块，并通过北斗RDSS天线将信息发送给北斗卫星，通过北斗RDSS/RNSS天线接收来自北斗卫星的信号；

所述的语音驱动单元驱动语音播放单元进行语音播报，所述的电源控制单元根据设定的程序打开和关闭传感器的电源。

上述智能型北斗搜救报位仪中，北斗搜救报位仪还包括蓝牙通信模块，所述的蓝牙通信模块与遇险人员配置的心率计、手环或其它智能蓝牙设备互联，并将蓝牙设备的信息通过发送处理单元发送至北斗卫星。

上述智能型北斗搜救报位仪中，海水传感器为两只镀金插针，一只通过电阻下拉到低电平，一只电阻上拉到高电平，并分别连接至微控制器MCU中断管脚。

上述智能型北斗搜救报位仪中，语音播放单元包括语音芯片、功放和喇叭。

上述智能型北斗搜救报位仪中，气压/温度传感器采用复合型传感器BMP180；加速度传感器为MPU6050三轴加速度MEMS传感器。

上述智能型北斗搜救报位仪中，SOS一键呼救呼叫开关一端接入高电平，一端通过电阻拉向低电平，同时拉向低电平的一端接入MCU的中断管脚。

上述智能型北斗搜救报位仪中，气压/温度传感器、加速度传感器分别连接至微控制器MCU的I2C接口，所述的语音播放单元连接至微控制器MCU的SPI接口，所述的海水传感器和SOS一键呼叫开关连接至微控制器MCU的中断检测管脚。

上述智能型北斗搜救报位仪中，北斗搜救报位仪为臂章式外形结构，用臂戴佩戴至人体的大臂。

利用上述智能型北斗搜救报位仪进行搜救报位的方法，包括以下步骤：

[1]北斗搜救报位仪系统上电，开启微控制器MCU和加速度传感器、气压/温度传感器的电源；

[2]微控制器MCU随时通过中断方式判断SOS一键呼叫开关信号，一旦SOS呼叫开关按键按下时，MCU被唤醒，搜救报位仪打开北斗RDSS模块和北斗RNSS模块的电源发送求救信息，同时打开语音播放单元的电源进行语音播报；当完成这一系列动作后，搜救报位仪关闭北斗RDSS模块、北斗RNSS模块和语音播放单元的电源，并使MCU进入低功耗模式；

[3]当加速度传感器的幅值达到设定的门限时，搜救报位仪打开北斗RDSS模块和北斗RNSS模块的电源发送求救信息，同时打开语音播放单元的电源进行语音播报；当完成这一系列动作后，关闭北斗RDSS模块、北斗RNSS模块、语音播放单元和加速度传感器的电源；

[4]打开气压/温度传感器的电源，如果温度和气压变化达到设置的门限时，搜救报位仪打开北斗RDSS模块和北斗RNSS模块的电源发送求救信息，同时打开语音播放单元的电源进行语音播报；当完成这一系列动作后，关闭北斗RDSS模块、北斗RNSS模块、语音播放单元和气压/温度传感器的电源。

本发明具有的技术效果如下：

1、本发明的北斗搜救报位仪是飞行员救生报位系统中的关键子系统，能够通过多种方式如：加速度检测、气压差检测、温度差检测、海水检测、手动呼救按钮SOS等在飞行员跳伞瞬间及以后发出求救信息，及时向指挥站报告飞行员当前位置，并给出信息报送成功声光提示。

2、本发明采用智能化节电控制设计，根据遇险的可能状况智能控制传感器的加电和断电顺序，最大限度地节约了电能，延长了报位时长。同时采用低功耗元器件，减小了系统的功耗。

3、本发明可通过蓝牙设备，与报位人员配置的心率计、手环的蓝牙设备互联，并将蓝牙设备的信息通过发送处理单元发送至北斗卫星，及时发送报位人员的健康状态。

4、本发明带有语音播报功能，语音播报的内容及音量均可以通过软件编程进行控制，这样就可以根据使用环境随时进行语音内容和音量的调节，并且在遇险人员被营救的过场中，通过语音播报提示遇险人员正在被营救，可以给与一种心理暗示，告诉遇险人员正在营救，可以最大限度的鼓舞他坚持下去。

5、本发明的北斗搜救报位仪为便携式可穿戴北斗救生设备，多种方式触发北斗模块指示灯提示被搜救目标，全方位保障遇险人员得到及时可靠的救护。

附图说明

图1为本发明北斗搜救报位仪的组成原理框图；

图2为本发明北斗搜救报位仪MCU内部软件模块组成原理图；

图3为本发明北斗搜救报位仪的结构组成图；

图4为本发明北斗搜救报位仪电源控制时序原理框图；

图5为本发明北斗搜救报位仪电源控制电路图。

附图标记如下：1.LED指示灯 2.SOS呼救键 3.电源开关键 4.蓝牙开关键 5.SIM卡 6.USB插座 7.密封圈 8.喇叭 9.遇水触点开关 10.USB防水塞 11.上壳 12.RDSS天线13.RNSS天线 14.加速度传感器 15.微控制器MCU 16.蓝牙模块 17.气压/温度传感器 18.电池 19.下壳 20.螺钉孔塞 21.在线下载触点。

具体实施方式

为了实现准确的搜救定位，本发明采用北斗RDSS与北斗RNSS的组合定位。RDSS系统作为我国自主研制的第一代卫星定位系统，其覆盖范围为亚太地区。在RDSS系统覆盖范围的边缘区域，如纬度5°N～55°N，55°E～75°E，145°E～160°E，由于终端设备仅能与1颗RDSS卫星建立通信连接，此时终端设备仅具有短报文通信功能，无法利用RDSS系统进行定位。因此，为了使北斗搜救报位仪能够在RDSS全部覆盖范围内都能够提供遇险人员位置信息，报位机同时具有RDSS和RNSS两部分功能。

传统的北斗搜救报位仪包括北斗RDSS模块、北斗RNSS模块、北斗RDSS天线、北斗RNSS天线、北斗IC卡、微控制器MCU和供电电源，北斗RDSS模块和北斗RNSS模块通过串口与微控制器MCU联接，并将认证信息存储在北斗IC卡中。

如图1和图2所示，本发明的北斗搜救报位仪包括气压/温度传感器、海水传感器、加速度传感器、SOS一键呼叫开关和语音播放单元；所述的微控制器MCU内置传感器检测单元、状态判断单元、发送单元、重发单元、RDSS/RNSS驱动单元、语音驱动单元和电源控制单元；其中传感器检测单元检测气压/温度传感器、海水传感器、加速度传感器和SOS一键呼叫开关的触发状态，并将触发标记传送给状态判断单元；状态判断单元对各个触发标记按照优先级进行排序处理，并将处理结果发送给发送处理单元；重发处理单元在发送处理单元发送不成功的状态下，对信息进行重新排序、编辑、打包处理后，再次发送给发送处理单元；RDSS/RNSS驱动单元将来自发送处理单元的信息与IC卡认证信息打包后发送给RDSS/RNSS模块，并通过北斗RDSS天线或北斗RNSS天线将信息发送给北斗卫星；语音驱动单元驱动语音播放单元进行语音播报，电源控制单元根据设定的程序打开和关闭传感器的电源。

本发明的北斗搜救报位仪采用了多种呼救触发方式，包括加速度检测、气压差检测、温度差检测、海水检测、手动SOS。飞行员在从机舱弹射的瞬间，加速度会在4～5秒内迅速上升到9.5g以上，这使得检测加速度成为遇险飞行员触发北斗报送的一种方法，北斗搜救报位仪内部的加速到检测模块，一旦检测到加速度的瞬变，便会触发北斗RDSS模块对外发送求救信息，直到信息发送成功为止；飞行员在从机舱弹射的瞬间，机舱内外的气压差会有很大的变化，机舱内基本保持一个大气压1000hPa，机舱外的气压是随着高度的变化而减小的，海拔高度每增加8.43m，气压减小1hPa，同样的道理，通过气压传感器检测气压变化，一旦发现气压变化率大于一定的阈值，便启动北斗RDSS模块发送求救信息；飞行员在弹出机舱后，每下降1000米，温度会变化6.5度，而一般飞行员在跳伞过程中有5～6分钟便会落到地面，利用短时间的温度差变化检测，也可以判断飞行员遇险，从而触发北斗RDSS模块发送求救信息；如果飞行员落入大海，可以触发救生报位机的遇水开关，触发北斗RDSS模块发送求救信号；还有一种求救信号的发送就是SOS按钮触发，只要遇险人员用手按动SOS呼救键，便会触发北斗RDSS模块发送求救信号。各种触发方式的组合，确保北斗求救信号的发送，保证遇险人员及时营救。

本发明的北斗搜救报位仪中北斗RDSS模块采用润芯RXM608超小型邮票口封装的射频基带一体化模块，需要发射的求救信息通过串口通信从MCU发送到北斗RDSS模块，北斗RDSS模块通过与北斗一代IC卡交互，对求救信息添加可认证的信息部分并进行信息打包，打包了IC卡认证信息的求救信息通过北斗RDSS模块的L频点发送给北斗RDSS天线的发射部分，发射天线将信息发送给北斗卫星，北斗卫星通过认证后将信息发送给指挥站，指挥站在收到求救信息后对发送系统进行信号应答，应答的链路是从指挥站到卫星，从卫星到北斗RDSS天线的接收部分，接收天线将信号通过S频点发送给北斗RDSS模块，同样的道理，模块通过与北斗一代IC卡进行交互对信息进行认证，认证无误的信息通过北斗RDSS模块发送给MCU，这是MCU可通过语音播报保送“求救信号已发送成功，等待救援”的提醒信息。

北斗RNSS模块采用中科微ATG336H‐5N超小型邮票口封装的射频基带一体化模块，北斗RNSS模块只接收卫星信号。北斗RNSS接收天线将接收到的北斗卫星信号通过B1/L1频点发送给北斗RNSS模块，北斗RNSS模块通过内部算法解析出当前位置及速度信息，并将解析出的信息通过串口通信以1Hz的频率发送给MCU，MCU通过综合分析后可将被搜救人员的位置及速度信息通过RDSS模块发送给指挥站。

温度和气压检测部分采用复合型传感器BMP180，此传感芯片带有I2C数据接口，MCU每200mS通过I2C接口读取一次温度和气压的实时参数。

海水检测部分通过两个镀金插针，插针A通过10k电阻下拉到低电平，插针B通过10k电阻上拉到高电平并同时接MCU的中断管脚，当雨水时，插针A和插针B导通，插针B被拉为低电平，MCU产生中断，这时海水检侧成功。

加速度检测部分采用MPU6050三轴加速度MEMS传感器，可同时检测X、Y、Z三个方向的加速度变化，MPU6050与MCU之间采用I2C接口，MCU每100mS读取一次加速度值，并对三轴加速度做均方根运算，得出最终的加速度变化值。

SOS一键呼救按键一端接入高电平，一端通过10k电阻拉向低电平，同时拉向低电平的一端接入MCU的中断管脚并同时通过一个开关管的基极控制电源的打开，所以SOS键即可以打开电源，也可以发出SOS呼救。在被搜救人员按下SOS键时，按键两端短路，MCU中断管脚被拉低，这时MCU响应SOS中断，发出求救信息。

本设备具有北斗通信方式和蓝牙通信方式。两种通信方式均为双向通信方式。北斗模块可以向指挥站上报求救信息，同时也可以接收指挥站的下法命令；蓝牙模块可以接收其它蓝牙设备的信息，同时也可向其它蓝牙设备发送信息。蓝牙通信部分采用有人USR‐BLE101蓝牙模块，此蓝牙模块体积小并带有内置天线，在空旷地区通信距离可达80米，蓝牙模块与MCU之间通过串口通信，并且蓝牙模块有一个wake‐up端口与外部按键连接，当蓝牙模块在不工作时处于低功耗模式，当需要蓝牙模块工作时，按下蓝牙按键，蓝牙模块启动搜索附近蓝牙信号，并将接收到的信号通过串口发送给MCU。如果遇险人员配备有心率计、手环等可测量生命体征的蓝牙设备，可通过与本设备进行蓝牙通信，将生命体征信息传递给本设备，本设备再通过北斗RDSS模块将信息上报到指挥站。

语音部分采用SYN6288语音合成芯片，可对输入汉字进行语音合成，语音芯片与MCU之间通过串口连接，当需要发送语音消息时，MCU通过串口将指令发给SYN6288，SYN6288进行语音合成后驱动功放芯片HJX9002将模拟的语音信号进行放大，放大后的语音信号直接驱动3W喇叭进行语音播报。

图2中MCU的各个组成部分的功能如下：

一、传感器检测单元

按照一定次序依次检测各个传感器是否处于触发状态，如果每个传感器已触发，则做触发标记，并将标记传送给状态判断单元。

二、状态判断单元

状态判断单元对各个触发标记按照优先级进行排序处理，并将处理结果发送给发送处理单元。

三、发送处理单元

发送处理单元根据时间、信息来源等对要发送的内容进行选择、编辑、处理，并标记是否发送成功，如果发送不成功，则调用重发处理单元。

四、重发处理单元

在发送不成功的状态下，重发处理单元对信息进行重新排序、编辑、打包处理后，再次发送给发送处理单元。

五、RDSS/RNSS驱动单元

RDSS/RNSS驱动单元对来自发送处理单元的信息进行处理，并发送给RDSS模块，同时判断相关状态位。

六、语音驱动单元

语音驱动单元根据发送信息的内容、是否发送成功等判断条件，以及预先外置的一些条件，配置语音芯片及功放，驱动喇叭进行一定的语音播报。

七、蓝牙控制单元

控制蓝牙模块开关，当蓝牙模块被打开时，进行蓝牙模块设置，搜索蓝牙信号，与其它蓝牙设备进行配对链接，接收来自其它蓝牙设备的信息或命令，并通过北斗模块发送蓝牙信号。

八、电源控制单元

根据设定的时序，控制各个传感器及MCU外围设备的开关顺序及开启时长，智能控制设备用电量，起到降低功耗，延长报位时长的作用。

图3为本发明北斗搜救报位仪的具体结构，可以看出，上壳11上包括LED指示灯1、SOS呼救键2、电源开关键3和蓝牙开关键4，下壳19上包括电池18、下壳19、螺钉孔塞20、在线下载触点21、喇叭8、遇水触点开关9、USB防水塞10，上壳11和下壳19之间设置有密封圈7，机芯包括RDSS天线12、RNSS天线13、加速度传感器14、微控制器MCU15、蓝牙模块16和气压/温度传感器17。

如图4和图5所示，为了延长报位时间，本发明的搜救报位仪采用了低功耗系统。系统采用低功耗主控CPU，内部使用八个电源开关控制各个模块的供电。开关1、开关2为手动物理开关，用于打开设备电源，开关3位智能控制开关，可通过软件控制实现关机；开关4用于控制北斗RDSS模块电源，在RDSS模块不需要工作时，可通过软件控制关闭模块电源；开关5为北斗RNSS的智能电源控制开关；开关6为蓝牙功能模块的智能电源控制开关；开关7为加速度模块和气压/温度模块的智能电源控制开关；开关8为语音及功放部分的智能电源控制开关，通过上述开关2～开关8的智能控制，可以最大限度的节约系统耗电量，使整个系统在待机状态下只有3.6mW的功耗。

图5的电路工作原理如下：

系统采用STM32L151CB低功耗MCU作为主控芯片，此芯片在进入低功耗模式时，耗电电流可达1mA以下。电源控制部分采用三个S8050开关管控制，当开关键K2按下时，Q3打开，BAT+通过Q1给系统供电，这时连接到MCU管脚的ON‐OFF端被拉高，MCU开始计时，当计时到3秒时，连接到MCU的PWR‐ON端拉高并一直保持高电平，这时放开开关键，BAT+通过Q1给系统常供电；当系统在供电过程中，当开关键K2按下时，这时连接到MCU管脚的ON‐OFF端被拉高，MCU开始计时，当计时到3秒时，连接到MCU的PWR‐ON端拉低并一直保持低电平，这时放开开关键，Q1关断实现关机。同样的道理，利用SOS键只实现开机而不关机。这样的智能控制，以保证系统在不工作时，让设备完全断电，系统在工作时，MCU可保持在待机状态。

采用本发明的搜救报位仪可实现一种节能的搜救报位的方法，具体步骤如下：

一、系统在刚上电时，只打开MCU和加速度模块、温度和气压检测模块的电源。

二、当飞行员在紧急跳伞时，加速度模块开始检测加速度，当加速到到达一定的门限时，系统打开RDSS模块的电源发送求救信息，同时打开语音模块电源进行语音播报，当完成这一系列动作后，系统立刻关闭RDSS模块和语音模块的电源，并同时关闭加速度模块电源。

三、系统在打开加速度模块电源的同时打开气压/温度传感器模块的电源，检测加速度的同时也在采样气压及温度数据，当系统检测到气压差变化超过一定阈值时，这时，如果加速度测量没有启动求救系统，系统打开RDSS模块的电源发送求救信息，同时打开语音模块电源进行语音播报，当完成这一系列动作后，系统立刻关闭RDSS模块和语音模块的电源；当系统检测到温度差变化超过一定阈值时，这时，如果加速度测量、气压测量都没有启动求救系统，系统打开RDSS模块的电源发送求救信息，同时打开语音模块电源进行语音播报，当完成这一系列动作后，系统立刻关闭RDSS模块和语音模块的电源，并同时关闭气压和温度传感器电源。

四、系统中的蓝牙模块属于自休眠模块，其在休眠状态下的电流只有2uA，只有认为按下蓝牙按键时才会启动蓝牙模块，当蓝牙信息传送完毕时，蓝牙模块会自动进入低功耗模式。

五、这个系统在待机模式下，只打开MCU电源，并使MCU进入低功耗的待机模式，SOS的按键检测端口采用的是MCU的中断唤醒端口，当有SOS按键接收事件时，MCU被唤醒，这时系统打开RDSS模块的电源发送求救信息，同时打开语音模块电源进行语音播报，当完成这一系列动作后，系统立刻关闭RDSS模块和语音模块的电源，并使MCU进入低功耗模式。

此外，本发明还针对传统的报位仪进行了以下部分改进：

一、符合人体力学的臂章式外形结构

采用臂章式的结构设计，贴合人体大臂，用臂戴佩戴式安装，方便舒适。

二、防水的MicroUSB充电及数据接口

采用通用的MicroUSB接口，既可以进行数据通信时给设备充电，也可以单独配置USB充电器给设备充电，非常的方便实用。1‐6的USB插座、1‐10的USB防水塞。

三、可编程的语音播报

本发明带有语音播报功能，语音播报的内容及音量均可以通过软件编程进行控制，这样就可以根据使用环境随时进行语音内容和音量的调节，并且在遇险人员被营救的过场中，通过语音播报提示遇险人员正在被营救，可以给与一种心理暗示，告诉遇险人员正在营救，可以最大限度的鼓舞他坚持下去。

四、智能升级系统

本发明如果要对内部的CPU程序进行升级，只需要将壳体外部的在线下载触点短接，就可以通过USB接口更新程序了。更新完程序，设备断电重启动，就完成了整个设备程序的升级。

本发明属于便携式可穿戴北斗救生设备，多种方式智能触发北斗模块及时发出呼救信息，可设置的语音提示对遇险人员进行心理鼓励及安慰，指示灯提示被搜救目标，全方位保障遇险人员得到及时可靠的救护。