一種基于北斗的戶外便攜式求救終端設(shè)計(jì)

桂林師范高等專科學(xué)校 李 和

桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院 歐陽玉梅

近年來，眾多“驢友”加入戶外探險(xiǎn)運(yùn)動的行列。針對山區(qū)復(fù)雜環(huán)境下移動信號失效時(shí)，遇險(xiǎn)人員無法向外界發(fā)送求救信息的問題，設(shè)計(jì)一款基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位及短報(bào)文功能應(yīng)用的便攜式求救終端設(shè)備。設(shè)備可以通過一鍵呼救按鍵，把遇險(xiǎn)人員的位置信息發(fā)送至救援中心，從而得到精準(zhǔn)快速的救援，對于提高戶外探險(xiǎn)運(yùn)動的安全性具有重要作用。

近年來，眾多“驢友”加入戶外探險(xiǎn)運(yùn)動的行列。但當(dāng)人們沉醉于野外的美景而流連忘返時(shí)，由于野外環(huán)境復(fù)雜以及可能突發(fā)的自然災(zāi)害，經(jīng)常會使得人們陷入險(xiǎn)境，甚至于威脅到生命安全，此時(shí)，時(shí)刻和外接保持聯(lián)系就顯得至關(guān)重要。顯然，出門在外，大多數(shù)人都會攜帶手機(jī)和外界保持通訊，然而，在戶外探險(xiǎn)情況下，周圍環(huán)境復(fù)雜惡劣，經(jīng)常會面臨手機(jī)信號不佳甚至沒有信號的尷尬，這時(shí)人們與外界失去聯(lián)系，這種情況對于身處險(xiǎn)境的人們及搜救人員都是極為不利的。遇險(xiǎn)者想要脫離險(xiǎn)境得到救援，讓外界獲得自身的地理位置信息就尤為重要。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，由空間段、地面段和用戶段三部分構(gòu)成，可在全球范圍內(nèi)為各類用戶提供全天候的高精度定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，同時(shí)具備短報(bào)文通信的能力。本文基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位及短報(bào)文功能應(yīng)用，設(shè)計(jì)一款戶外便攜式求救終端設(shè)備，用戶遇險(xiǎn)時(shí)可以通過一鍵呼救按鍵，把自身的地理位置等信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的發(fā)送至救援中心，從而獲得精準(zhǔn)快速的救援。

1 求救終端的總體結(jié)構(gòu)

基于北斗系統(tǒng)的求救終端設(shè)備主要包括微處理器、存儲器、電源、北斗RNSS定位模塊、北斗RDSS通信模塊、OLED顯示模塊和觸摸按鍵等，其實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

圖1 基于北斗系統(tǒng)的求救終端設(shè)備總體結(jié)構(gòu)

當(dāng)用戶在非遇險(xiǎn)情況下，終端處于休眠待機(jī)狀態(tài)，并可通過OLED液晶顯示屏查看當(dāng)前的位置信息；當(dāng)用戶遇險(xiǎn)需求救時(shí)，可以通過終端上一鍵呼救按鍵，將包含自身位置的求救信息以北斗短報(bào)文的形式發(fā)送出去，衛(wèi)星將接收到的遇險(xiǎn)求救信號轉(zhuǎn)發(fā)到地面搜救中心，實(shí)現(xiàn)報(bào)警求救。

2 救援系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

北斗RNSS（Radio Navigation Satellite System）定位模塊，是用來接收衛(wèi)星無線電導(dǎo)航信號，完成用戶位置、時(shí)間、速度等信息的獲取。本次設(shè)計(jì)北斗定位模塊采用的是和芯星通的UM220模塊，該模塊是雙系統(tǒng)高性能GNSS模塊，能穩(wěn)定快速的接收北斗衛(wèi)星的坐標(biāo)信息，具有低功耗、高靈敏度和高精度的特點(diǎn)，在雙系統(tǒng)水平下定位精度能達(dá)到2.5m CEP。且輸入輸出的電平為LVTTL，與單片機(jī)配合使用無需進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)采用STC15F2K60S2單片機(jī)為主控處理器，控制北斗定位模塊、一鍵呼救模塊、北斗通信模塊及電源模塊、OLED顯示模塊等重要模塊。單片機(jī)系統(tǒng)一方面對北斗RNSS定位模塊送過來的衛(wèi)星無線電導(dǎo)航信號進(jìn)行讀取、解析及綜合處理后，得到用戶的位置、時(shí)間等定位信息并在OLED液晶屏上顯示出來；另一方面，當(dāng)用戶按下一鍵呼救按鍵時(shí)，單片機(jī)負(fù)責(zé)對解析后的定位信息按照標(biāo)準(zhǔn)的北斗短報(bào)文格式進(jìn)行封裝和打包，并將打包和封裝好的用戶定位信息傳送至北斗RDSS通信模塊。

北斗RDSS（Radio Determination Satellite Service）是另一種衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)，其特點(diǎn)是在完成定位的同時(shí)，通過用戶應(yīng)答完成用戶位置向外部系統(tǒng)的報(bào)告，這是北斗系統(tǒng)的重要特色，即北斗短報(bào)文服務(wù)功能。當(dāng)用戶按下一鍵呼救按鍵時(shí)，北斗RDSS通信模塊受單片機(jī)控制啟動，并將接收到單片機(jī)送過來的打包和封裝好的短報(bào)文用戶定位信息進(jìn)行擴(kuò)頻、低中頻調(diào)制，然后轉(zhuǎn)換成大功率射頻信號輻射到北斗衛(wèi)星上去，再通過北斗衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到地面救援中心，實(shí)現(xiàn)報(bào)警求救。本設(shè)計(jì)采用的是一款泰斗TD3201單模模塊，其內(nèi)部集成了北斗RDSS基帶芯片TD1100A、RDSS射頻收發(fā)芯片DT-A6、5W功放芯片LXK6618等電路，通過外接無源天線，即可實(shí)現(xiàn)北斗系統(tǒng)的短報(bào)文通信功能。

3 求救終端的軟件設(shè)計(jì)

軟件主要用C語言編寫，當(dāng)電源打開時(shí)，程序開始控制整個系統(tǒng)初始化進(jìn)入工作狀態(tài)，接著檢測北斗模塊信息是否有效，如果有效，單片機(jī)對北斗RNSS定位模塊信息進(jìn)行讀取、解析及綜合處理后，得到用戶的位置、時(shí)間等定位信息存入指定的寄存器，并驅(qū)動OLED顯示模塊把坐標(biāo)信息顯示出來；如果無效，則重新獲取數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶按下一鍵呼救按鍵時(shí)，單片機(jī)發(fā)射程序啟動，控制北斗RDSS通信模塊以北斗短報(bào)文格式間隔30s發(fā)射一次用戶坐標(biāo)信息。

北斗RNSS定位信息格式采用的是NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，NMEA-0183 是美國國家海洋電子協(xié)會為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，目前已成為北斗/GPS導(dǎo)航設(shè)備統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。NMEA-0183協(xié)議采用ASCII碼來傳遞定位信息，我們稱之為幀，主要由幀頭、幀內(nèi)數(shù)據(jù)和幀尾組成。幀頭主要有"$XXRMC"、"$XXGSA"、"$XXGSV"以及"$XXGGA"等，其中XX可能為以下三種情況：BD為北斗模式，GP為GPS模式，GN為雙模模式。這些幀頭標(biāo)識了后續(xù)幀內(nèi)數(shù)據(jù)的組成結(jié)構(gòu)，各幀均以回車符和換行符作為幀尾結(jié)束標(biāo)識。通常情況下，我們關(guān)心的定位信息如經(jīng)緯度、海拔、時(shí)間等數(shù)據(jù)均可以從"$XXRMC"幀中獲得。

北斗短報(bào)文協(xié)議，簡稱RDSS協(xié)議，最早的版本是4.0，由于4.0版本使用起來比較困難，在2015年前后推出了更加易用完善的2.1協(xié)議。RDSS 2.1協(xié)議的語句是以美元符號$開始，以英文字符,和*作為分隔符，以回車換行符 作為結(jié)束。RDSS 2.1協(xié)議的收發(fā)信息指令一般使用混合編碼模式和代碼編碼模式。以混合編碼模式為例，電文首字母固定為“A4”，按照先后順序?qū)⒚總€字符轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制數(shù)大寫，如果16進(jìn)制數(shù)不大于16，就在高位補(bǔ)0，英文用一個字節(jié)表示，漢字用兩個字節(jié)表示，北斗系統(tǒng)全球短報(bào)文通信服務(wù)的單次通信能力為40漢字（560bit）。

結(jié)束語：以上是基于北斗系統(tǒng)定位及短報(bào)文功能應(yīng)用設(shè)計(jì)的一款戶外便攜式求救終端設(shè)備，當(dāng)用戶在非遇險(xiǎn)情況下，可通過OLED液晶顯示屏查看當(dāng)前的位置信息；當(dāng)用戶遇險(xiǎn)需求救時(shí)，可以通過一鍵呼救按鍵，將包含自身位置的求救信息以北斗短報(bào)文的形式發(fā)送出至搜救中心，得到精準(zhǔn)快速的救援。設(shè)備可有效提高戶外探險(xiǎn)及野外工作人員的安全性，讓探險(xiǎn)不再成為冒險(xiǎn)。