一種基于北斗的戶外便攜式求救終端設(shè)計

桂林師范高等?？茖W(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”加入戶外探險運動的行列。針對山區(qū)復(fù)雜環(huán)境下移動信號失效時，遇險人員無法向外界發(fā)送求救信息的問題，設(shè)計一款基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位及短報文功能應(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，把遇險人員的位置信息發(fā)送至救援中心，從而得到精準快速的救援，對于提高戶外探險運動的安全性具有重要作用。

近年來，眾多“驢友”加入戶外探險運動的行列。但當人們沉醉于野外的美景而流連忘返時，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境，甚至于威脅到生命安全，此時，時刻和外接保持聯(lián)系就顯得至關(guān)重要。顯然，出門在外，大多數(shù)人都會攜帶手機和外界保持通訊，然而，在戶外探險情況下，周圍環(huán)境復(fù)雜惡劣，經(jīng)常會面臨手機信號不佳甚至沒有信號的尷尬，這時人們與外界失去聯(lián)系，這種情況對于身處險境的人們及搜救人員都是極為不利的。遇險者想要脫離險境得到救援，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)航和授時服務(wù)，同時具備短報文通信的能力。本文基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位及短報文功能應(yīng)用，設(shè)計一款戶外便攜式求救終端設(shè)備，用戶遇險時可以通過一鍵呼救按鍵，把自身的地理位置等信息實時準確的發(fā)送至救援中心，從而獲得精準快速的救援。

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)

當用戶在非遇險情況下，終端處于休眠待機狀態(tài)，并可通過OLED液晶顯示屏查看當前的位置信息；當用戶遇險需求救時，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文的形式發(fā)送出去，衛(wèi)星將接收到的遇險求救信號轉(zhuǎn)發(fā)到地面搜救中心，實現(xiàn)報警求救。

2 救援系統(tǒng)的硬件設(shè)計

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、時間、速度等信息的獲取。本次設(shè)計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)星的坐標信息，具有低功耗、高靈敏度和高精度的特點，在雙系統(tǒng)水平下定位精度能達到2.5m CEP。且輸入輸出的電平為LVTTL，與單片機配合使用無需進行電平轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)采用STC15F2K60S2單片機為主控處理器，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)航信號進行讀取、解析及綜合處理后，得到用戶的位置、時間等定位信息并在OLED液晶屏上顯示出來；另一方面，當用戶按下一鍵呼救按鍵時，單片機負責(zé)對解析后的定位信息按照標準的北斗短報文格式進行封裝和打包，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)，其特點是在完成定位的同時，通過用戶應(yīng)答完成用戶位置向外部系統(tǒng)的報告，這是北斗系統(tǒng)的重要特色，即北斗短報文服務(wù)功能。當用戶按下一鍵呼救按鍵時，北斗RDSS通信模塊受單片機控制啟動，并將接收到單片機送過來的打包和封裝好的短報文用戶定位信息進行擴頻、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，實現(xiàn)報警求救。本設(shè)計采用的是一款泰斗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，即可實現(xiàn)北斗系統(tǒng)的短報文通信功能。

3 求救終端的軟件設(shè)計

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

北斗RNSS定位信息格式采用的是NMEA-0183標準協(xié)議，NMEA-0183 是美國國家海洋電子協(xié)會為海用電子設(shè)備制定的標準協(xié)議，目前已成為北斗/GPS導(dǎo)航設(shè)備統(tǒng)一的標準協(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)束標識。通常情況下，我們關(guān)心的定位信息如經(jīng)緯度、海拔、時間等數(shù)據(jù)均可以從"$XXRMC"幀中獲得。

北斗短報文協(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進制數(shù)大寫，如果16進制數(shù)不大于16，就在高位補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)定位及短報文功能應(yīng)用設(shè)計的一款戶外便攜式求救終端設(shè)備，當用戶在非遇險情況下，可通過OLED液晶顯示屏查看當前的位置信息；當用戶遇險需求救時，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文的形式發(fā)送出至搜救中心，得到精準快速的救援。設(shè)備可有效提高戶外探險及野外工作人員的安全性，讓探險不再成為冒險。