CN102096063B - 一种基于多功能生命救助系统的被困人员救助定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多功能生命救助系统的被困人员救助定位方法，其特征在于：步骤一、利用生命信号接收仪唤醒生命救助卡；步骤二、生命信号接收仪获取生命救助卡的求救信息并存储，并统计；步骤三、生命信号接收仪于探测点A₁、B₁、C₁依次向P个生命救助卡中的每一个生命救助卡发送通讯指令；步骤四、生命信号接收仪确定每一个生命救助卡与生命信号接收仪的距离向量d_a1、d_b1、d_c1；步骤五、采用三边测量法计算出被困人员的位置信息。其显著特点是：有效克服现有定位方法灾害环境下的不足，能够应对各种灾害环境下被困人员的定位。

Description

一种基于多功能生命救助系统的被困人员救助定位方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体的说，是在地震、泥石流等灾害发生现场，对被困人员实施定位的一种基于多功能生命救助系统的被困人员救助定位方法。

背景技术

2010年以来，自然灾害频繁发生，在重大灾害面前，人们的生命和财产遭受了重大损失。在灾害发生后，能够准确地给出被困人员的位置信息，为救援赢得时间，是减少人员伤亡的有效手段。

全球定位系统(Global Positioning System：GPS)可以应用于军事、航空、航海、汽车等领域，其用途在于精确定位与导航，如海空军事导航、车载导航等，是空间位置上使用最为广泛的定位技术。但是，由于在室内、停车场等环境中全球定位系统(GPS)无法接收卫星的直射信号，因此，灾害发生环境下，全球定位系统(GPS)不适用于灾害环境下被困人员的定位。此外，全球定位系统(GPS)不适于被困人员随身佩戴，更重要的是其位置信息无法通知外部救援人员。

在灾害现场特定的环境中，现有的利用电磁波进行定位的方法，诸如到达时间(TOA)、到达角度(AOA)、到达时间差(TDOA)等，由于灾害环境下电磁波信号传播的不可靠性，使得这些方法不适合应用于灾害环境下被困人员的准确定位。

此外，采用人体热红外辐射定位的方法，诸如捕获人体热红外辐射的红外生命探测仪，通过人体热红外辐射特性和周围环境红外辐射特性之间的差异，探测生命迹象的存在，并通过热红外成像显示人体的具体位置，但这种设备操作仍比较繁琐，也需要寻找空隙进行探测搜寻，且价格较贵。

由此可知，现有的定位方法在灾害特定的环境中不能准确的给出被困人员的位置信息。

发明内容

本发明提供一种基于多功能生命救助系统的被困人员救助定位方法，特别针对灾害发生后的特定环境，能够有效克服现有定位方法在灾害环境下的不足，准确地给出被困人员的位置信息。

为达到上述目的，本发明建立在多功能生命救助系统的基础上。

多功能生命救助系统由至少一个生命救助卡和至少一个生命信号接收仪组成，生命救助卡在灾害发生时能够向外界发送包含有佩戴人员身份等信息的信号，生命信号接收仪通过接收到的信号实施对被困人员的定位。

其中生命救助卡设置有人体热红外传感器模块和心脏探测传感器模块；

所述人体热红外传感器模块的输出端连接在第一低功耗单片机模块的热红外输入端；

所述心脏探测传感器模块的输出端连接在第一低功耗单片机模块的心电输入端；

所述第一低功耗单片机模块的调制解调端与第一无线调制解调模块双向连接；

所述第一无线调制解调模块经第一收发天线与所述生命信号接收仪无线通信；

所述生命信号接收仪设置有第二无线调制解调模块，该第二无线调制解调模块经第三收发天线与所述第一收发天线无线通信；

所述第二无线调制解调模块还与第二低功耗单片机模块双向连接；

所述第二低功耗单片机模块的视频端连接在LCD驱动模块的输入端上，LCD驱动模块的输出端连接有LCD显示模块；

所述第二低功耗单片机模块的音频端连接在D/A转换模块的数字输入端上；

所述D/A转换模块的模拟输出端连接在音频滤波/放大模块输入端上，所述音频滤波/放大模块的输出端连接有扬声器。

所述第一低功耗单片机模块的数据接口端组双向连接有大容量Flash存储器。

所述第一低功耗单片机模块的双音多频端与第一双音多频模块双向连接；

所述第一双音多频模块的无线收发端与第一模拟调制解调模块双向连接；

所述第一模拟调制解调模块经第二收发天线与所述生命信号接收仪无线通信；

所述生命信号接收仪设置有第二模拟调制解调模块，该第二模拟调制解调模块经第四收发天线与所述第二收发天线无线通信；

所述第二模拟调制解调模块与第二双音多频模块的无线收发端双向连接；

所述第二双音多频模块与所述第一低功耗单片机模块的双音多频端双向连接。

所述生命救助卡还设置有第一电源模块，该第一电源模块为所述生命救助卡中各单元模块供电；

所述生命信号接收仪还设置有第二电源模块，该第二电源模块为所述生命信号接收仪中各单元模块供电。

所述第一模拟调制解调模块和第二收发天线的射频工作频率选择为88MHz～108MHz调频频段；

所述第二模拟调制解调模块和第四收发天线的射频工作频率选择为88MHz～108MHz调频频段。

所述第一无线调制解调模块和第一收发天线的射频工作频率选择为433MHz ISM频段；

所述第二无线调制解调模块和第三收发天线的射频工作频率选择为433MHz ISM频段。

所述生命救助卡存储有携带者的身份信息和血型信息，能够检测到生命迹象的存在，利用生命迹象信号触发，将携带者的身份信息和血型信息等组帧，加入信标信号，构成求救信号，以射频方式周期性间断发射；

生命信号接收仪接收生命救助卡发出的射频信号，通过解调后，提取出携带者的身份信息和血型信息等，存储并通过LCD显示这些信息，同时通过语音播报被困人员的救援信息。

生命救助卡平时处于低功耗待机状态，当发生灾害时，救援人员携带生命信号接收仪到达搜救现场，通过生命信号接收仪唤醒被困人员随身携带的生命救助卡，生命救助卡利用人体热红外传感器和心脏探测传感器感应被困人员的生命体征，以此生命迹象的存在信号作为触发信号，把被困人员的身份信息和血型信息等组帧，加入信标信号，构成求救信号，通过微波数字调制方式或模拟调频方式，把数字信号调制到载频上，最后以射频方式周期性间断发射；救援人员通过生命信号接收仪搜寻来自生命救助卡发射的射频信号，一旦搜寻到，通过微波数字解调或模拟解调后，提取出携带者的身份信息和血型信息等，存储并通过LCD显示这些信息，同时通过语音播报被困人员的救援信息；利用信标信号和无线定位算法实施被困人员搜寻定位，指导救援人员有目的地实施救援工作。

本发明是按如下步骤进行：

步骤一、确定搜索区域，并围绕搜索区域确定唤醒点A、唤醒点B和唤醒点C，利用生命信号接收仪向搜索区域发送唤醒信号，唤醒搜索区域内休眠的生命救助卡，生命救助卡探测其携带者是否还有生命体征，如果还有生命体征，则向外发送求救信息，如果没有生命体征，则继续休眠；

对于没有生命体征的个体，等待后续遗体清理工作指令。

步骤二、利用生命信号接收仪分别在唤醒点A、B和C获取生命救助卡的求救信息并存储，并统计三个唤醒点接收生命救助卡求救信息完全一致的P个生命救助卡；

步骤三、生命信号接收仪于至少三个不同的探测点A₁、B₁、C₁，生命信号接收仪依次向P个生命救助卡中的每一个生命救助卡发送通讯指令；

P个生命救助卡对通讯指令加以解析，与自身信息比较，若信息符合，则不断向外发送通讯信号；

若不相符合，则改变工作模式为休眠模式，等待生命信号接收仪的唤醒；

逐一通讯，能够避免信号间的相互干扰。

步骤四、生命信号接收仪于探测点A₁、B₁、C₁接收P个生命救助卡中依次被唤醒的每一个生命救助卡通讯信号并存储，根据接收信号强度分析确定每一个生命救助卡与生命信号接收仪的距离向量d_a1、d_b1、d_c1；

步骤六、根据所述距离向量d_a1、d_b1、d_c1中的元素d_a1i、d_b1i、d_c1i，采用三边测量法计算出被困人员的位置信息；

探测点A₁、探测点B₁、探测点C₁的坐标分别为(x_a1，y_a1，z_a1)、(x_b1，y_b1，z_b1)、(x_c1，y_c1，z_c1)，生命救助卡的坐标为(X，y，z)，存在下列公式：

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{\left(x-x_{a1}\right)}^2+{(y-y_{a1})}^2+{(z-z_{a1})}^2}=d_{a1i}\\ \sqrt{{(x-x_{b1})}^2+{(y-y_{b1})}^2+{(z-z_{b1})}^2}=d_{b1i}\\ \sqrt{{(x-x_{c1})}^2+{(y-y_{c1})}^2+{(z-z_{c1})}^2}=d_{c1i}\end{array}\right.$

可以得到被困人员的坐标为：

$\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)={\left(\begin{array}{ccc}2(x_{b1}-x_{a1})& 2(y_{b1}-y_{a1})& 2(z_{b1}-z_{a1})\\ 2(x_{c1}-x_{a1})& 2(x_{c1}-x_{a1})& 2(x_{c1}-x_{a1})\\ 2(x_{c1}-x_{b1})& 2(x_{c1}-x_{b1})& 2(x_{c1}-x_{b1})\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}{x}_{b1}^2-x_{a1}^2+y_{b1}^2-y_{a1}^2+z_{b1}^2-z_{a1}^2+d_{a1i}^2-d_{b1i}^2\\ x_{c1}^2-x_{a1}^2+y_{c1}^2-y_{a1}^2+z_{c1}^2-z_{a1}^2+d_{a1i}^2-d_{c1i}^2\\ x_{c1}^2-x_{b1}^2+y_{c1}^2-y_{b1}^2+z_{c1}^2-z_{b1}^2+d_{b1i}^2-d_{c1i}^2\end{array}\right)$

从而得到了被困人员的准确位置信息。

A、每个所述生命救助卡含有唯一的编码序列号，生命救助卡采用时分双工通信模式，生命救助卡在灾害发生时能够向外界发送包含有佩戴人员身份等信息的信号，同时能够接收生命信号接收仪发送的信号，并比较自身携带信息与其差异；

B、每个所述生命信号接收仪含有唯一的编码序列号，生命信号接收仪配置有GPS全球定位系统，采用时分双工通信模式，能够对生命救助卡进行唤醒和关闭操作，通过接收到的信号实施对被困人员的定位。

所述生命信号接收仪基于唤醒点A、唤醒点B、探测点C，接收生命救助卡的信号，并采用幅度比较式测向法对信号来波方向进行估计，粗略确定生命救助卡的方位信息。

本发明有如下优点：

(1)生命信号接收仪采用幅度比较式测向法对生命救助卡信号来波方向加以估计，有效避免了灾害被困人员之外生命救助卡信号的干扰；

(2)生命信号接收仪于至少三个不同的探测点接收生命救助卡信号并获取接收信号强度(RSSI)信息等，多次获取接收信号强度(RSSI)，剔除由于信道原因造成的数据突变的情况，有效提高定位精度；

(3)提出了一种生命信号接收仪器对生命救助卡唤醒与关闭相结合的逐一定位方法，有效克服了现有定位方法在灾害环境下的不足。

附图说明

图1是本发明的原理方框图；

图2是本发明所述定位方法中生命信号接收仪确定待定位的被困人员示意图；

图中空心圆代表非被困人员佩戴的生命救助卡，实心圆代表被困人员佩戴的生命救助卡，PDA代表生命信号接收仪；

图3是本发明所述定位方法中生命信号接收仪逐一确定待定位的被困人员示意图；

图中空心圆代表非被困人员佩戴的生命救助卡，实心圆，即D点代表与生命信号接收仪当前发送信号相符合的被困人员佩戴的生命救助卡，灰色圆代表与生命信号接收仪当前发送信号不符合的被困人员佩戴的生命救助卡，PDA代表生命信号接收仪；

图4是本发明所述定位方法中三边测量法计算被困人员位置的示意图，图中实心圆代表生命救助卡，PDA代表生命信号接收仪。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

本发明所述的一种基于多功能生命救助系统的被困人员救助定位方法，按如下步骤进行：

步骤一、确定搜索区域，并围绕搜索区域确定唤醒点A、唤醒点B和唤醒点C，利用生命信号接收仪向搜索区域发送唤醒信号，唤醒搜索区域内休眠的生命救助卡，生命救助卡探测其携带者是否还有生命体征，如果还有生命体征，则向外发送求救信息，如果没有生命体征，则继续休眠；

步骤二、利用生命信号接收仪分别在唤醒点A、B和C获取生命救助卡的求救信息并存储，并统计三个唤醒点接收生命救助卡求救信息完全一致的P个生命救助卡；

步骤三、生命信号接收仪于至少三个不同的探测点A₁、B₁、C₁，生命信号接收仪依次向P个生命救助卡中的每一个生命救助卡发送通讯指令；

P个生命救助卡对通讯指令加以解析，与自身信息比较，若信息符合，则不断向外发送通讯信号；

若不相符合，则改变工作模式为休眠模式，等待生命信号接收仪的唤醒；

步骤四、生命信号接收仪于探测点A₁、B₁、C₁接收P个生命救助卡中依次被唤醒的每一个生命救助卡通讯信号并存储，根据接收信号强度分析确定每一个生命救助卡与生命信号接收仪的距离向量d_a1、d_b1、d_c1；

步骤六、根据所述距离向量d_a1、d_b1、d_c1中的元素d_a1i、d_b1i、d_c1i，采用三边测量法计算出被困人员的位置信息；

探测点A₁、探测点B₁、探测点C₁的坐标分别为(x_a1，y_a1，z_a1)、(x_b1，y_b1，z_b1)、(x_c1，y_c1，z_c1)，生命救助卡的坐标为(x，y，z)，存在下列公式：

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{\left(x-x_{a1}\right)}^2+{(y-y_{a1})}^2+{(z-z_{a1})}^2}=d_{a1i}\\ \sqrt{{(x-x_{b1})}^2+{(y-y_{b1})}^2+{(z-z_{b1})}^2}=d_{b1i}\\ \sqrt{{(x-x_{c1})}^2+{(y-y_{c1})}^2+{(z-z_{c1})}^2}=d_{c1i}\end{array}\right.$

可以得到被困人员的坐标为：

$\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)={\left(\begin{array}{ccc}2(x_{b1}-x_{a1})& 2(y_{b1}-y_{a1})& 2(z_{b1}-z_{a1})\\ 2(x_{c1}-x_{a1})& 2(x_{c1}-x_{a1})& 2(x_{c1}-x_{a1})\\ 2(x_{c1}-x_{b1})& 2(x_{c1}-x_{b1})& 2(x_{c1}-x_{b1})\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}{x}_{b1}^2-x_{a1}^2+y_{b1}^2-y_{a1}^2+z_{b1}^2-z_{a1}^2+d_{a1i}^2-d_{b1i}^2\\ x_{c1}^2-x_{a1}^2+y_{c1}^2-y_{a1}^2+z_{c1}^2-z_{a1}^2+d_{a1i}^2-d_{c1i}^2\\ x_{c1}^2-x_{b1}^2+y_{c1}^2-y_{b1}^2+z_{c1}^2-z_{b1}^2+d_{b1i}^2-d_{c1i}^2\end{array}\right)$

从而得到了被困人员的准确位置信息。

A、每个所述生命救助卡含有唯一的编码序列号，生命救助卡采用时分双工通信模式，生命救助卡在灾害发生时能够向外界发送包含有佩戴人员身份等信息的信号，同时能够接收生命信号接收仪发送的信号，并比较自身携带信息与其差异；

B、每个所述生命信号接收仪含有唯一的编码序列号，生命信号接收仪配置有GPS全球定位系统，采用时分双工通信模式，能够对生命救助卡进行唤醒和关闭操作，通过接收到的信号实施对被困人员的定位。

所述生命信号接收仪基于唤醒点A、唤醒点B、唤醒点C，接收生命救助卡的信号，并采用幅度比较式测向法对信号来波方向进行估计，粗略确定生命救助卡的方位信息。

Claims (3)

1.一种基于多功能生命救助系统的被困人员救助定位方法，其特征在于：按如下步骤进行：

步骤一、确定搜索区域，并围绕搜索区域确定唤醒点A、唤醒点B和唤醒点C，利用生命信号接收仪向搜索区域发送唤醒信号，唤醒搜索区域内休眠的生命救助卡，生命救助卡探测其携带者是否还有生命体征，如果还有生命体征，则向外发送求救信息，如果没有生命体征，则继续休眠；

步骤二、利用生命信号接收仪分别在唤醒点A、B和C获取生命救助卡的求救信息并存储，并统计三个唤醒点接收生命救助卡求救信息完全一致的P个生命救助卡；

步骤三、生命信号接收仪于至少三个不同的探测点A₁、B₁、C₁，生命信号接收仪依次向P个生命救助卡中的每一个生命救助卡发送通讯指令；

P个生命救助卡对通讯指令加以解析，与自身信息比较，若信息符合，则不断向外发送通讯信号；

若不相符合，则改变工作模式为休眠模式，等待生命信号接收仪的唤醒；

步骤四、生命信号接收仪于探测点A₁、B₁、C₁接收P个生命救助卡中依次被唤醒的每一个生命救助卡通讯信号并存储，根据接收信号强度分析确定每一个生命救助卡与生命信号接收仪的距离向量d_a1、d_b1、d_c1；

步骤五、根据所述距离向量d_a1、d_b1、d_c1中的元素d_a1i、d_b1i、d_c1i，采用三边测量法计算出被困人员的位置信息；

探测点A₁、探测点B₁、探测点C₁的坐标分别为(x_a1，y_a1，z_a1)、(x_b1，y_b1，z_b1)、(x_c1，y_c1，z_c1)，生命救助卡的坐标为(x，y，z)，存在下列公式：

$\left\{\begin{array}{c}\sqrt{{(x-x_{a1})}^2+{(y-y_{a1})}^2+{(z-z_{a1})}^2}=d_{a1i}\\ \sqrt{{(x-x_{b1})}^2+{(y-y_{b1})}^2+{(z-z_{b1})}^2}=d_{b1i}\\ \sqrt{{(x-x_{c1})}^2+{(y-y_{c1})}^2+{(z-z_{c1})}^2}=d_{c1i}\end{array}\right.$

可以得到被困人员的坐标为：

$\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)={\left(\begin{array}{ccc}2(x_{b1}-x_{a1})& 2(y_{b1}-y_{a1})& 2(z_{b1}-z_{a1})\\ 2(x_{c1}-x_{a1})& 2(x_{c1}-x_{a1})& 2(x_{c1}-x_{a1})\\ 2(x_{c1}-x_{b1})& 2(x_{c1}-x_{b1})& 2(x_{c1}-x_{b1})\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}{x}_{b1}^2-x_{a1}^2+y_{b1}^2-y_{a1}^2+z_{b1}^2-z_{a1}^2+d_{a1i}^2-d_{b1i}^2\\ x_{c1}^2-x_{a1}^2+y_{c1}^2-y_{a1}^2+z_{c1}^2-z_{a1}^2+d_{a1i}^2-d_{c1i}^2\\ x_{c1}^2-x_{b1}^2+y_{c1}^2-y_{b1}^2+z_{c1}^2-z_{b1}^2+d_{b1i}^2-d_{c1i}^2\end{array}\right)$

从而得到了被困人员的准确位置信息。

2.根据权利要求1所述一种基于多功能生命救助系统的被困人员救助定位方法，其特征在于：

A、每个所述生命救助卡含有唯一的编码序列号，生命救助卡采用时分双工通信模式，生命救助卡在灾害发生时能够向外界发送包含有佩戴人员身份信息的信号，同时能够接收生命信号接收仪发送的信号，并比较自身携带信息与其差异；

B、每个所述生命信号接收仪含有唯一的编码序列号，生命信号接收仪配置有GPS全球定位系统，采用时分双工通信模式，能够对生命救助卡进行唤醒和关闭操作，通过接收到的信号实施对被困人员的定位。

3.根据权利要求1所述一种基于多功能生命救助系统的被困人员救助定位方法，其特征在于：所述生命信号接收仪基于唤醒点A、唤醒点B、唤醒点C，接收生命救助卡的信号，并采用幅度比较式测向法对信号来波方向进行估计，粗略确定生命救助卡的方位信息。

Images