CN105608836B - 一种便携式野外应急求救器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种便携式野外应急求救器,该电路包括电源管理电路,微功耗处理电路,电量监测电路,无线扩频通信电路,高亮LED驱动电路,三轴加速度传感电路,心率监测电路和OLED显示电路。本发明能够进一步提高野外搜救的效率,降低野外搜救的成本,丰富野外搜救的渠道,并加入计步与心率监测等功能,极大地提高了对野外人员安全的保障。

Description

一种便携式野外应急求救器
技术领域
本发明涉及一种野外应急报警求救器,可以应用于野外徒步旅行、野外探险和野外集体活动等场合的紧急报警求救场合。
技术背景
近年来,随着中国城市化的加深,人们对自身健康的要求越来越高,城市的高负荷运作影响着人的生活,为了提高生活质量,人们开始选择各类的户外运动,其中包括登山、攀岩、悬崖速降、在野外露营、野炊、定向运动、溪流、探险等项目,户外休闲运动中多数带有探险性,属于极限和亚极限运动,有很大的挑战性和刺激性,拥抱自然,挑战自我。然而,由于安全意识的缺乏以及自救能力的不足,时常会发生野外探险者失联的情况,如果不能在一定时间内找到其他队友,就有可能发生更严重的危险。国外的搜救方式一般采用人工地毯式搜救,并结合直升机高空俯瞰、GPS定位等现代化方式,搜救效率低下,并且国外的搜救费用一般由遇险者或者保险公司承担,费用异常高昂。目前国外也在研究利用无人机替代直升机进行野外搜救,从而降低救援费用,避免社会资源过度浪费,然而无人机试验还处于研发阶段,目前还有诸多问题尚未解决,还未投入到实际运用场合中进行使用。而国内野外通信基于上依靠无线对讲机系统,功率消耗大,对于野外人员的负重负担也大,无线移动通信在很多野外环境中无法实施覆盖,因此一旦遇到野外急救需求时,只能依赖于无目标式的人工地毯式搜救,这样的搜救方式效率很低,往往不能很快速地寻找到遇险人员,从而错过救援时间,导致进一步的损失发生。随着野外活动与作业领域需求的不断发展,迫切需要一种有效的便携式野外应急求救器。
发明内容
本发明针对现有技术的不足,提出了一种便携式野外应急求救器。
本发明一种便携式野外应急求救器包括电源管理电路,包括微功耗处理电路,电量监测电路,无线扩频通信电路,高亮LED驱动电路,三轴加速度传感电路,心率监测电路,OLED显示电路。
所述的电源管理电路包括电源管理芯片U1、接插件J1和四个电容;接插件J1的1脚与18650锂电池的正极相连,电压范围为3.7-4.2V,接插件J1的2脚与18650锂电池的负极相连,即电路系统的GND;电源管理芯片U1的3脚与接插件J1的1脚、第一电容C1的一端、第二电容C2的正极连接,第一电容C1的另一端、第二电容C2的负极接地;电源管理芯片U1的2脚与第三电容C3的正极、第四电容C4的一端连接并作为3.3V的VCC电源输出,电源管理芯片U1的1脚与第三电容C3负极、第四电容C4的另一端连接并接地;电源管理芯片U1的4脚悬空。
所述的微功耗处理电路包括主控芯片U2、按键K1、双色发光二极管LED1、接插件J2、第一三极管Q1、第二三极管Q2,第一电阻R1、第二电阻R2、第三R3、第四R4、第五R5和第五电容C5。
主控芯片U2的1脚、2脚依次与接插件J2的2脚、3脚相连,接插件J2的1脚与VCC电源相连,接插件J2的4脚接GND;主控芯片U2的2脚与第一电阻R1的一端、第五电容C5的一端连接,第一电阻R1的另一端与VCC电源相连,第五电容C5的另一端接地;主控芯片U2的10脚、11脚、12脚、13脚与VCC电源相连,主控芯片U2的14脚与第三电阻R3的一端相连,第三电阻R3的另一端接第一三极管Q1的基极,第一三极管Q1的集电极与双色发光二极管LED1正极的r端相连,第一三极管Q1的发射极接VCC;主控芯片U2的15脚与第五电阻R5的一端相连,第五电阻R5的另一端接第二三极管Q2的基极,第二三极管Q2的集电极与双色发光二极管LED1正极的y端相连,第二三极管Q2的发射极接VCC;主控芯片U2的33脚与电源监测芯片U3的2脚连接;主控芯片U2的32脚与第二电阻R2的一端、按键K1的一端连接,第二电阻R2的另一端接VCC电源,按键K1的另一端接地;主控芯片U2的3脚、24脚、25脚、26脚、20脚、21脚、22脚、23脚、35脚、36脚、28脚、29脚、30脚、31脚分别与无线扩频通信模块U4的15脚、2脚、1脚、16脚、3脚、4脚、5脚、6脚、7脚、8脚、14脚、11脚、13脚、12脚相连;主控芯片U2的16脚与LED恒流源驱动芯片U5的4脚相连;主控芯片U2的37脚、38脚、43脚、44脚分别与三轴加速度传感器U6的4脚、5脚、7脚、8脚相连;主控芯片U2的6脚接心率监测传感器U7的1脚,主控芯片U2的4脚接三极管Q3的基极;主控芯片U2的17脚、18脚、19脚、47脚、48脚分别与OLED显示模块U8的3脚、4脚、5脚、6脚、7脚相连;主控芯片U2的其他引脚悬空。
所述的电量监测电路包括电源监测芯片U3和第六电阻R6。电源监测芯片U3的1脚接地,源监测芯片U3的3脚与VCC电源相连,电源监测芯片U3的2脚与主第六电阻R6的一端相连,第六电阻R6的另一端接GND。
所述的无线扩频通信电路主要包括无线扩频通信模块U4。无线扩频通信模块U4的9脚接VCC电源,10脚接GND。
所述的高亮LED驱动电路包括LED恒流源驱动芯片U5、第七电阻R7、第一电感L1、第六电容C6、第七电容C7、第二高亮发光管LED2、第一二极管D1。LED恒流源驱动芯片U5的1脚和第一电感L1的一端、第一二极管D1的一端相连,LED恒流源驱动芯片U5的2脚与第七电阻R7的一端、第六电容C6的一端、第七电容C7的一端连接并接地,LED恒流源驱动芯片U5的3脚和第七电阻R7的另一端、第二高亮发光管LED2的一端相连,LED恒流源驱动芯片U5的5脚与第一二极管D1的一端、第二高亮发光管LED2的另一端、第七电容C7的另一端相连,LED恒流源驱动芯片U5的6脚与第一电感L1的另一端、第六电容C6的另一端连接并接VCC电源。
所述的三轴加速度传感器电路包括三轴加速度传感器U6。三轴加速度传感器U6的1脚、6脚接地,三轴加速度传感器U6的2脚、3脚与VCC电源相连。
所述的心率监测电路包括心率监测传感器U7,第三三极管Q3。心率监测传感器U7的3脚与第三三极管Q3的集电极相连,第三三极管Q3的发射极接地,心率监测传感器U7的2脚接电源VCC。
所述的OLED显示电路包括OLED显示模块U8。OLED显示模块U8的1脚接GND,OLED显示模块U8的2脚与VCC电源相连。
本发明中的电源管理芯片U1、主控芯片U2、电压监测芯片U3、无线扩频通信模块U4、LED恒流源驱动芯片U5、三轴加速度传感器U6、心率监测传感器U7、OLED显示模块U8均采用成熟产品,电源管理芯片U1采用国家半导体有限公司的LM1117-3.3芯片,主控芯片U2采用意法半导体有限公司的STM8L151C8芯片,电压监测芯片U3采用北京圣邦微电子股份有限公司的SGM809,无线扩频通信模块U4采用先科电子有限公司的SX1278模块,LED恒流源驱动U5采用美国PAM(龙鼎微)电子有限公司的PAM2803,三轴加速度传感器U6采用亚德诺半导体有限公司的ADXL345,心率监测传感器U7采用了重庆星辉科技电子有限公司的心率监测传感器PulseSensor,其中关键绿光LED采用今台电子股份有限公司的AM2520ZGC09,光接收器采用了安华高科技有限公司的APDS-9008,OLED显示模块U8采用了晶门科技有限公司的SSD1351。
本系统的主要技术参数如下:
(1)系统供电电源:1节18650锂电池(3100mAH);
(2)无线求救频率:433MHz;
(3)无线射频功率:500-1000mW;
(4)无线求救距离:5-10Km;
(5)LED功率:1W;
(6)尺寸:7.5cm×2.5cm×2.5cm;
(7)重量:<50g;
(8)待机时间:>7天;
(9)心率:测量人的静止心率,精度±10%;
(10)计步:实时记录运动步数,精度±10%。
本发明与背景技术相比具有的有益效果是:能够进一步提高野外搜救的效率,降低野外搜救的成本,丰富野外搜救的渠道,并加入计步与心率监测等功能,极大地提高了对野外人员安全的保障。
附图说明
图1是本发明的总体电路结构示意图;
图2是本发明的电源管理电路示意图;
图3是本发明的微功耗处理电路和电量监测电路示意图;
图4是本发明的无线扩频通信电路示意图;
图5是本发明的高亮LED驱动电路示意图;
图6是本发明的三轴加速度传感电路示意图;
图7是本发明的心率监测电路示意图;
图8是本发明的OLED显示电路示意图;
图9是本发明的工作原理示意图。
具体实施方式
如图1所示,本发明包括电源管理电路1,微功耗处理电路2,电量监测电路3,无线扩频通信电路4,高亮LED驱动电路5,三轴加速度传感电路6,心率监测电路7,OLED显示电路8,其中三轴加速度传感电路6、心率监测电路7、OLED显示电路8属于选配模块,用户可根据不同需求进行选择。电源管理电路1分别给微功耗处理电路2、电量监测电路3,无线扩频通信电路4,高亮LED驱动电路5,三轴加速度传感电路6,心率监测电路7,OLED显示电路8均提供VCC电源。电量监测电路3负责监测电源电量,当电池电量低于阈值时电量监测电路3会向微功耗处理电路2传递一个低电平信号,使其复位。求救点上的无线扩频通信电路4在微功耗处理电路2的控制下,向周边多个邻节点广播433MHz无线报警信号,同时邻节点上的无线扩频通信电路4会在微功耗处理电路2的控制下获取求救点发射的报警信号强度,OLED显示电路8也会显示求救者的ID值,微功耗处理电路2根据获取到的无线信号强度值,控制高亮LED驱动电路5的闪烁频率,来反映接收者与求救点目前的大致距离范围,距离越近,闪烁频率越快。三轴加速度传感器电路6在微功耗处理电路2的控制下,当佩戴者移动时,三轴加速度传感器电路6将加速度值发送给微功耗处理电路2,微功耗处理电路2通过计步算法得到佩戴者的步数,心率监测电路7在微功耗处理电路2的控制下,将手指置于传感器上方,通过心率算法得到心率值,在微功耗处理电路2将佩戴者的步数与心率数据显示于OLED显示电路8上。
如图2所示,所述的电源管理电路1包括电源管理芯片U1、接插件J1和四个电容;接插件J1的1脚与18650锂电池的正极相连,电压范围为3.7-4.2V,接插件J1的2脚与18650锂电池的负极相连,即电路系统的GND;电源管理芯片U1的3脚与接插件J1的1脚、第一电容C1的一端、第二电容C2的正极连接,第一电容C1的另一端、第二电容C2的负极接地;电源管理芯片U1的2脚与第三电容C3的正极、第四电容C4的一端连接并作为3.3V的VCC电源输出,电源管理芯片U1的1脚与第三电容C3负极、第四电容C4的另一端连接并接地;电源管理芯片U1的4脚悬空。
。U1采用国家半导体有限公司的LM1117-3.3芯片。VCC电源为微功耗处理电路2、电量监测电路3,无线扩频通信电路4,高亮LED驱动电路5,三轴加速度传感电路6,心率监测电路7,OLED显示电路8均提供系统工作电压。
如图3所示,所述的微功耗处理电路2包括主控芯片U2、按键K1、双色发光二极管LED1、接插件J2、第一三极管Q1、第二三极管Q2,第一电阻R1、第二电阻R2、第三R3、第四R4、第五R5和第五电容C5。
主控芯片U2的1脚、2脚依次与接插件J2的2脚、3脚相连,接插件J2的1脚与VCC电源相连,接插件J2的4脚接GND;主控芯片U2的2脚与第一电阻R1的一端、第五电容C5的一端连接,第一电阻R1的另一端与VCC电源相连,第五电容C5的另一端接地;主控芯片U2的10脚、11脚、12脚、13脚与VCC电源相连,主控芯片U2的14脚与第三电阻R3的一端相连,第三电阻R3的另一端接第一三极管Q1的基极,第一三极管Q1的集电极与双色发光二极管LED1正极的r端相连,第一三极管Q1的发射极接VCC;主控芯片U2的15脚与第五电阻R5的一端相连,第五电阻R5的另一端接第二三极管Q2的基极,第二三极管Q2的集电极与双色发光二极管LED1正极的y端相连,第二三极管Q2的发射极接VCC;主控芯片U2的33脚与电源监测芯片U3的2脚连接;主控芯片U2的32脚与第二电阻R2的一端、按键K1的一端连接,第二电阻R2的另一端接VCC电源,按键K1的另一端接地;主控芯片U2的3脚、24脚、25脚、26脚、20脚、21脚、22脚、23脚、35脚、36脚、28脚、29脚、30脚、31脚分别与无线扩频通信模块U4的15脚、2脚、1脚、16脚、3脚、4脚、5脚、6脚、7脚、8脚、14脚、11脚、13脚、12脚相连;主控芯片U2的16脚与LED恒流源驱动芯片U5的4脚相连;主控芯片U2的37脚、38脚、43脚、44脚分别与三轴加速度传感器U6的4脚、5脚、7脚、8脚相连;主控芯片U2的6脚接心率监测传感器U7的1脚,主控芯片U2的4脚接三极管Q3的基极;主控芯片U2的17脚、18脚、19脚、47脚、48脚分别与OLED显示模块U8的3脚、4脚、5脚、6脚、7脚相连;主控芯片U2的其他引脚悬空。
所述的电量监测电路3包括电源监测芯片U3和第六电阻R6。电源监测芯片U3的1脚接地,源监测芯片U3的3脚与VCC电源相连,电源监测芯片U3的2脚与主第六电阻R6的一端相连,第六电阻R6的另一端接GND。当电源监测芯片U3监测供电电压低于设定阈值时会提示主控芯片U2。其中主控芯片U2采用意法半导体有限公司的STM8L101F3芯片,电压检测芯片U3采用北京圣邦微电子股份有限公司的SGM809。
如图4所示,所述的无线扩频通信电路4主要包括无线扩频通信模块U4。无线扩频通信模块U4的9脚接VCC电源,10脚接GND,其中无线扩频通信模块U4的1脚与天线引脚相连,2脚位复位脚,11脚、12脚、13脚为SPI总线脚,无线扩频通信模块U4的16脚为天线开关控制脚。其中无线扩频通信模块U4采用先科电子有限公司的SX1278-PA模块。无线扩频通信电路采用了新型的无线扩频技术,相对于传统FSK与GFSK,在传输距离和抗干扰能力方面具有巨大优势,加入功放模块后发射功率可以达到500mW-1000mW,传输距离可以达到视距10Km。
如图5所示,所述的高亮LED驱动电路5包括LED恒流源驱动芯片U5、第七电阻R7、第一电感L1、第六电容C6、第七电容C7、第二高亮发光管LED2、第一二极管D1。LED恒流源驱动芯片U5的1脚和第一电感L1的一端、第一二极管D1的一端相连,LED恒流源驱动芯片U5的2脚与第七电阻R7的一端、第六电容C6的一端、第七电容C7的一端连接并接地,LED恒流源驱动芯片U5的3脚和第七电阻R7的另一端、第二高亮发光管LED2的一端相连,LED恒流源驱动芯片U5的5脚与第一二极管D1的一端、第二高亮发光管LED2的另一端、第七电容C7的另一端相连,LED恒流源驱动芯片U5的6脚与第一电感L1的另一端、第六电容C6的另一端连接并接VCC电源。整体构成恒流源驱电路驱动高亮LED灯,高亮LED灯采用1W功率的LED灯珠。其中LED恒流源驱动芯片U5采用美国PAM(龙鼎微)电子有限公司的PAM2803。
如图6所示,所述的三轴加速度传感器电路6包括三轴加速度传感器U6。三轴加速度传感器U6的1脚、6脚接地,三轴加速度传感器U6的2脚、3脚与VCC电源相连主控芯片U2通过I2C总线控制三轴加速度传感器U6的配置与数据读取。其中三轴加速度传感器U6采用亚德诺半导体有限公司的ADXL345,主要用于计步功能。
如图7所示,所述的心率监测电路7包括心率监测传感器U7,第三三极管Q3。心率监测传感器U7的3脚与第三三极管Q3的集电极相连,第三三极管Q3的发射极接地,心率监测传感器U7的2脚接电源VCC。心率监测电路6的输出信号类型为模拟信号,连接到主控芯片3的A/D转换IO口上,并可得到其对应的数字量,并求得心率值。其中心率检测器U8采用了重庆星辉科技电子有限公司的心率监测传感器Pulse Sensor,Pulse Sensor是一款反射式光电脉搏传感器,输出为模拟量,易于单片机进行采集,其中关键绿光LED采用今台电子股份有限公司的AM2520ZGC09,光接收器采用了安华高科技有限公司的APDS-9008。心率监测电路主要用于脉搏心跳检测,辅助人体生理参数的测量。
如图8所示,所述的OLED显示电路8包括OLED显示模块U8。OLED显示模块U8的1脚接GND,OLED显示模块U8的2脚与VCC电源相连。其中OLED显示模块U9采用了晶门科技有限公司的SSD1351,支持128×128矩阵显示,256级亮度调节。OLED显示电路8主要为了显示求救者编号值、求救者信号强度、心率、步数和电量等系统参数。
如图9所示,本发明的工作过程如下:一旦遇到紧急事件或故障,遇险用户可以长按K1按键进行报警,周围5-10Km范围内邻节点的其他用户设备就可以感知到SOS求救信息,通过双色灯的交替闪烁来指示,距离越近,闪烁频率越高,同时在OLED显示模块上会提供遇险用户的编号值,由此可以辅助野外活动团体进行集群救援。遇险用户再次长按K1按键后,就可以取消报警求救。平时状态时,主控芯片U2读取三轴加速度传感器U6三个方向的加速度值,并通过计步算法得到步伐值,心率监测传感器U7输出模拟信号,主控芯片U2将其转换为数字信号,并通过心率统计算法得到心率数据,通过OLED显示模块U8显示出心率、步数等人体生理数据。因此,本发明涉及的野外应急求救器既可以作为求救终端,也可以作为搜救终端,在夜晚使用时还可以通过高亮LED的闪烁进行求救,通过短按K1按键就可以开关LED灯。
综上所述,本发明设计的系统使用在野外徒步旅行、野外探险等场合的预警报警,进一步提高对野外旅行者、野外作业人员等在野外环境下的安全保障,同时增加可穿戴设备特色的心率监测以及计步功能,通过OLED显示出数据,极大地提高了设备的功能多样性以及实用性。

Claims (1)

1.一种便携式野外应急求救器,包括电源管理电路,微功耗处理电路,电量监测电路,无线扩频通信电路,高亮LED驱动电路,三轴加速度传感电路,心率监测电路,OLED显示电路;
其特征在于:所述的电源管理电路包括电源管理芯片U1、接插件J1和四个电容;接插件J1的1脚与18650锂电池的正极相连,电压范围为3.7-4.2V,接插件J1的2脚与18650锂电池的负极相连,即电路系统的GND;电源管理芯片U1的3脚与接插件J1的1脚、第一电容C1的一端、第二电容C2的正极连接,第一电容C1的另一端、第二电容C2的负极接地;电源管理芯片U1的2脚与第三电容C3的正极、第四电容C4的一端连接并作为3.3V的VCC电源输出,电源管理芯片U1的1脚与第三电容C3负极、第四电容C4的另一端连接并接地;电源管理芯片U1的4脚悬空;
所述的微功耗处理电路包括主控芯片U2、按键K1、双色发光二极管LED1、接插件J2、第一三极管Q1、第二三极管Q2,第一电阻R1、第二电阻R2、第三R3、第四R4、第五R5和第五电容C5;
主控芯片U2的1脚、2脚依次与接插件J2的2脚、3脚相连,接插件J2的1脚与VCC电源相连,接插件J2的4脚接GND;主控芯片U2的2脚与第一电阻R1的一端、第五电容C5的一端连接,第一电阻R1的另一端与VCC电源相连,第五电容C5的另一端接地;主控芯片U2的10脚、11脚、12脚、13脚与VCC电源相连,主控芯片U2的14脚与第三电阻R3的一端相连,第三电阻R3的另一端接第一三极管Q1的基极,第一三极管Q1的集电极与双色发光二极管LED1正极的r端相连,第一三极管Q1的发射极接VCC;主控芯片U2的15脚与第五电阻R5的一端相连,第五电阻R5的另一端接第二三极管Q2的基极,第二三极管Q2的集电极与双色发光二极管LED1正极的y端相连,第二三极管Q2的发射极接VCC;主控芯片U2的33脚与电源监测芯片U3的2脚连接;主控芯片U2的32脚与第二电阻R2的一端、按键K1的一端连接,第二电阻R2的另一端接VCC电源,按键K1的另一端接地;主控芯片U2的3脚、24脚、25脚、26脚、20脚、21脚、22脚、23脚、35脚、36脚、28脚、29脚、30脚、31脚分别与无线扩频通信模块U4的15脚、2脚、1脚、16脚、3脚、4脚、5脚、6脚、7脚、8脚、14脚、11脚、13脚、12脚相连;主控芯片U2的16脚与LED恒流源驱动芯片U5的4脚相连;主控芯片U2的37脚、38脚、43脚、44脚分别与三轴加速度传感器U6的4脚、5脚、7脚、8脚相连;主控芯片U2的6脚接心率监测传感器U7的1脚,主控芯片U2的4脚接三极管Q3的基极;主控芯片U2的17脚、18脚、19脚、47脚、48脚分别与OLED显示模块U8的3脚、4脚、5脚、6脚、7脚相连;主控芯片U2的其他引脚悬空;
所述的电量监测电路包括电源监测芯片U3和第六电阻R6;电源监测芯片U3的1脚接地,源监测芯片U3的3脚与VCC电源相连,电源监测芯片U3的2脚与主第六电阻R6的一端相连,第六电阻R6的另一端接GND;
所述的无线扩频通信电路主要包括无线扩频通信模块U4;无线扩频通信模块U4的9脚接VCC电源,10脚接GND;
所述的高亮LED驱动电路包括LED恒流源驱动芯片U5、第七电阻R7、第一电感L1、第六电容C6、第七电容C7、第二高亮发光管LED2、第一二极管D1;LED恒流源驱动芯片U5的1脚和第一电感L1的一端、第一二极管D1的一端相连,LED恒流源驱动芯片U5的2脚与第七电阻R7的一端、第六电容C6的一端、第七电容C7的一端连接并接地,LED恒流源驱动芯片U5的3脚和第七电阻R7的另一端、第二高亮发光管LED2的一端相连,LED恒流源驱动芯片U5的5脚与第一二极管D1的一端、第二高亮发光管LED2的另一端、第七电容C7的另一端相连,LED恒流源驱动芯片U5的6脚与第一电感L1的另一端、第六电容C6的另一端连接并接VCC电源;
所述的三轴加速度传感器电路包括三轴加速度传感器U6;三轴加速度传感器U6的1脚、6脚接地,三轴加速度传感器U6的2脚、3脚与VCC电源相连;
所述的心率监测电路包括心率监测传感器U7,第三三极管Q3;心率监测传感器U7的3脚与第三三极管Q3的集电极相连,第三三极管Q3的发射极接地,心率监测传感器U7的2脚接电源VCC;
所述的OLED显示电路包括OLED显示模块U8;OLED显示模块U8的1脚接GND,OLED显示模块U8的2脚与VCC电源相连。
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