CN106817779A - 户外无线救援手表自组网系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种户外无线救援手表自组网系统，包括：手表外壳，所述手表外壳内设有处理器芯片，所述处理器芯片连接有无线通信模块，RFID模块，心率模块，计步模块，以及GPS北斗定位模块，所述外壳上设有与所述处理器芯片相连接的控制按钮，所述无线通信模块用于在户外预定范围内的救援手表之间形成自组织Ad Hoc网络；还包括与所述处理芯片连接的供电电池；发出者通过无线通信模块发出联网请求，接受者获取到发出者发生预定的危险时，接受者与发送者组成Ad Hoc网络，并获取发送者定位信息，发送与所述预定的危险相对应的应急信息至发送者。

Description

户外无线救援手表自组网系统

技术领域

本发明涉及一种户外无线救援手表自组网系统。

背景技术

随着电子技术和传感器技术的进步，小型化的可穿戴体征监测设备得到了人们的关注，智能手环、智能手表得到了人们的青睐，这些设备可以通过内部自身传感器采集体征、姿态信息，然后利用蓝牙将数据传递到客户终端。虽然智能手环等设备已经商用，但是对于面向高原地区的生命体征信息的采集、高原游客救助尚缺乏成熟的实用产品。

风行于高原地区的原始生态旅游和登山、探险等特种旅游，一直是川西和青藏地区旅游的热点。但是，受突发高原病威胁和影响，高血压、心脏病患者出现突发状况甚至猝死的现象屡见不鲜，迷路失踪更是对高原遇险游客雪上加霜，高原景区管理部门对遇险病人的搜救难度极大，成本很高而成功率低。对于心脏病、高血压、肺水肿等突发病情，一般救助时间均为几分钟内，高原地区更短。心脏猝死病人急救时间每耽误1分钟，成功救援的几率就下降10％，如果救援时间延迟6分钟，大脑供血会有明显减少，对人体引起不可逆的破坏。所以，一般最佳黄金抢救时间为4分钟至6分钟。

随着过去十数年无线通讯技术的快速发展与规格的不断进化，各种不同的无线技术不论是GSM、GPS、WLAN(如Wi-Fi)、Bluetooth等都开始逐渐出现、并普及于日常生活中。无线通讯技术本身即已博大精深，而在导入至各式电子装置与应用领域时，更必须考虑到电磁干扰(Electromagnetic Interference，即一般通称的EMI)与电磁兼容(Electromagnetic Compat，EMC)的问题，以避免相关功能受到干扰而产生讯号劣化、影响其正常运作。然而，尽管世界各地已纷纷立法建立相关的电磁规范，关注于对电磁辐射与RF(Radio Frequency)射频的限制，但在面对不同通讯模块彼此间可能产生相互干扰的这个状况下，却难以有一套固定的标准，去预防或解决相关难题，这也因此成为各产品开发商最需加以克服的重点。除此之外，加上近来可携式装置的热潮以及通讯功能的多元化，使得这些相关通讯模块与天线，皆必须设计成更加轻薄短小的体积，来符合行动应用的需求，这样的状况更使得产品要做到最佳化设计更为难上加难。要在极其狭小与精简的空间中，建置更多不同的无线模块与天线，这些组件彼此间势必将更容易产生噪声干扰、而影响到其传输表现，因为经常观察到像是传输距离变短、传输速率降低等等不利于产品通讯性能的状况。

随着无线通信的广泛应用，无线频道变得非常拥挤，频道资非常源紧张，干扰繁多、严重。由于扩频通信技术有很多优点可以克服这些问题，并且可以提供更高的保密技术，因此，规划了无线433MHZ频段并批准扩频通信使用该频段来，扩频通信技术得到了快速的发展和广泛的应用。

无线433MHZ频段的传输特点是：433MHZ是我们国家的免申请段发射接收频率，可直接使用不需要管理，433频段抗干扰强，并支持各种点对点，一点对多点的无线数据通讯方式，具有收发一体、安全隔离、安装隔离、使用简单、性价比高、稳定可靠等特点，只要发射功率足够大，长距离传输时没有问题的。

在一些工业现场应用恶劣不易布线，可用无线传输减少人力物力的投资。有线方式有其固有的缺陷，如布线复杂、易遭雷击、安装及维护成本高等。近年来，无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出无线传感器网络，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传输网络优势：增强了抗雷击能力，传统传感器网络是靠电缆传输数据和供电，而无线传感器网络节点采用电池供电，无线方式传输数据；产品施工时只需把产品节点固定合适位置即可，安装位置灵活，节约了布成本。

传统的无线蜂窝通信网络，像2G、3G、4G网络，需要固定的网络设备如基地站的支持，进行数据的转发和用户服务控制，在没有基站信号覆盖的偏远地带无法使用。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种以提升救援人员与指挥中心的沟通效果，进而提高救援的进度和效率的户外无线救援手表自组网系统。

本发明户外无线救援手表自组网系统，包括：若干通过自组织Ad Hoc网络进行网络通讯的手表，所述手表包括手表外壳，所述手表外壳内设有处理器芯片，所述处理器芯片连接有用于记录用户的身份信息的RFID芯片，无线通信模块，磁力计模块、计步模块、心率模块、气压高度模块以及GPS北斗定位模块，所述外壳上设有与所述处理器芯片相连接的控制按钮，所述处理器芯片还连接有SOS求救模块，所述外壳上设有SOS求救按钮；

处理器芯片以预定时间间隔获取心率模块采集的使用者的心率，若心率数据不正常，则无线通信模块发出组网请求，所述无线通信模块用于在户外预定范围内的救援手表之间形成自组织Ad Hoc网络；还包括与所述处理芯片连接的供电电池；

用户按下SOS键，发出救援信息，包括：处理器芯片通过无线通信模块将用户的当前位置、心率状态数据发送出去；接受者获取到发出者发生预定的危险时，接受者与发送者组成Ad Hoc网络，并获取发送者定位信息，发送与所述预定的危险相对应的应急信息至发送者。

进一步地，用户发送救援信息还包括：发送采取间隔发送的方式：在发送消息被接受者确认接收之前，救援信息以短时间间隔频率发送，当消息确认接收后，救援信息以长时间间隔频率发送；所有处于发送节点无线覆盖范围内的其他用户都将接收到发送的救援信息，接收者如果有条件进行救援或者通知专业救援中心，回复发送者确认信息，否则将信息转发出去，直到消息被确认；其中，救援信息以短时间间隔频率发送也即救援信息每分钟发送一次，救援信息以长时间间隔频率发送也即救援信息每10分钟发送一次。

进一步地，还包括中继器，中继器接收到救援信息后，回复发送者，发送者发出的救援信息以长时间间隔频率发送；如果中继器持有者具备救援条件，则回复发送者等待救援消息；如果不具备救援条件，该中继器将保存发送者的救援信息，并在该中继器的网络覆盖范围内转发救援信息。

进一步地，还包括转发器，所述转发器包括4G模块和WIFI网络模块，用于将救援信息通过4G或WIFI转发到预定的救援中心。

进一步地，所述的中继器、转发器均包括搜救模块，所述搜救模块用于存储手表的注册ID，以预定时间间隔向存储各个注册ID对应的手表发送搜救指令，若移动到注册ID对应的手表的无线范围内，且注册ID对应的手表没有在3秒内回复安全信息，则搜救模块将用户的坐标和心率状态回复给中继器或者转发器。

进一步地，所述电池为可充电锂电池。

进一步地，所述信息定位模块是指全球卫星定位系统GPS软件模块或北斗卫星导航系统软件模块。

有益效果

本发明户外无线救援手表自组网系统与现有技术具备如下有益效果：

本发明户外无线救援手表自组网系统，采用无线自组网技术进行组网，不需要固定设备支持，各节点即用户终端自行组网，通信时，由其他用户节点进行数据的转发。这种网络形式突破了传统无线蜂窝网络的地理局限性，能够更加快速、便捷、高效地部署，适合于一些紧急场合的通信需要，如战场的单兵通信系统及本项目的紧急救援系统。

附图说明

图1是本发明五个节点组成的无线自组网示意图；

图2是本发明无线自组网络拓扑图；

图3是本发明户外无线救援手表的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

本实施例户外无线救援手表自组网系统，包括：若干通过自组织Ad Hoc网络进行网络通讯的手表，所述手表包括手表外壳，所述手表外壳内设有处理器芯片，所述处理器芯片连接有用于记录用户的身份信息的RFRD芯片，无线通信模块，磁力计模块、计步模块、心率模块、气压高度模块以及GPS北斗定位模块，所述外壳上设有与所述处理器芯片相连接的控制按钮，所述处理器芯片还连接有SOS求救模块，所述外壳上设有SOS求救按钮；

所述无线通信模块用于在户外预定范围内的救援手表之间形成自组织Ad Hoc网络；还包括与所述处理芯片连接的供电电池；

用户按下SOS键，发出救援信息，包括：处理器芯片通过无线通信模块将用户的当前位置、心率状态数据发送出去；接受者获取到发出者发生预定的危险时，接受者与发送者组成Ad Hoc网络，并获取发送者定位信息，发送与所述预定的危险相对应的应急信息至发送者。

本实施例中，RFID中保存有设备用户的姓名、血型、疾病史等信息，如果救援到达时用户已经昏迷或者无法说出自己的信息时，直接读取RFID即可获取相关信息，即使设备因发送时间过长处于断电状态也不会影响RFID的读取。

本实施例中，设备节点自组网

在正常情况下，所有设备节点均处于接收模式。一旦某个设备用户感知到危险时，立即按下SOS键，设备将会切换到发送模式，将设备用户的当前位置、心率状态等数据发送出去。为了节省功耗，保证设备能够长时间工作，发送采取间隔发送的方式：在发送消息确认接收之前，每分钟发送一次，当消息确认接收后，改为10分钟发送一次。所有处于发送节点无线覆盖范围内的其他用户都将接收到发送的求救信息，接收者如果有条件进行救援或者通知专业救援中心，可以回复发送者确认信息，否则将信息转发出去，直到消息被确认。

实施例2

本实施例本实施例户外无线救援手表自组网系统，在实施例1的基础上，配有中继器的自组网，中继器具有大容量电池和更强的天线，无线覆盖范围更广，续航时间更长，但是体积更大，一般一个行动一致的团队配备一个中继器，并且中继器由具备救援条件的成员或者设备持有。一旦中继器接收到求救信息后，立即回复发送者，让发送者处于长间隔发送模式以降低功耗。如果中继器持有者具备救援条件将会立即实施救援，如果不具备救援条件，中继器将保存发送者的救援信息，替代发送者进行范围更广的转发。

实施例3

本实施例本实施例户外无线救援手表自组网系统，在实施例2的基础上，配有转发器的自组网，转发器不但具有大容量电池和更强的天线，无线覆盖范围更广，续航时间更长，而且具有4G和WIFI网络，可以将救援信息通过4G和WIFI转发到预定的救援中心，能够确保发送者的求救信息能够被收到。

实施例4

本实施例本实施例户外无线救援手表自组网系统，在实施例3的基础上，所述的中继器、转发器均包括搜救模块，所述搜救模块用于存储手表的注册ID，以预定时间间隔向存储各个注册ID对应的手表发送搜救指令，若移动到注册ID对应的手表的无线范围内，且注册ID对应的手表没有在3秒内回复安全信息，则搜救模块将用户的坐标和心率状态回复给中继器或者转发器。搜救的具体方法：每个节点设备可以事先在中继器或者转发器进行ID注册，当某个已注册的设备用户因为紧急情况来不及按SOS键求救时，中继器或者转发器可以移动向目标ID设备发送搜救指令，一旦移动到目标ID设备的无线范围内，该ID设备就能接收到搜救指令。接收到搜救指令的设备会启动确认界面，用户如果3秒内不确认或者无法确认自己安全，设备会自动将用户的坐标和心率状态回复给中继器或者转发器，然后等待救援。

上述各实施例中，所述信息定位模块是指全球卫星定位系统GPS软件模块或北斗卫星导航系统软件模块。还包括与所述处理器芯片相连的视频采集模块，用于采集救援现场的图像信息，并将所述图像信息传送到Ad Hoc网络中的其他手表。

本发明不局限于保护433MHz这个频段，实际上这个频率是可调的(137-1020MHz)，目前采用433MHz是因为这个频段是开放的，任何人都可以使用。如果用户可以在无线委员会那里获取到专用频段，设备是可以调节到那个频段的，专用频段因为用的人少，干扰少，能够传输更远距离。

自组织与独立组网：

Ad hoc网络不需要任何预先架设的无线通信基础设施，所有节点通过分层的协议体系与分布式算法来协调每个节点各自的行为；节点可以快速、自主和独立地组网；

无中心控制节点：Ad hoc网络是一种对等结构的网络；网络中所有节点的地位平等，没有专门用于分组路由、转发的路由器；任何节点可以随时加入或离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络系统的工作；

多跳路由：

由于每个节点的无线发射功率的限制，每个节点的覆盖范围都有限；有效发射功率之外的节点之间通信，必须通过中间节点的多跳转发来完成；由于Ad hoc网络不需要使用路由器，因此分组转发由多跳节点按照路由协议来协同完成；

动态拓扑：

由于Ad hoc网络允许节点根据自己的需要开启或关闭，并且允许节点在任何时间以任意速度和方向移动，同时受节点的地理位置、无线通信信道发射功率、天线覆盖范围，以及信道之间干扰等因素的影响，使得节点之间的通信关系会不断变化，造成Ad hoc网络的拓扑会动态改变；因此，要保证Ad hoc网络的正常工作，就必须采取特殊的路由协议与实现方法。

无线自组网不需要固定设备支持，各节点即用户终端自行组网，通信时，由其他用户节点进行数据的转发。这种网络形式突破了传统无线蜂窝网络的地理局限性，能够更加快速、便捷、高效地部署，适合于一些紧急场合的通信需要，如战场的单兵通信系统及本项目的紧急救援系统。

IEEE将无线自组网定义为一种特殊的自组织、对等式、多跳、无线移动网络(Mobile Ad hoc NETwork，MANET)，它是在无线分组网的基础上发展起来的。研究无线自组网的动机其实很简单。在军事应用中，如果多个头盔中带有无线网络节点的单兵之间要进行通信，需要借助于传统互联网中的路由器的话，那么在战场上只要找到路由器的位置，把路由器破坏掉，那么整个网络的通信就中断了，配备再好设备的单兵也无法接受上级的指令，就变成了“无头苍蝇”。于是，设计者提出了另一种思路：让每一个单兵头盔上的计算装置既能够计算，又能够作为路由器参与组网与转发数据。这样，无论士兵之间的相互位置如何改变，他们头盔中的无线自组网节点天线能够快速地接收到邻近节点的无线信号，节点的路由器模块再根据当时的相邻节点位置，启动路由算法，自动调整节点之间的通信关系，形成新的网络拓扑结构。无线自组网的基本工作原理如图1所示。

无线自组网(Ad hoc)采用的是一种不需要基站的“对等结构”移动通信模式，网络中所有联网设备可以在移动过程中动态组网。例如，一群坦克、装甲运兵车、军舰、飞机、一个战斗集体的战士头盔上的计算设备之间，都可以在移动过程中组成Ad hoc网络，完成传达命令、用文字、语音、图像与视频方式交换战场信息的目的。在紧急救援领域，一个救援小分队可以动态组成一个Ad hoc网络，提高沟通效率和救援安全；当某一个成员发生危险或者找到待救援人员时，可以通过无线自组网发送救援信息，并将自己的位置信息和需求信息同时发送出去，小队其他人员都可以收到该信息并且转发出去。因此，Ad hoc网络是一种不需要建立基站的无线移动网络，是一种可以在任何地点、任何时刻迅速构建的移动自组织网络。

Ad hoc网络具有以下几个主要特点：

(1)自组织与独立组网

Ad hoc网络不需要任何预先架设的无线通信基础设施，所有节点通过分层的协议体系与分布式算法来协调每个节点各自的行为。节点可以快速、自主和独立地组网。

(2)无中心控制节点

Ad hoc网络是一种对等结构的网络。网络中所有节点的地位平等，没有专门用于分组路由、转发的路由器。任何节点可以随时加入或离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络系统的工作。

(3)多跳路由

由于每个节点的无线发射功率的限制，每个节点的覆盖范围都有限。有效发射功率之外的节点之间通信，必须通过中间节点的多跳转发来完成。由于Ad hoc网络不需要使用路由器，因此分组转发由多跳节点按照路由协议来协同完成。

(4)动态拓扑

由于Ad hoc网络允许节点根据自己的需要开启或关闭，并且允许节点在任何时间以任意速度和方向移动，同时受节点的地理位置、无线通信信道发射功率、天线覆盖范围，以及信道之间干扰等因素的影响，使得节点之间的通信关系会不断变化，造成Ad hoc网络的拓扑会动态改变。因此，要保证Ad hoc网络的正常工作，就必须采取特殊的路由协议与实现方法。

(5)无线传输的局限与节点能量的限制性

由于无线信道的传输带宽比较窄，部分节点可能采用单向传输信道，同时无线信道易受干扰和窃听，因此必须采取特殊的技术保证Ad hoc网络的安全性、可扩展性。同时，由于移动节点必须具有携带方便、轻便灵活的特点，因此在CPU、内存与整体外部尺寸上都有比较严格的限制。移动节点一般使用电池来供电，每个节点中的电池容量有限，节点能量受限，因此必须采用节约能量的措施，以延长节点工作时间。

(6)网络生存时间的限制

Ad hoc网络通常是针对某种特殊目的而临时构建的，例如用于战场、救灾与突发事件等，在事件结束后Ad hoc网络应该自行结束使命并消失，因此Ad hoc网络相对于固定网络而言是临时性的，生存时间是短暂的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种户外无线救援手表自组网系统，其特征在于，包括：若干通过自组织Ad Hoc网络进行网络通讯的手表，所述手表包括手表外壳，所述手表外壳内设有处理器芯片，所述处理器芯片连接有用于记录用户的身份信息的RFID芯片，无线通信模块，磁力计模块、计步模块、心率模块、气压高度模块以及GPS北斗定位模块，所述外壳上设有与所述处理器芯片相连接的控制按钮，所述处理器芯片还连接有SOS求救模块，所述外壳上设有SOS求救按钮；

处理器芯片以预定时间间隔获取心率模块采集的使用者的心率，若心率数据不正常，则无线通信模块发出组网请求，所述无线通信模块用于在户外预定范围内的救援手表之间形成自组织Ad Hoc网络；还包括与所述处理芯片连接的供电电池；

用户按下SOS键，发出救援信息，包括：处理器芯片通过无线通信模块将用户的当前位置、心率状态数据发送出去；接受者获取到发出者发生预定的危险时，接受者与发送者组成Ad Hoc网络，并获取发送者定位信息，发送与所述预定的危险相对应的应急信息至发送者。

2.根据权利要求1所述的户外无线救援手表自组网系统，其特征在于，用户发送救援信息还包括：发送采取间隔发送的方式：在发送消息被接受者确认接收之前，救援信息以短时间间隔频率发送，当消息确认接收后，救援信息以长时间间隔频率发送；所有处于发送节点无线覆盖范围内的其他用户都将接收到发送的救援信息，接收者如果有条件进行救援或者通知专业救援中心，回复发送者确认信息，否则将信息转发出去，直到消息被确认；其中，救援信息以短时间间隔频率发送也即救援信息每分钟发送一次，救援信息以长时间间隔频率发送也即救援信息每10分钟发送一次。

3.根据权利要求2所述的户外无线救援手表自组网系统，其特征在于，还包括中继器，中继器接收到救援信息后，回复发送者，发送者发出的救援信息以长时间间隔频率发送；如果中继器持有者具备救援条件，则回复发送者等待救援消息；如果不具备救援条件，该中继器将保存发送者的救援信息，并在该中继器的网络覆盖范围内转发救援信息。

4.根据权利要求3所述的户外无线救援手表自组网系统，其特征在于，还包括转发器，所述转发器包括4G模块和WIFI网络模块，用于将救援信息通过4G或WIFI转发到预定的救援中心。

5.根据权利要求4所述的户外无线救援手表自组网系统，其特征在于，所述的中继器、转发器均包括搜救模块，所述搜救模块用于存储手表的注册ID，以预定时间间隔向存储各个注册ID对应的手表发送搜救指令，若移动到注册ID对应的手表的无线范围内，且注册ID对应的手表没有在3秒内回复安全信息，则搜救模块将用户的坐标和心率状态回复给中继器或者转发器。

6.根据权利要求1所述的户外无线救援手表自组网系统，其特征在于，所述电池为可充电锂电池。

7.根据权利要求1所述的户外无线救援手表自组网系统，其特征在于，所述信息定位模块是指全球卫星定位系统GPS软件模块或北斗卫星导航系统软件模块。