CN108270927B - 一种基于手机的生命救助仪及救助方法 - Google Patents

一种基于手机的生命救助仪及救助方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于手机的生命救助仪及救助方法。本发明基于智能手机，以手机为载体，利用三轴加速度传感器获取人体任意时刻的三轴加速度，来判断人体是否因地震处于被埋状态，若判断出人体处于被埋状态，手机进入省电模式，手机电源关闭除电磁波发射模块、音频分析模块和高频声波模块以外的所有供电。本发明不需要额外复杂的设备，以与人空间性相关性非常高的手机作为求救信号发射装置，通过发射电磁波信号求助模式和音频模式相结合的方式，实现对外发送求助信号和自助式救援相结合的精准快捷的定位，极大的提升了救助的成功率；本发明克服了传统搜救方法耗时长、效率低、操作复杂等缺点，具有重要人的推广价值和意义，挽救更多无辜的生命。

Description

一种基于手机的生命救助仪及救助方法
技术领域
本发明属于地震灾后搜救设备技术领域，具体涉及一种基于手机的生命救助仪及救助方法。
背景技术
我国是一个地震多发国家，也是世界上蒙受地震灾害最为深重的国家之一。在破坏性地震发生后，许多被压埋人员都是因为没有得到及时、有效的抢救而窒息、失血而死亡，因此震灾后及时抢救被压埋人员，是减少人员伤亡最有效的方法。实施抢救的前提是“搜索”，即对生命体信息的识别、定位能力。
目前，地震发生后传统的搜救手段主要有搜救犬法，声波振动探生仪法、红外热像仪法、光学探生仪法等方法,都有不足之处，在实际地震灾害中搜救成功率较低。
搜救犬法是对犬类经过特殊培训后，利用犬远高于人类的气味的辨别能力、听力和在光线微弱条件下视物的能力，在地震灾害现场进行搜索和救援的方法。该方法虽然在一定程度上有效，搜救犬能工作的时间一般只有30分钟，因而无法进行长时间搜救。
声波振动探生仪法是通过探测和分析幸存者的移动、敲击和呼吸等微小振动信号，确定被困人员位置的方法。
红外热像仪法利用红外探测器和光学成像物镜接受人的身体的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得被困人员的红外热像图，从而确定其位置的方法。
光学探生仪法是将一个小巧的光学探头按装在一根细杆端部，这根细杆可以从废墟的缝隙中伸进去，从而在荧光屏观察到被埋人员及其所处的状态的方法。这三类方法都需借助外部精密的仪器，只适合在相对较小的范围内进行搜索，在大面积的灾害现场，使用探生设备寻找被压埋人员犹如大海捞针，效率极低。
有效的搜救方法成为提高救助成功率的关键，也是备震、抗震研究工作的重要内容。随着社会的进步，移动通信技术的发展，移动电话的使用已极为普遍，日常生活中，人们也已经习惯了随身携带着手机。因此，在震后搜救行动中，探测到被埋手机信号在很大程度上代表探测到被压埋者。相对于其他生命探测技术，手机信号生命探测在很多方面都具有其显著的优越性。首先，使用利用手机进行探测的系统，可以直接利用现有的网络和通信设备，不需要额外的设备，因此成本低廉。其次，随着移动电话的普及已经到了基本每个人都有一部的程度，使用手机信号进行生命探测既可以最大限度的利用已有的成熟的手机定位服务，又能提高搜救工作的成功率，最后，手机信号的探测区域通过基站对其进行覆盖，范围广，没有盲区，大部分的城区，特别是人口密集地区和话务量大的区域已经实现了全网无缝覆盖，即便发生了大的灾难导致部分地区手机信号丢失，也可以通过移动的车载基站或者临时搭建修复的基站形成信号范围宽广的蜂窝网，继续保持对手机终端目标的定位探测，从而增加了搜救工作的灵活性和广泛性。所以近年来利用探测手机信号进行搜救的方法已成为了先进搜救方法的主要研究方向之一。
鉴于此，本文提出一种凭借手机传递电磁波和声波信号来实现来确定被压埋人员的位置的技术方案，此方案可以克服目前探测方法的单一性、不灵活性和低效率，特别是在大面积灾区内的搜索救援能迅速获取震区被压埋人员数量及位置分布，为救援力量的部署提供必要信息，提高救援效率。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明设计了一种以手机为载体的能够实现对外发送求助信号和自助式搜索附近救援相结合的基于手机的生命救助仪及救助方法。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种基于手机的生命救助仪，基于智能手机，包括：
三轴加速度传感器，用于获取人体任意时刻的三轴加速度，并利用人体的合加速度幅值来判断人体是否因地震处于被埋状态，若判断出人体处于被埋状态，三轴加速度感应器控制手机进入省电模式；
手机电源模块，为手机工作供电，当手机进入省电模式，关闭除电磁波发射模块、音频分析模块和高频声波模块以外的所有供电；
电磁波发射模块，当手机进入自动省电模式，将手机GPS定位的地理坐标及表示身份IMSI号以电磁波的形式发送出求助信号，求助信号由近地卫星接收以锁定被埋人员的位置；
音频分析模块，利用音频接口构成音频分析仪，当手机进入自动省电模式，手机自动提取埋压周围的震动信息，用于测定埋压周围是否存在人声，以发出求助音频求助信号；
高频声波模块，接收音频分析模块的埋压周围人声震动信息后，自动开启发出啸叫的求助声音信号，以准确定位被埋人员的位置。
进一步地，所述的电磁波发射模块包括光感应器、继电器开关、微型信号发射器及编码子模块，编码子模块用于将手机GPS定位的地理坐标及表示身份IMSI号编译成摩斯码，当手机进入省电模式，光感应器和继电器开关使微型信号发射器工作，将编码子模块编译的手机GPS定位的地理坐标及表示身份IMSI号的摩斯码后以电磁波的形式发送出求助信号。
进一步地，所述的音频分析模块由音频分析子模块GoldWave和音频接口组成，音频分析子模块GoldWave根据快速傅里叶变换的方法对采集的音频信号进行频谱分析，得到音频信号的频率及功率，以此来判别周围是否有人的声音，从而确定周围是否有搜救人员经过。
进一步地，所述的音频分析模块和高频声波模块通过信号转换模块连接。
进一步地，所述的高频声波模块由声音驱动电路和扬声器组成，当音频分析模块搜索到埋压周围人声震动信息后，通过信号转换模块将数字信号转变为电信号并传递到声音驱动电路中，声音驱动电路控制扬声器发出啸叫，搜救人员根据接收到的啸叫求助声音信号，获得被埋人员的准确位置，实施救援工作。
一种基于手机的生命救助仪的救助方法，其特征在于，步骤如下：
(1)利用三轴加速度传感器判断人体是否处于被埋状态
利用三轴加速度传感器获取人体任意时刻的三轴加速度，人体的合加速度a的幅值与设定的阀值进行比较来判断人是否处于被埋状态，若没有则手机正常运行，若判断出人体处于被埋状态，三轴加速度感应器控制手机进入省电模式；
所述的设定的阀值为10m/s2。
人体的合加速度a的幅值的计算原理如下：
基于地震突然来临时人体会失去平衡，此时身体一般会呈现倾向某一方向倾倒的状态，建立直角坐标系以Z轴对应人体直立时的垂直轴，X轴对应人体的前后向水平轴，Y轴对应人体左右侧向水平轴，X、Y、Z轴相互正交，建立人体姿态加速度坐标模型；当人体处于站立或行走状态时，X轴和Y轴的加速度接近0而Z轴的加速度接近g；当人体发生跌倒被埋时，三维加速度及其矢量和会发生改变。通过采集X、Y、Z三个方向上的加速度，运用物理公式：
式中：a为人体的合加速度；
(2)手机进入省电模式
当手机进入省电模式，电源模块关闭除电磁波发射模块、音频分析模块和高频声波模块以外的所有供电；
(3)发射求助信号
当手机进入省电模式，电磁波发射模块中的光感应器及继电器开关触发微型信号发射器工作，将编码子模块编译的手机GPS定位的地理坐标及表示身份IMSI号的摩斯码后以电磁波的形式发送出求助信号，求助信号由近地卫星接收以锁定被埋人员的位置；
(4)音频分析模式提取周围震动信息
利用音频接口构成音频分析仪，当手机进入自动省电模式，手机自动提取埋压周围的震动信息，用于测定埋压周围是否存在人声，以发出求助声音信号；
所述的利用音频接口构成音频分析仪，由音频接口与音频分析软件GoldWave组成，当手机进入自动省电模式，手机自动提取埋压周围的震动信息，音频分析软件GoldWave根据快速傅里叶变换的方法对采集的音频信号进行频谱分析，得到音频信号的频率及功率，以此来判别周围是否有人的声音，从而确定周围是否有搜救人员经过，以发出求助声音信号进一步精确定位需要救助人员的位置；
(5)高频声波模式发出求助声音信号
音频分析模块的埋压周围人声震动信息后，通过信号转换模块，将音频分析模块的数字信号转变为电信号并传递到高频声波的声音驱动电路中，声音驱动电路控制扬声器发出啸叫，搜救人员根据接收到的啸叫求助声音信号，获得被埋人员的准确位置，实施救援工作。
(6)精确定位需救助人员的位置
搜救人员根据接收到的啸叫求助声音信号，通过三点定位的方法，精确定位啸叫求助声音信号的声源位置，即需救助人员的位置。
所述的三点定位的方法的原理和方法如下：
根据声速340m/s，S点为需救助人员的准确位置，发出求助音频声音信号后，根据A、B两点接收器收到的啸叫求助声音信号的时间差，可以推算出AS、BS的距离差，根据这个距离差可以画出一条双曲线，同样原理，根据A、C两点接收到的啸叫求助声音信号的时间差，可以推算出AS、CS的距离差，根据AS、CS距离差画出另一条双曲线，两条双曲线的交点即为S点；
具体定位方法计算公式如下：
AS-BS＝2a1
AS-CS＝2a2
AB＝2c1
AC＝2c2
设需救助人员的位置坐位为S(x，y)，则得到双曲线方程组：
Matlab程序代码为：
syms x y
[x,y]＝solve(40*(x-50)^2-30*y^2-1200,30*(y-50)^2-40*x^2-1200)；
x＝double(x),y＝double(y)
输入相应的a1、a2、c1、c2值，即可确定S点的位置，即需救助人员的准确位置。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1、本发明在求救过程中不需要额外复杂的设备，以与人空间性相关性非常高的手机作为求救信号发射装置，增大了求救的成功率；
2、设计了手机自动省电方案，能最大限度地利用手机中的电量，极大地增加了灾后获救的机率；
3、通过发射电磁波信号求助模式和音频模式相结合的方式，实现对外发送求助信号和自助式搜索附近救援相结合的精准快捷的定位，极大的提升了救助的成功率；
本发明简便实用，克服了传统搜救方法耗时长、效率低、操作复杂等缺点，有望发展成经济实用的地震后救援手段，挽救更多无辜的生命。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的工作流程图；
图3是本发明实施例1中电磁波求助信号发射的手机界面；
图4是本发明实施例1中音频分析模式的手机界面；
图5是本发明实施例1中三点定位方法的工作原理图。
图中：1三轴加速度传感器、2、手机电源模块、3电磁波发射模块、4音频分析模块、5高频声波模块、6光感反应器、7继电器、8微型信号发射器、10声音驱动电路、11扬声器、12、手机。
具体实施方式
下面结合实例对本发明的技术方案作进一步具体说明。
实施例1
如图1所示，一种基于手机的生命救助仪，基于智能手机，以手机为载体，包括：
三轴加速度传感器1，用于获取人体任意时刻的三轴加速度，并利用人体的合加速度幅值来判断人体是否因地震处于被埋状态，若判断出人体处于被埋状态，三轴加速度感应器控制手机进入省电模式；
手机电源模块2，为手机工作供电，当手机进入省电模式，关闭除电磁波发射模块、音频分析模块和高频声波模块以外的所有供电；
电磁波发射模块3，主要包括光感应器6、继电器开关7、微型信号发射器8(发射频率为121.5MHz)及编码子模块，编码子模块用于将手机GPS定位的地理坐标及表示身份IMSI号编译成摩斯码，当手机进入省电模式，光感应器和继电器开关7使微型信号发射器8工作，将编码子模块编译的手机GPS定位的地理坐标及表示身份IMSI号的摩斯码后以电磁波的形式发送出求助信号，求助信号由近地卫星接收以锁定被埋人员的位置；
音频分析模块4，由音频分析子模块GoldWave和音频接口组成，当手机进入自动省电模式，手机自动提取埋压周围的震动信息，音频分析子模块GoldWave根据快速傅里叶变换的方法对采集的音频信号进行频谱分析，得到音频信号的频率及功率，用于测定埋压周围是否存在人声，以判断周围是否有搜救人员经过，以发出求助声音信号；
音频分析模块4和高频声波模块5通过信号转换模块9连接，信号转换模块为数模转换电路；
高频声波模块5，由声音驱动电路10和扬声器11组成，当音频分析模块4搜索到埋压周围人声震动信息后，通过信号转换模块9将数字信号转变为电信号并传递到声音驱动电路10中，声音驱动电路10控制扬声器11发出啸叫，搜救人员根据接收到的啸叫求助声音信号，获得被埋人员的准确位置，实施救援工作。
如图2所示，一种基于手机的生命救助的方法，步骤如下：
(1)利用三轴加速度传感器判断人体是否处于被埋状态
利用三轴加速度传感器1获取人体任意时刻的三轴加速度，人体的合加速度a的幅值与设定的阀值进行比较来判断人是否处于被埋状态，若没有则手机正常运行，若判断出人体处于被埋状态，三轴加速度感应器控制手机进入省电模式；
所述的设定的阀值为10m/s2。
人体的合加速度a的幅值的计算原理如下：
基于地震突然来临时人体会失去平衡，此时身体一般会呈现倾向某一方向倾倒的状态，建立直角坐标系以Z轴对应人体直立时的垂直轴，X轴对应人体的前后向水平轴，Y轴对应人体左右侧向水平轴，X、Y、Z轴相互正交，建立人体姿态加速度坐标模型；当人体处于站立或行走状态时，X轴和Y轴的加速度接近0而Z轴的加速度接近g；当人体发生跌倒被埋时，三维加速度及其矢量和会发生改变。通过采集X、Y、Z三个方向上的加速度，运用物理公式：
式中：a为人体的合加速度；
(2)手机进入省电模式
当手机进入省电模式，电源模块2关闭除电磁波发射模块、音频分析模块和高频声波模块以外的所有供电；
(3)发射求助信号
当手机进入省电模式，电磁波发射模块3中的光感应器6和继电器开关7使微型信号发射器8(发射频率为121.5MHz)工作，将编码子模块编译的手机GPS定位的地理坐标及表示身份IMSI号的摩斯码后以电磁波的形式发送出求助信号，发电磁波求助信号的手机界面如图3所示，求助信号由近地卫星接收以锁定被埋人员的位置；
为进一步精确定位需救助人员位置，设计了音频模式，与电磁波信号发射相辅相成，在地震后搜救工作中完成对被埋人员最终的定位。
(4)音频分析模式提取周围震动信息
音频分析模块4利用音频接口构成简单的音频分析仪，音频分析模块4主要由音频分析软件GoldWave和音频接口组成，当手机进入自动省电模式，手机自动提取埋压周围的震动信息，本实施例中为手机GPS定位位置10米以内范围的震动信息，如图4所示，手机界面会显示音频波形、频谱、分贝的水平，音频分析软件GoldWave根据快速傅里叶变换的方法对采集的音频信号进行频谱分析，得到音频信号的频率及功率，以此来判别周围是否有人的声音，从而确定埋压10米以内范围是否有搜救人员经过；
(5)高频声波模式发出求助声音信号
高频声波模块5由声音驱动电路10和扬声器11组成，当音频分析模块4获得埋压10米以内范围人声震动信息后，通过信号转换模块9即数模转换电路将数字信号转变为电信号并传递到声音驱动电路10中，声音驱动电路10控制扬声器11发出啸叫，搜救人员通过三点定位的方法获得需要救助的被埋人员的准确位置；
(6)精确定位需救助人员的位置
搜救人员根据接收到的啸叫求助声音信号，通过三点定位的方法，精确定位啸叫求助声音信号的声源位置，即需救助人员的位置。
如图5所示，三点定位方法的工作原理为：
根据声速340m/s，S点为需救助人员的准确位置，发出求助音频声音信号后，根据A、B两点接收到音频声音的时间差，可以推算出AS、BS的距离差，根据这个距离差可以画出一条双曲线，同样原理，根据A、C两点接收到音频声音的时间差，可以推算出AS、CS的距离差，根据AS、CS距离差画出另一条双曲线，两条双曲线的交点即为S点；
具体定位方法计算公式如下：
AS-BS＝2a1
AS-CS＝2a2
AB＝2c1
AC＝2c2
设需救助人员的位置坐位为S(x，y)，则得到双曲线方程组
Matlab程序代码为：
syms x y
[x,y]＝solve(40*(x-50)^2-30*y^2-1200,30*(y-50)^2-40*x^2-1200)；
x＝double(x),y＝double(y)
输入相应的a1、a2、c1、c2值，即可确定S点的位置，即需救助人员的准确位置。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于手机的生命救助仪的救助方法，所述生命救助仪包括：三轴加速度传感器，用于获取人体任意时刻的三轴加速度，并利用人体的合加速度幅值来判断人体是否因地震处于被埋状态，若判断出人体处于被埋状态，三轴加速度感应器控制手机进入省电模式；手机电源模块，为手机工作供电，当手机进入省电模式，关闭除电磁波发射模块、音频分析模块和高频声波模块以外的所有供电；电磁波发射模块，当手机进入自动省电模式，将手机GPS定位的地理坐标及表示身份IMSI号以电磁波的形式发送出求助信号，求助信号由近地卫星接收以锁定被埋人员的位置；音频分析模块，利用音频接口构成音频分析仪，当手机进入自动省电模式，手机自动提取埋压周围的震动信息，用于测定埋压周围是否存在人声，以发出求助音频求助信号；高频声波模块，接收音频分析模块的埋压周围人声震动信息后，自动开启发出啸叫的求助声音信号，以准确定位被埋人员的位置；所述的电磁波发射模块包括光感应器、继电器开关、微型信号发射器及编码子模块，编码子模块用于将手机GPS定位的地理坐标及表示身份IMSI号编译成摩斯码，当手机进入省电模式，光感应器和继电器开关使微型信号发射器工作，将编码子模块编译的手机GPS定位的地理坐标及表示身份IMSI号的摩斯码后以电磁波的形式发送出求助信号；所述的音频分析模块由音频分析子模块GoldWave和音频接口组成，音频分析子模块GoldWave根据快速傅里叶变换的方法对采集的音频信号进行频谱分析，得到音频信号的频率及功率，以此来判别周围是否有人的声音，从而确定周围是否有搜救人员经过；所述的音频分析模块和高频声波模块通过信号转换模块连接；所述的高频声波模块由声音驱动电路和扬声器组成，当音频分析模块搜索到埋压周围人声震动信息后，通过信号转换模块将数字信号转变为电信号并传递到声音驱动电路中，声音驱动电路控制扬声器发出啸叫，搜救人员根据接收到的啸叫求助声音信号，获得被埋人员的准确位置，实施救援工作；其特征在于，步骤如下：
(1)利用三轴加速度传感器判断人体是否处于被埋状态
利用三轴加速度传感器获取人体任意时刻的三轴加速度，人体的合加速度a的幅值与设定的阈值进行比较来判断人是否处于被埋状态，若没有则手机正常运行，若判断出人体处于被埋状态，三轴加速度感应器控制手机进入省电模式；
人体的合加速度a的幅值的计算原理如下：
基于地震突然来临时人体会失去平衡，此时身体一般会呈现倾向某一方向倾倒的状态，建立直角坐标系以Z轴对应人体直立时的垂直轴，X轴对应人体的前后向水平轴，Y轴对应人体左右侧向水平轴，X、Y、Z轴相互正交，建立人体姿态加速度坐标模型；当人体处于站立或行走状态时，X轴和Y轴的加速度接近0而Z轴的加速度接近g；当人体发生跌倒被埋时，三维加速度及其矢量和会发生改变；通过采集X、Y、Z三个方向上的加速度，运用物理公式：
式中：a为人体的合加速度；
所述的人体的合加速度a的幅值与设定的阈值进行比较来判断人是否处于被埋状态，所述的设定的阈值为10m/s2；
(2)手机进入省电模式
当手机进入省电模式，电源模块关闭除电磁波发射模块、音频分析模块和高频声波模块以外的所有供电；
(3)发射求助信号
当手机进入省电模式，电磁波发射模块中的光感应器及继电器开关触发微型信号发射器工作，将编码子模块编译的手机GPS定位的地理坐标及表示身份IMSI号的摩斯码后以电磁波的形式发送出求助信号，求助信号由近地卫星接收以锁定被埋人员的位置；
(4)音频分析模式提取周围震动信息
利用音频接口构成音频分析仪，当手机进入自动省电模式，手机自动提取埋压周围的震动信息，用于测定埋压周围是否存在人声，以发出求助声音信号；
所述的利用音频接口构成音频分析仪，由音频接口与音频分析软件GoldWave组成，当手机进入自动省电模式，手机自动提取埋压周围的震动信息，音频分析软件GoldWave根据快速傅里叶变换的方法对采集的音频信号进行频谱分析，得到音频信号的频率及功率，以此来判别周围是否有人的声音，从而确定周围是否有搜救人员经过，以发出求助声音信号进一步精确定位需要救助人员的位置；
(5)高频声波模式发出求助声音信号
音频分析模块的埋压周围人声震动信息后，通过信号转换模块，将音频分析模块的数字信号转变为电信号并传递到高频声波的声音驱动电路中，声音驱动电路控制扬声器发出啸叫，搜救人员根据接收到的啸叫求助声音信号，获得被埋人员的准确位置，实施救援工作；
(6)精确定位需救助人员的位置
搜救人员根据接收到的啸叫求助声音信号，通过三点定位的方法，精确定位啸叫求助声音信号的声源位置，即需救助人员的位置；
所述的三点定位的方法的原理和方法如下：
根据声速340m/s，S点为需救助人员的准确位置，发出求助音频声音信号后，根据A、B两点接收器收到的啸叫求助声音信号的时间差，可以推算出AS、BS的距离差，根据这个距离差可以画出一条双曲线，同样原理，根据A、C两点接收到的啸叫求助声音信号的时间差，可以推算出AS、CS的距离差，根据AS、CS距离差画出另一条双曲线，两条双曲线的交点即为S点；
具体定位方法计算公式如下：
AS-BS＝2a1
AS-CS＝2a2
AB＝2c1
AC＝2c2
设需救助人员的位置坐位为S(x，y)，则得到双曲线方程组：
Matlab程序代码为：
syms x y
[x,y]＝solve(40*(x-50)^2-30*y^2-1200,30*(y-50)^2-40*x^2-1200)；
x＝double(x),y＝double(y)
输入相应的a1、a2、c1、c2值，即可确定S点的位置，即需救助人员的准确位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于手机的生命救助仪的救助方法，其特征在于，所述的利用音频接口构成音频分析仪，由音频接口与音频分析软件GoldWave组成，当手机进入自动省电模式，手机自动提取埋压周围的震动信息，音频分析软件GoldWave根据快速傅里叶变换的方法对采集的音频信号进行频谱分析，得到音频信号的频率及功率，以此来判别周围是否有人的声音，从而确定周围是否有搜救人员经过，以发出求助声音信号进一步精确定位需要救助人员的位置。
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