一种基于北斗的户外便携式求救终端设计

桂林师范高等专科学校 李 和

桂林电子科技大学信息科技学院 欧阳玉梅

近年来，众多“驴友”加入户外探险运动的行列。针对山区复杂环境下移动信号失效时，遇险人员无法向外界发送求救信息的问题，设计一款基于北斗卫星导航系统定位及短报文功能应用的便携式求救终端设备。设备可以通过一键呼救按键，把遇险人员的位置信息发送至救援中心，从而得到精准快速的救援，对于提高户外探险运动的安全性具有重要作用。

近年来，众多“驴友”加入户外探险运动的行列。但当人们沉醉于野外的美景而流连忘返时，由于野外环境复杂以及可能突发的自然灾害，经常会使得人们陷入险境，甚至于威胁到生命安全，此时，时刻和外接保持联系就显得至关重要。显然，出门在外，大多数人都会携带手机和外界保持通讯，然而，在户外探险情况下，周围环境复杂恶劣，经常会面临手机信号不佳甚至没有信号的尴尬，这时人们与外界失去联系，这种情况对于身处险境的人们及搜救人员都是极为不利的。遇险者想要脱离险境得到救援，让外界获得自身的地理位置信息就尤为重要。北斗卫星导航系统是我国自主研发的全球卫星导航系统，由空间段、地面段和用户段三部分构成，可在全球范围内为各类用户提供全天候的高精度定位、导航和授时服务，同时具备短报文通信的能力。本文基于北斗卫星导航系统定位及短报文功能应用，设计一款户外便携式求救终端设备，用户遇险时可以通过一键呼救按键，把自身的地理位置等信息实时准确的发送至救援中心，从而获得精准快速的救援。

1 求救终端的总体结构

基于北斗系统的求救终端设备主要包括微处理器、存储器、电源、北斗RNSS定位模块、北斗RDSS通信模块、OLED显示模块和触摸按键等，其实现框图如图1所示。

图1 基于北斗系统的求救终端设备总体结构

当用户在非遇险情况下，终端处于休眠待机状态，并可通过OLED液晶显示屏查看当前的位置信息；当用户遇险需求救时，可以通过终端上一键呼救按键，将包含自身位置的求救信息以北斗短报文的形式发送出去，卫星将接收到的遇险求救信号转发到地面搜救中心，实现报警求救。

2 救援系统的硬件设计

北斗RNSS（Radio Navigation Satellite System）定位模块，是用来接收卫星无线电导航信号，完成用户位置、时间、速度等信息的获取。本次设计北斗定位模块采用的是和芯星通的UM220模块，该模块是双系统高性能GNSS模块，能稳定快速的接收北斗卫星的坐标信息，具有低功耗、高灵敏度和高精度的特点，在双系统水平下定位精度能达到2.5m CEP。且输入输出的电平为LVTTL，与单片机配合使用无需进行电平转换。

系统采用STC15F2K60S2单片机为主控处理器，控制北斗定位模块、一键呼救模块、北斗通信模块及电源模块、OLED显示模块等重要模块。单片机系统一方面对北斗RNSS定位模块送过来的卫星无线电导航信号进行读取、解析及综合处理后，得到用户的位置、时间等定位信息并在OLED液晶屏上显示出来；另一方面，当用户按下一键呼救按键时，单片机负责对解析后的定位信息按照标准的北斗短报文格式进行封装和打包，并将打包和封装好的用户定位信息传送至北斗RDSS通信模块。

北斗RDSS（Radio Determination Satellite Service）是另一种卫星无线电测定业务，其特点是在完成定位的同时，通过用户应答完成用户位置向外部系统的报告，这是北斗系统的重要特色，即北斗短报文服务功能。当用户按下一键呼救按键时，北斗RDSS通信模块受单片机控制启动，并将接收到单片机送过来的打包和封装好的短报文用户定位信息进行扩频、低中频调制，然后转换成大功率射频信号辐射到北斗卫星上去，再通过北斗卫星转发到地面救援中心，实现报警求救。本设计采用的是一款泰斗TD3201单模模块，其内部集成了北斗RDSS基带芯片TD1100A、RDSS射频收发芯片DT-A6、5W功放芯片LXK6618等电路，通过外接无源天线，即可实现北斗系统的短报文通信功能。

3 求救终端的软件设计

软件主要用C语言编写，当电源打开时，程序开始控制整个系统初始化进入工作状态，接着检测北斗模块信息是否有效，如果有效，单片机对北斗RNSS定位模块信息进行读取、解析及综合处理后，得到用户的位置、时间等定位信息存入指定的寄存器，并驱动OLED显示模块把坐标信息显示出来；如果无效，则重新获取数据。当用户按下一键呼救按键时，单片机发射程序启动，控制北斗RDSS通信模块以北斗短报文格式间隔30s发射一次用户坐标信息。

北斗RNSS定位信息格式采用的是NMEA-0183标准协议，NMEA-0183 是美国国家海洋电子协会为海用电子设备制定的标准协议，目前已成为北斗/GPS导航设备统一的标准协议。NMEA-0183协议采用ASCII码来传递定位信息，我们称之为帧，主要由帧头、帧内数据和帧尾组成。帧头主要有"$XXRMC"、"$XXGSA"、"$XXGSV"以及"$XXGGA"等，其中XX可能为以下三种情况：BD为北斗模式，GP为GPS模式，GN为双模模式。这些帧头标识了后续帧内数据的组成结构，各帧均以回车符和换行符作为帧尾结束标识。通常情况下，我们关心的定位信息如经纬度、海拔、时间等数据均可以从"$XXRMC"帧中获得。

北斗短报文协议，简称RDSS协议，最早的版本是4.0，由于4.0版本使用起来比较困难，在2015年前后推出了更加易用完善的2.1协议。RDSS 2.1协议的语句是以美元符号$开始，以英文字符,和*作为分隔符，以回车换行符 作为结束。RDSS 2.1协议的收发信息指令一般使用混合编码模式和代码编码模式。以混合编码模式为例，电文首字母固定为“A4”，按照先后顺序将每个字符转换成16进制数大写，如果16进制数不大于16，就在高位补0，英文用一个字节表示，汉字用两个字节表示，北斗系统全球短报文通信服务的单次通信能力为40汉字（560bit）。

结束语：以上是基于北斗系统定位及短报文功能应用设计的一款户外便携式求救终端设备，当用户在非遇险情况下，可通过OLED液晶显示屏查看当前的位置信息；当用户遇险需求救时，可以通过一键呼救按键，将包含自身位置的求救信息以北斗短报文的形式发送出至搜救中心，得到精准快速的救援。设备可有效提高户外探险及野外工作人员的安全性，让探险不再成为冒险。