CN114501334B - 一种户外团队安全保障系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种户外团队安全保障系统，包括多个终端节点，每个终端节点包括：生命体征监测子系统，用于采集当前用户的生命体征信息；无线通信外设，用于获取当前用户的位置信息，并完成用户间通信，多个无线通信外设通过基于LoRa的动态自组织网络通信，以获取其他用户的生命体征信息和位置信息，并将当前用户的生命体征信息和位置信息发送给其他无线通信外设；智能终端，对当前用户和其他用户的位置信息和生命体征信息进行显示，并根据其他用户的位置信息对当前用户的掉队风险进行分析。本发明能够在移动网络信号差的户外环境中实现团队各用户之间对位置信息和生命体征信息的共享，有效保障团队用户的安全。
Description
技术领域
本发明涉及无线网络技术领域，特别涉及一种户外团队安全保障系统。
背景技术
在政策的指引下户外运动产业蓬勃发展，户外运动参与人数越来越多。但是近几年户外运动安全事故频频发生，统计结果表明造成户外安全事故的两个主要原因为：迷路失踪和身体疾病。户外运动多在野外或山林间进行，所以户外运动用户存在三大痛点：痛点1，无网通信难。野外环境中由于缺少通信基站，团队成员间通信成为困难，无法进行位置信息共享。痛点2，安全保障难。传统的如对讲机一类的通信设备交互信息有限，无法对用户的生命体征进行监测。当用户生命体征异常时，无法及时寻求援助。痛点3，行进规划难，用户缺乏专业的行进规划，掉队迷路的情况常有发生。所以如果有一款安全设备能够在缺少移动通信网络的户外环境中为户外运动用户提供行进规划和生命体征监测等服务，意外事故发生率将大大降低。
针对网络通信的需求，现有技术公开了基于LoRa技术的通信系统，但是这种通信系统多以网关+节点的方式实现，网关的正常与否关系到整个系统的稳定，一旦网关发生故障将造成整个系统瘫痪，系统抗毁性低。
发明内容
本发明实施例提供了一种户外团队安全保障系统，用以解决现有技术中基于LoRa技术的通信系统抗毁性低、无法对用户进行生命体征监测和行进规划的问题。
一方面，本发明实施例提供了一种户外团队安全保障系统，包括多个终端节点，每个终端节点包括：
生命体征监测子系统，具有生命体征采集模块和第一无线通信模块，生命体征采集模块用于采集当前用户的生命体征信息；
智能终端，具有第二无线通信模块、位置显示模块、生命体征显示模块和掉队风险分析模块，第二无线通信模块用于通过第一无线通信模块获取当前用户的生命体征信息；
无线通信外设，具有第三无线通信模块、LoRa无线通信模块、微处理器和定位模块，定位模块用于获取当前用户的位置信息，多个无线通信外设的LoRa无线通信模块通过基于LoRa的动态自组织网络通信，第三无线通信模块用于通过第二无线通信模块获取当前用户的生命体征信息，并通过微处理器和LoRa无线通信模块将当前用户的生命体征信息和位置信息发送给其他无线通信外设，第三无线通信模块也通过微处理器和LoRa无线通信模块获取其他无线通信外设发送的其他用户的生命体征信息和位置信息，并将其他用户的生命体征信息和位置信息发送给第二无线通信模块；
第二无线通信模块获取其他用户的生命体征信息和位置信息后，由位置显示模块和生命体征显示模块分别显示当前用户和其他用户的位置信息和生命体征信息，掉队风险分析模块根据其他用户的位置信息对当前用户的掉队风险进行分析。
本发明中的一种户外团队安全保障系统，具有以下优点：
1、本发明采用基于LoRa的动态自组织网络，在该网络中所有终端节点的地位都是平等的，没有中心控制节点，是一种完全对等的网络。网络中的每个节点既可以充当终端节点，又可以充当中继转发节点。节点可以自由地加入和离开网络，网络中的任一节点因为故障脱离网络都不会导致网络瘫痪。网络抗毁性高，覆盖面积大。解决了在野外无网环境中团队成员间通信困难的痛点。
2、通过生命体征监测子系统对用户的生命体征信息进行实时监测。当用户生命体征异常时，通过智能终端对用户进行提醒，同时自动通过无线通信外设向网络中的其他用户广播告警信息，使用户在黄金救援时间内得到及时的救助，降低事故发生风险，解决用户安全保障难的痛点。
3、智能终端可对本节点用户和其他团队成员的位置信息进行分析与图形化显示，当用户有掉队风险时对用户进行提示，防止掉队迷路的情况发生，解决了用户行进规划难的痛点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的一种户外团队安全保障系统的组成示意图；
图2为本发明实施例提供的终端节点的组成示意图；
图3为本发明实施例提供的无线通信外设的立体结构示意图；
图4为本发明实施例提供的无线通信外设的侧面结构示意图；
图5为本发明实施例提供的终端节点发送数据的工作流程图；
图6为本发明实施例提供的终端节点接收数据的工作流程图。
附图标记说明：1-壳体，2-天线，3-充电口，41-44-电源指示灯，5-电源开关，6-太阳能发电板，7-佩戴夹。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有技术中，公开了多个针对户外团队安全的技术，例如上海上晟电子科技有限公司在其申请的专利文献“一种基于LoRa技术的野外救生救援背包系统与方法”(申请号202110583067.2，申请公布号CN113163333A，申请公布日2021.07.23)中，公开了一种基于LoRa技术的野外救生救援背包系统与方法。设计了一种缺失常规通讯网络环境中进行野外救生救援的电子系统，实现了一种通过LoRa通讯发出报警救生救援信息并实施采集环境、生物体征及地理位置定位数据的救生救援系统。系统采用LoRa通讯模块以及搭载在无人机平台上的动态部署的LoRa网关系统构成。“网关+节点”的组网方式，当网关出现故障停止工作后将造成网络瘫痪，网络抗毁性低。深圳市品优移动通信设备有限公司在其申请的专利文献“一种基于LoRa技术的户外探险应急管理系统”(申请号201910129421.7，申请公布号CN109839651A，申请公布日2019.06.04)中，公开了一种基于LoRa技术的户外探险应急管理系统，包括控制器、WIFI路由器和相控阵天线单元。通过WIFI路由器和多个相控阵天线进行网络连接，使其可在户外无基站信号覆盖区域进行使用，通过LoRa技术将用户的三维坐标发送至云平台。该系统虽然解决了无网环境下的通信问题，但没有对户外探险人员的生命体征进行监测，不能保障户外探险人员的安全。
针对现有技术中的问题，本发明提供了一种户外团队安全保障系统，能够在没有移动网络或移动网络信号差的户外环境中实现团队各用户之间对位置信息和生命体征信息的共享。
图1-2为本发明实施例提供的一种户外团队安全保障系统的组成示意图。本发明实施例提供了一种户外团队安全保障系统，包括多个终端节点，每个终端节点包括：
生命体征监测子系统，具有生命体征采集模块和第一无线通信模块，生命体征采集模块用于采集当前用户的生命体征信息；
智能终端，具有第二无线通信模块、位置显示模块、生命体征显示模块和掉队风险分析模块，第二无线通信模块用于通过第一无线通信模块获取当前用户的生命体征信息；
无线通信外设，具有第三无线通信模块、LoRa无线通信模块、微处理器和定位模块，定位模块用于获取当前用户的位置信息，多个无线通信外设的LoRa无线通信模块通过基于LoRa的动态自组织网络通信，第三无线通信模块用于通过第二无线通信模块获取当前用户的生命体征信息，并通过微处理器和LoRa无线通信模块将当前用户的生命体征信息和位置信息发送给其他无线通信外设，第三无线通信模块也通过微处理器和LoRa无线通信模块获取其他无线通信外设发送的其他用户的生命体征信息和位置信息，并将其他用户的生命体征信息和位置信息发送给第二无线通信模块；
第二无线通信模块获取其他用户的生命体征信息和位置信息后，由位置显示模块和生命体征显示模块分别显示当前用户和其他用户的位置信息和生命体征信息，掉队风险分析模块根据其他用户的位置信息对当前用户的掉队风险进行分析。
示例性地，第一无线通信模块、第二无线通信模块和第三无线通信模块均为采用蓝牙技术进行无线数据传输。生命体征监测子系统可以采用可穿戴式的智能设备，例如智能手环、智能手表等，其采集的生命体征信息包括但不限于心率和血压，佩戴生命体征监测子系统的用户即为当前用户。第一无线通信模块在向第二无线通信模块发送生命体征信息的同时，也接收第二无线通信模块发送的控制指令。
智能终端可以采用智能手机、智能平板电脑等智能设备，其能够以图形化的方式显示生命体征信息、位置信息等各种信息。智能终端还具有：参数配置模块，用于配置无线通信外设的通信信道、空中速率、发射功率和加密通信秘钥等参数。
如图3-4所示，无线通信外设主要包括壳体1，壳体1可以采用塑料等材料制成，其顶面上设置有天线2，天线2与位于壳体1内部的LoRa无线通信模块连接，以与其他的无线通信外设通信。壳体1内部设置有电池，该电池可以采用锂离子蓄电池，其用于向第三无线通信模块、LoRa无线通信模块、微处理器和定位模块供电。壳体1的一外侧面上设置有太阳能发电板6，太阳能发电板6用于将太阳能转化为电能，并向电池充电。壳体1的顶面上还可以设置充电口3，该充电口3与电池连接，通过该充电口3可以向电池充电，或者向外部的电子设备充电。壳体1的外侧面上还设置有多个电源指示灯41-44，电源指示灯41-44与电池连接，用于显示电池的剩余电量，当电池的剩余电量发生变化时，电源指示灯41-44的点亮状态也可以发生相应变化，例如，当电池剩余电量在75％-100％时，所有的电源指示灯41-44均点亮；当电池剩余电量在50％-75％时，电源指示灯41-43均点亮，电源指示灯44熄灭；当电池剩余电量在25％-50％时，电源指示灯41-42均点亮，电源指示灯43-44均熄灭；当电池剩余电量在0％-25％时，电源指示灯41点亮，电源指示灯42-44均熄灭。
壳体1的侧面上还设置有电源开关5和佩戴夹7，电源开关5用于控制电池向第三无线通信模块、LoRa无线通信模块、微处理器和定位模块供电。佩戴夹7则用于将无线通信外设夹持在用户的衣物、背包等物品上。
微处理器可以采用32位微处理器，定位模块可以采用GPS(Global PositioningSystem，全球定位系统)/北斗双模定位模块，其能够对用户所处位置的经度、纬度、海拔等信息进行采集，同时接收GPS和北斗定位电文，相较于普通的单模定位模块，搜星能力更强，定位精度更高。LoRa无线通信模块可实现各终端节点之间的动态自组网多跳通信，对用户位置信息和生命体征信息在网络内共享。网络中所有终端节点的地位都是平等的，没有中心控制节点，是一种完全对等的网络。网络中的每个节点既可以充当终端节点，又可以充当中继转发节点，节点可以自由地加入和离开网络，网络中的任一节点因为故障脱离网络都不会导致网络瘫痪。
智能终端还具有地图显示模块，该模块用于在移动通信网络良好的情况下获取地图，并在移动网络较差时显示地图。在地图显示模块显示地图后，位置显示模块将当前用户和其他用户的位置信息显示在地图上。
在一种可能的实施例中，掉队风险分析模块根据当前用户的位置信息以及其他用户的位置信息确定当前用户的掉队风险，当掉队风险大于设定的掉队阈值时，对当前用户发出掉队提醒信息。
示例性地，可以根据当前用户的位置信息和其他用户的位置信息确定当前用户与其他用户之间的距离，并根据该距离确定相应的掉队风险。上述的掉队阈值可以由用户自定义，也可以使用系统默认值。
在一种可能的实施例中，智能终端还具有：告警模块，用于在当前用户的生命体征信息超出设定的安全阈值时，向当前用户发出安全提醒信息。
示例性地，安全阈值可以为一个区间值，当用户的生命体征信息中的任一项高于区间值的最大值或低于区间值的最小值，告警模块都将发出安全提醒信息。当前用户使用的智能终端可以通过声音、振动或显示内容的变化展示安全提醒信息。
在一种可能的实施例中，当告警模块向当前用户发出安全提醒信息后，第二无线通信模块还将安全提醒信息发送至第三无线通信模块，第三无线通信模块通过微处理器和LoRa无线通信模块将安全提醒信息发送至其他无线通信外设。
示例性地，其他用户使用的智能终端收到安全提醒信息后，也可以通过声音、振动或显示内容的变化展示安全提醒信息。其他用户可以按照安全提醒信息所指示的用户位置前往救助。
在一种可能的实施例中，无线通信外设采用时间随机的方式接入信道。
示例性地，无线通信外设使用其独立且唯一的物理地址作为终端节点在网络中的网络编号，省去了终端节点加入网络时协商分配网络编号的过程。
为了减少无线通信外设在对外广播本地数据包时与其他无线通信外设广播的数据包发生碰撞的概率，无线通信外设采用时间随机的方式接入信道。无线通信外设定期向网络中其他无线通信外设广播本地信息数据包，两次广播的时间间隔为T1：
T1＝t1+r1t2 (1)
其中和t1和t2均为常数，可根据网络中终端节点的密度进行调整。终端节点密度越大，t1和t2越大。r1∈[0,1]的随机数，无线通信外设每广播一次本地数据包都会重新生成r1，因此无线通信外设接入信道的时间完全随机，可减少无线通信外设间广播消息的碰撞，无线通信外设接入信道时使用标准的802.11CSMA/CA技术。以上过程称为信道随机接入机制。
在一种可能的实施例中，无线通信外设接收其他无线通信外设广播的数据包，并对本地路由表进行更新；当无线通信外设收到网络中其他无线通信外设广播的数据包时，首先记录接收到该数据包的时间，然后更新本地路由表中与该无线通信外设之间的链路状态为正常；若收到的是新增终端节点广播的数据包，则在本地路由表中增加新的路由信息；无线通信外设还定期检查本地路由表中收到网络中其他各无线通信外设广播的数据包的时间，当超出时间阈值未收到某无线通信外设广播的数据包则确定与该无线通信外设的链路状态异常，同时更新本地路由表。
示例性地，无线通信外设可以周期性的向其他无线通信外设广播数据包。以上过程称为链路状态更新机制。
在一种可能的实施例中，当无线通信外设广播本地信息数据包时，将本地路由表中的路由信息采用捎带技术融合在本地信息数据包中；当无线通信外设收到上一跳无线通信外设广播的数据包时，检查数据包中捎带的路由信息，根据概率P确定是否需要对该数据包进行转发，如果需要转发，则无线通信外设作为候选转发外设。
示例性地，如图6所示，若上一跳无线通信外设和本无线通信外设的经纬度坐标分别为(Lon1,Lat1)和(Lon2,Lat2)，则
P＝λ1P1+λ2P2+λ3P3 (2)
y＝α1-α2 (8)
其中，d为本无线通信外设与上一跳无线通信外设之间的距离，R为地球半径，D为LoRa无线通信模块的最大通信距离，距离上一跳无线通信外设越远则P1越大。n为本地路由表中链路状态正常的其他无线通信外设的数量，N为网络中无线通信外设的总数量，本地路由表中链路状态正常的无线通信外设越少则P2越大。Er为无线通信外设中电池的剩余电量，E0为无线通信外设中电池的容量，无线通信外设剩余电量越多则P3越大。λ1、λ2和λ3均为常数，分别为P1、P2和P3的权重系数，满足λ1+λ2+λ3＝1。本无线通信外设距离上一跳无线通信外设的距离越远，本地路由表中链路状态正常的其他无线通信外设的数量越少，剩余电量越多，计算得到的转发概率P越大。计算得到P之后，无线通信外设生成一个随机数r2∈[0,1]，当r2小于P时，无线通信外设成为候选转发外设，否则成为非候选转发外设。以上过程称为概率转发机制。
在一种可能的实施例中，当无线通信外设作为候选转发外设后，在对数据包进行转发之前等待时间T2，在等待时间T2期间，如果无线通信外设收到了待转发数据包被其他无线通信外设转发的副本，则取消转发数据包。
示例性地，时间T2根据下式确定：
T2＝(1-P)t3 (11)
其中P为本无线通信外设的转发概率，t3为最大等待时间。则转发概率大的无线通信外设即适合转发该数据包的无线通信外设将等待较短的时间后对该数据包进行转发。在等待时间T2期间若本无线通信外设收到待转发数据包被其他无线通信外设转发的副本，则表明已有其他无线通信外设对该数据包进行了转发，为了减轻网络负担，则本无线通信外设取消转发待转发数据包。若T2时间内没有收到待转发数据包被其他无线通信外设转发的副本，则本无线通信外设对待转发数据包进行转发。数据包每被转发一次，将该数据包生存时间加1，当无线通信外设收到的数据包达到最大生存时间则将该数据包丢弃，防止广播风暴。以上过程称为冗余广播抑制机制。
在一种可能的实施例中，当无线通信外设发出的数据包需要被转发，则无线通信外设在发出数据包后等待时间τ，若时间τ内无线通信外设没有收到数据包被转发的副本，则无线通信外设重新广播一次数据包。
示例性地，如图5所示，当本无线通信外设广播的数据包被通信范围内的其他无线通信外设转发后，则本无线通信外设将收到该数据包被转发的副本，通过上述等待重新广播的处理可加大数据包被转发的概率。以上过程称为信息可达性增强机制。
在一种可能的实施例中，在无线通信外设A收到无线通信外设B广播的数据包后，若从数据包的路由信息中发现无线通信外设A与无线通信外设B之间的链路异常，则无线通信外设A更新本地路由表中与无线通信外设B的链路状态为非对称信道，此时无线通信外设A对外广播的数据包经过其他无线通信外设转发给无线通信外设B。
示例性地，由于无线信道环境十分复杂，可能造成在单跳通信范围内无线通信外设A可以收到无线通信外设B的消息，但无线通信外设B无法收到无线通信外设A的消息，即非对称信道问题。以上处理克服了非对称信道导致的无线通信外设B无法收到无线通信外设A广播消息的问题。上述过程称为非对称信道通信机制。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (4)
1.一种户外团队安全保障系统，其特征在于，包括多个终端节点，每个所述终端节点包括：生命体征监测子系统，具有生命体征采集模块和第一无线通信模块，所述生命体征采集模块用于采集当前用户的生命体征信息；智能终端，具有第二无线通信模块、位置显示模块、生命体征显示模块和掉队风险分析模块，所述第二无线通信模块用于通过所述第一无线通信模块获取当前用户的生命体征信息；无线通信外设，具有第三无线通信模块、LoRa无线通信模块、微处理器和定位模块，所述定位模块用于获取当前用户的位置信息，多个所述无线通信外设的LoRa无线通信模块通过基于LoRa的动态自组织网络通信，所述第三无线通信模块用于通过所述第二无线通信模块获取当前用户的生命体征信息，并通过所述微处理器和LoRa无线通信模块将当前用户的生命体征信息和位置信息发送给其他无线通信外设，所述第三无线通信模块也通过所述微处理器和LoRa无线通信模块获取其他无线通信外设发送的其他用户的生命体征信息和位置信息，并将其他用户的生命体征信息和位置信息发送给所述第二无线通信模块；
所述第二无线通信模块获取其他用户的生命体征信息和位置信息后，由所述位置显示模块和生命体征显示模块分别显示当前用户和其他用户的位置信息和生命体征信息，所述掉队风险分析模块根据其他用户的位置信息对当前用户的掉队风险进行分析；
所述掉队风险分析模块根据当前用户的位置信息以及其他用户的位置信息确定当前用户的掉队风险，当所述掉队风险大于设定的掉队阈值时，对当前用户发出掉队提醒信息；
所述智能终端还具有：告警模块，用于在当前用户的生命体征信息超出设定的安全阈值时，向当前用户发出安全提醒信息；
当所述告警模块向当前用户发出安全提醒信息后，所述第二无线通信模块还将所述安全提醒信息发送至所述第三无线通信模块，所述第三无线通信模块通过所述微处理器和LoRa无线通信模块将所述安全提醒信息发送至其他无线通信外设；
当所述无线通信外设广播本地信息数据包时，将本地路由表中的路由信息采用捎带技术融合在本地信息数据包中；当所述无线通信外设收到上一跳无线通信外设广播的数据包时，检查数据包中捎带的路由信息，根据概率P确定是否需要对该数据包进行转发，如果需要转发，则所述无线通信外设作为候选转发外设；
所述上一跳无线通信外设和本无线通信外设的经纬度坐标分别为(Lon1,Lat1)和(Lon2,Lat2)，通过公式得到所述概率P的三个值P1、P2、P3，公式如下所示：
P＝λ1P1+λ2P2+λ3P3
y＝α1-α2
其中，d为所述上一跳无线通信外设和本无线通信外设之间的距离，R为地球半径，D为LoRa无线通信模块的最大通信距离，n为本地路由表中链路状态正常的其他无线通信外设的数量，N为网络中无线通信外设的总数量，Er为无线通信外设中电池的剩余电量，E0为无线通信外设中电池的容量，λ1、λ2、λ3均为常数，分别是P1、P2、P3的权重系数；
当所述无线通信外设作为候选转发外设后，在对数据包进行转发之前等待时间T2，在等待时间T2期间，如果所述无线通信外设收到了待转发数据包被其他无线通信外设转发的副本，则取消转发数据包；
当所述无线通信外设发出的数据包需要被转发，则所述无线通信外设在发出数据包后等待时间τ，若时间τ内所述无线通信外设没有收到数据包被转发的副本，则所述无线通信外设重新广播一次数据包。
2.根据权利要求1所述的一种户外团队安全保障系统，其特征在于，所述无线通信外设采用时间随机的方式接入信道。
3.根据权利要求1所述的一种户外团队安全保障系统，其特征在于，所述无线通信外设接收其他无线通信外设广播的数据包，并对本地路由表进行更新；
当所述无线通信外设收到网络中其他无线通信外设广播的数据包时，首先记录接收到该数据包的时间，然后更新本地路由表中与该无线通信外设之间的链路状态为正常；
若收到的是新增终端节点广播的数据包，则在本地路由表中增加新的路由信息；
所述无线通信外设还定期检查本地路由表中收到网络中其他各无线通信外设广播的数据包的时间，当超出时间阈值未收到某无线通信外设广播的数据包则确定与该无线通信外设的链路状态异常，同时更新本地路由表。
4.根据权利要求1所述的一种户外团队安全保障系统，其特征在于，在无线通信外设A收到无线通信外设B广播的数据包后，若从数据包的路由信息中发现无线通信外设A与无线通信外设B之间的链路异常，则无线通信外设A更新本地路由表中与无线通信外设B的链路状态为非对称信道，此时无线通信外设A对外广播的数据包经过其他无线通信外设转发给无线通信外设B。
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