2024年5月30日发(作者：左丘夏容)
第
44
卷第
2
期
2021
年
4
月
电子器件
Chinese
Journal
of
ElccLmn
Devices
Vol.
44
No.
2
Apr.
2021
Design
of
Field
Search
and
Rescue
Monitoring
System
Based
on
Beidou
Positioning
and
LoRa
Wireless
Technology
*
LI
Lu'
,
HU
Nairui
1,2
*
，
WANG
]unyi
(1.
School
of
Electronic
and
Information
Engineering
,
Shenyang
Aerospace
University
,
Shenyang
Liaoning
110136,
China
；
2.
Shenyang
Institute
of
Automation
,
Chinese
Academy
of
Sciences
,
Shenyang
Liaoning
110016,
China
)
Abstract
:
In
recent
years
,
exLreme
sporLs
in
the
wild
have
become
a
popular
Lrend
,
but
Lhere
are
huge
saieLy
hazards
which
will
consume
a
lot
of
manpower
,
material
resources.
Therefore
,
a
field
search
and
rescue
monitoring
system
based
on
Beidou
positioning
and
LoRa
wireless
technology
is
described.
The
system
consists
of
wearable
devices
,
a
monitoring
hub
and
a
LoRa
repeater
drone.
The
Beidou
module
was
used
to
obtain
the
location
information
of
personnel
,
and
the
adaptive
Kalman
filtering
algorithm
was
used
to
improve
the
positioning
accuracy.
LoRa
wireless
communication
repeater
mounted
on
uav
ensures
the
stability
of
information
transmission
,
avoids
the
influence
of
radio
transmission
in
non-line-of-sight
environment
,
and
realizes
ultra-long
distance
communication.
The
personnel
inf
()
rma-
tion
will
be
uploaded
to
the
ground
station
in
real
time
for
real-time
monitoring
,
so
that
the
rescue
personnel
can
make
corresponding
decisions
and
deployment.
The
software
,
hardware
and
data
processing
design
of
the
system
are
intro
duced
,
and
the
test
results
are
given.
The
results
show
that
:
the
system's
root-mean-square
positioning
error
is
3
m
,
and
it
can
accurately
obtain
the
location
information
of
personnel
and
transmit
it
to
the
ground
monitoring
center
in
real
time
,
providing
more
accurate
reference
information
for
the
field
search
and
rescue
operations.
Key
words
:
BeiDou
navigation
satellite
system
；
adaptive
Kalman
；
wireless
communication
network
；
mobile
terminal
;
PC
monitor
EEACC
：
7210
doi
：
l
0
・
3969/j
・
issn
.1005-949
0
・
2021
・
02
・
031
基于北斗定位与
LoRa
无线技术的
野外搜救监测系统设计
*
李露打胡乃瑞・
2
*
，
王君祎
1
(1.
沈阳航空航天大学电子信息工程学院
，
辽宁沈阳
110136
；
2.
中国科学院沈阳自动化研究所
，
辽宁沈阳
110016)
摘
要
：
近年来野外极限运动成为流行趋势,但因其存在巨大的安全隐患
，
开展活动前会消耗大量的人力
、
物力
。
因此设计
了一种基于北斗定位与
LoRa
无线技术的野外搜救监测系统
。
该系统由可穿戴设备
、
地面监测中心站以及搭载
LoRa
中继器
的无人机组成
。
采用北斗模块获取人员位置信息
,
并使用自适应
Kalman
滤波算法提高系统定位精度。
使用搭载在无人机上
的
LoRa
无线通信中继器保障了信息传递的稳定性
，
有效地避免了无线电在非视距环境下传播带来的影响
，
实现超远距离的
通信
。
同时将人员信息实时上传至地面站进行实时监测
，
便于救援人员做出相应决策部署
。
介绍了该系统的软硬件及数据
处理设计方案
，
并给出了实验测试结果。
结果表明
:
该系统的定位均方根误差为
3
m
左右
,
能够精准地获取人员位置信息并实
时传递给地面监测中心
，
能为野外搜救行动提供更准确的参考信息
。
关键词
：
北斗卫星导航系统
；
自适应
Kalman
;
无线通信网络
;
移动终端
;PC
监测
中图分类号
:
TN926
文献标识码
:
A
文章编号
：
1005-9490
(
2021
)
02-0428-06
项目来源
:
沈阳航空航天大学
2020
年大学生创新创业训练计划项目
(D268901
);
中国民用航空局
2019
年度民航
安全监管能力建设项目
收稿日期
：
2020-06-16
修改日期
：
2020-08-11
第
2
期李
露
，
胡乃瑞等
：
基于北斗定位与
LoRa
无线技术的野外搜救监测系统设计
429
如今
，
一些科学技术手段正逐渐被应用于野外
搜救行动中
。
无人机或者载人飞机常常被利用在快
速搜寻事故现场
，
通过在目标区域低飞勘察进行救
援活动工
。
但是目前的技术还无法得到遇难者的
精准位置
，
需经过长时间搜寻才能被发现
，
同时还会
出现运营商片区基站损坏或信号弱覆盖区域
，
若使
用蜂窝网络通信系统可能会受到干扰
，
往往会耽误
搜救的黄金时间
，
造成遇险人员身体损害甚至失去
生命
：
2
］
。
提出一款基于北斗定位与
LoRa
无线技术的野
外搜救监测系统
。
由于实际应用中卫星导航系统在
一定程度上会受到环境条件
、
电磁波变化等因素的
影响
，
本设计在采集并解析出北斗模块所传输的位
置数据后
，
对其进行自适应
Kalman
滤波处理以提高
该系统的定位精度
。
该系统采用搭载
LoRa
无线模
块的无人机作为中继器实现自组网
，
能够避免监测
区域内灌木
、
建筑物等因素对无线电传播的影响
，
保
证了该系统数据的远距离传输
。
倘若使用多架无人
机并合理规划部署位置
，
能够显著增强地面无线设
备的链接性,扩展通信网络的覆盖范围
。
同时
，
作为
移动的空中基站
，
还能够提供可靠的上下行通信
，
提
升无线网络的能力
，
具有良好的灵活性
3
。
在野外活动开始前
，
人员穿戴集成北斗定位模
块的移动终端设备
。
当使用者处于危险环境时
，
按
下紧急报警按钮
，
通过由
LoRa
无线模块组成的无
线通信网络向地面站发出求救信号
，
并实时上传人
员的位置信息给地面监测中心
。
监测软件是一款由
Qt
设计的上位机软件
,
能够实时地显示求救人员的
位置信息
，
便于监测整个搜救行动的进行
。
该野外
搜救系统的设计能有效跟踪遇险人员
，
并将信息实
时上传到地面检测中心
，
方便搜救人员明确携带必
要的医疗器械和药物
，
为开展搜救行动提供更完备
准确的参考信息
，
为实施有针对性的救援提供了
可能
。
1
系统总体设计
本系统由目标用户端和地面检测中心
2
部分组
成
,
二者之间通过由无人机搭载
LoRa
无线模块组
成的无线通信网络传递数据
。
目标用户端主要由主
控单元
stm32F103C8T6
、
北斗定位模块
、
OLED12864
显示模块
、
按键模块
、
LED
模块
、
无线模块等组成
。
地面检测中心由无线模块和
PC
端检测软件组成
。
利用
Qt
设计一款专用的上位机软件
，
可将无线模块
传来的信息进行解析
，
并显示在监测软件上
,
便于救
援人员开展搜救行动
，
具体模型框架如图
1
所示
。
2
系统硬件设计
2.1
主控单元最小系统电路
该野外搜救监测系统主控单元的最小系统电路
如图
2
所示
，
本设计采用的是
stm32F103C8T6
芯片
作为主控芯片
，
该款单片机程序和静态数据存储器
容量是
512KB
，
RAM
存储为
64KB
，
具有专为要求高
性能
、
低成本
、
低功耗的嵌入式应用设计的
ARM32
位
Cortex-M
内核芯片
+
5
］
。
根据本设计中定位及
无线通信功能的实际需求
，
结合
STM32
单片机自身
特点
，
编写软件程序实现定位模块信息的采集
、
数据
处理
、
按键及无线通信等功能
。
其丰富的库函数资
源为基于北斗定位与
LoRa
无线技术的监测系统的
设计带来了极大的方便
。
2.2
无线通信系统
该搜救监测系统采用的通信设备为
LoRa
无线
模块
，
是一款基于
SX1268
射频芯片的无线串口模
块
，
具有多种传输方式
，
该模块支持空中唤醒
，
非常
适合超低功耗应用
。
在本设计中利用
433
MHz
无
线收发模组进行信息的传递
，
通过
LoRa
扩频通信
技术
,
普通环境下能够实现
5
000
m
的通信距离
［
6
］
。
在该野外搜救监测系统中选用了其自动中继组网的
功能
，
能够实现超远距离的通信
，
同一区域使多个网
络同时运行
。
由于在实际数据传输中
，
可能会出现
地形地貌
、
人工建筑等会对无线通信网络造成干扰
的情况
,
于是选用了无人机搭载无线模块作为中继
器传输数据
，
具有灵活性强,搭建成本低等优点
。无
线通信系统示意图如图
3
所示
，
被测人员佩戴含有
无线模块的移动设备作为信息的发射端
，
无人机搭
载无线模块作为中继器模块
，
地面监测中心与无线
模块相连作为信息的接收模块
。
430
电子器件
第
44
卷
k
i
r
-F
聽
—
f
T
"
s
a
d
—
IH
O
Im
L
U
V
G
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V
C
T
S
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I
O
Z
U
Hd
O
y
VBAT
Y
PC13/TEMPER_RTC
T
PC14/OSC32_IN
■7
PC15/OSC32_OUT
7
PDO/OSCJN
7
PD1/OSC_OUT
*
NRST
寸
ffl
I
溜
=
」
一
」
C^D
PC14
PC15
OSCIN
OSCOUT
NRST
卜
Z
H
O
35
33
僵
一
」
3V3
卜
■y
VSSA
VDDA
PA0_WKUP/AN0/TIM2_CHl
7T
RA.1ZAN1/T1M2_CH2
—
RA2/AN2/TX2/TTM2_CH3
命
忙
ll
寸
-fi
鈕
31
30
29
一
」
」
」
一
IH
O
Im
ll/
O
S
IW
E
W
L
L
/
I
S
O
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s
H
d
sshruds&NV
va
I
PE
PE
I
-Q'
O
A
IIS
S
A
25
3
V3
3V3
图
2
取小系统电路图
救系统中通过调用
NMEA-0183
协议的命令能够得
到时间
、
经纬度
、
地面速率等有用信息
。
该定位模块
具有体积小
，
能够兼容
3.3
V/5
V
电平的特点
，
方便
与各种单片机系统连接
。
该模块还自带可充电后备
电池
，
可以掉电保持星历数据
。
定位模块通过串口
与处理器进行通信,其接口连接电路如图
5
所示
。
LoRa
无线技术
传输网络
图
3
无线通信系统
在使用
LoRa
无线模块时
，
先对模块进行工作
模式
、
参数配置
，
程序中对串口进行初始化设置
，
通
过串口通信实现位置信息的传递
。
其接口电路如图
4
所示
。
图
5
定位模块与处理器电路
2.3
定位模块
该搜救系统的定位模块采用的是一款高性能的
ATK-1218-BD
GPS/
北斗双模定位模块
[7]
o
在该搜
3
软件设计
3.1
精准定位软件设计
精准定位的软件设计流程如图
6
所示
。
首先
,
第
2
期
李露
，
胡乃瑞等
：
基于北斗定位与
LoRa
无线技术的野外搜救监测系统设计
431
初始化根据
SkyTraq
控制协议对定位模块的串口波
特率、
PPS
输出脉冲宽度
、
输出频率等进行设置
。
然
后循环等待卫星数据的接收
。
当得到可用的数据
后
,
通过
NMEA-0183
协议对数据进行解析
，
从中提
取到有用的位置信息
，
经过自适应
Kalman
算法将信
息进行滤波处理
,
得到最终准确的目标位置信息
。
初始化
解析
NMEA
-
0183
协议帧
提取位置信息
自适应
Kalmaii
滤波
得到滤波后的
位置信息
图
6
定位模块的软件设计流程
本设计通过
NMEA-0183
协议对数据进行解
析
,NMEA-0183
协议采用
ASCII
码来传递定位信
息其协议帧格式如图
7
所示
。
起始位
地址域
数据
校验和
俞缀
校验和
帧结束
图
7
位置信息协议帧
消息的格式为
：
$
GNRMC
,
UTC
时间
，
定位状
态
，
纬度
，
纬度半球
，
经度
,
经度半球
，
地面速率
,
地面
航向
，
地面航向
，
UTC
日期
，
磁偏角
，
磁偏角方向
，
模
式指示
*hh(CR)(LF)
。
在程序中定义一段存储区
域用来存储位置信息数据
，
通过判断是否有
“
$
”
标
识符来确定此组数据是否合法
。
在此野外搜救系统
中需要提取其中定位模块实测的经纬度信息
。
3.2
自适应
Kalman
滤波算法
由于卫星导航系统的观测粗差会引起定位精度
的误差
，
因此采用
Kalman
滤波对含有随机干扰的观
测量进行滤波
。
Kalman
滤波器是一种最优滤波器
，
可以从夹杂着各种随机噪声的信号中分离出有用信
号由于在该野外搜救系统的实际情况中观测
人员一般难以确保规则运动
，
标准的
Kalman
滤波算
法难以满足实际需求
。
因此本设计中选用了自适应
Kalman
滤波算法
，
能够有效地抑制观测异常
，
提高
滤波的精度和可靠性
，
同时具有计算效率高
,
便于自
动化处理等特点
，
是精密单点定位中常用的一种估
计策略
[l0-ll]
o
本系统采取的观测模型为
：
y(
k
)=
s
(
k
)+
v
(
k
)
(1)
式中:
s
(
k
)
表示被测人员移动的距离
,
v
(
k
)
表示北
斗模块的定位误差
，
假设是零均值
、
方差为疋的白
噪声
，
方差疋用统计的方法多次采集北斗定位模块
实验数据获取
。
记时刻
kT.
被测人员移动的速度为
s
(
k
)
，
加速度为
a
(
k
)
，
由匀加速运动公式有
s(
k+1)
=
s(
k)
+s(
k)
T
0
+0.5T
：
a
(
k
)
(2)
s(
k
+
1)
=
s(
k)
+T
0
a
(
k
)
(3)
而加速度
a(
k)
由机动加速度
u
(
k)
和随机加速
度
w
(
k)2
部分组成
。
定义在采样时刻
kT
0
处系统的状态
“
(
k)
为人
员移动的位置和速度
，
可以得到运动的状态方程
s(k+1)
k
=
「
1
T
°
「
s
(
「
-
a
(
k
)
(4)
-
S
(
+1
)
_
_
0
1
+
0.5T
2
_
-
_
一
T
一
观测方程为
s
(
k
k
)
)
「
y
(
k
)
[1
_
即系统的状态空间模型为
s
s(k)
1
=
0]
(
.
k
)
+
v
(
k
)
(5)
-
x
(
k
+1)=
0r(
k)
+
Bu
(
k
)
+
「
w
(
k
)
(6)
y(k)
=
Hx
(
k)+v(k)
(7)
对比式
(
4)
~
式
(7),
可得到
④
、
B
、
r
、
H
o
将
其推广到四维
，
包含水平方向的位置和速度和纵向
的位置和速度
。
X
(
k)=[
x
(
k
)
x
(k)y(k)
y
(
k)
]
T
(8)
由此得到系统方程可以用式
(9)
表示
：
x
(
k
)
000
x
(
k)
0010
y
(
k
k
)
+
v
2x1
(
k
)
(9)
_
y
(
)
_
由于实际情况中被测人员的运动速度较低
，
因
此选用的理论模型中的加速度认为是
0
。
自适应
Kalman
滤波与标准
Kalman
滤波在递推
形式上完全一致
，
两者的差异仅体现在观测模型中
测量噪声的方差采用等价方差进行替换
。
等价权可
表示为:
I
叩
W
k
0
-
k
0
(
Pi
仇_
1
”
」)
Pi
=
r
百
I
丿
k
°
V
I
V
i
I
Wk
]
(10)
0
I
V
,
I
>k
]
式中
:
p,
为北斗模块测得数据对应的权
;
V,
为标准化
残差
;k
0
,k
为常量
，
一般取
k
°
=
1.0~1.5,k
1
=2.0~3.0
。
通过仿真和实验论证后
,
该方案将观测值的权划分为
432
电子器件
第
44
卷
保权区
、
降权区和拒绝区
，
通过适当扩大异常观测值
的方差以降低异常测量数据对参数估值的影响
。
在
该野外搜救监测系统中
,
对于被测人员位置信息监测
所含粗差的观测值来说
，
采用自适应
Kalman
滤波算
法是非常有效的
。
3.3
地面站监测软件设计
该野外搜救系统的地面站监测软件使用
Qt
开发
平台开发
,
Qt
是一个跨平台的
C++
图形用户界面库
，
由
挪威
TrollTech
公司出品
，
使用
C++
编程语言开发
,
Qt
的跨平台性使得它被广泛的应用
［
12］
。
用户可根据需
要定制界面
,
Qt
为用户提供了大量的函数
，
并为函数配
上详细的使用说明
，
地面站监测软件设计流程如图
8
所示
。
上位机通过无线通信网络接收伤员位置信息,
并将接收到的信息在上位机上直观的显示出来
。
图
8
地面站监测软件设计流程
为了更加直观地显示探测装置的实时位置
，
使
用了
Qt
中的串口类以及相应的控件
，
并运用了信号
与槽的机制实现了位置实时显示软件
。
上位机中首
先对串口进行配置
,
当发现人员触发警报时
,
通过便
携设备采集到当前人员的位置信息
，
并在
PC
机上
显示出来,上位机显示界面如图
9
所示
。
其中地图的开发是利用百度离线地图
API
应
用程序接口
。
其所含有的绑定平台
、
接口
，
把复杂的
图
9
地面站监测软件显示界面
设计简单化
，
降低了地理信息方面在地图服务和地
图开发上的难度
，
可以免费供开发者使用
,
能够按需
实现位置检索
、
定位导航等功能
。
4
系统测试
4.1
自适应
Kalman
滤波测试
根据目标任务对所提出的自适应
Kalman
滤波
算法进行验证
。
测试人员配戴本文设计的可穿戴设
备在测试区域内移动
，
可穿戴设备将北斗模块实时
采集到的位置信息加以滤波处理后通过无线电发送
到上位机
，
其中北斗定位模块的采样间隔为
1
s,
处
理器首先将北斗定位模块采集到的经纬度
(
B
,
L
)
进
行坐标转换
,
得到本设计选取的平面坐标系下的坐
标
(X,
7),
然后将平面坐标
(
X,
7)
进行自适应
Kalman
算法滤波处理
,
得到最终预测的位置信息
。
北斗模块直接采集到的人员运动轨迹如图
10
中
观测轨迹所示
，
滤波轨迹表示经自适应
Kalman
滤波
算法处理后的数据结果
。
为更加直观的显示出滤波
效果
，
通过与理论值对比计算出了经过自适应
Kalman
滤波算法处理前后的数据误差如图
11
所示
。
12
10
8
糊
6
0
测试点数
图
11
自适应
Kalman
滤波前后误差对比
由图
11
可以明显看出
，
从定位模块获取的位置
信息经过自适应
Kalman
滤波处理后
,
该系统的定位
均方根误差由
10
m
缩减到
3
m,
能够有效抑制定位
模块测距中的测量值与真实值的误差
，
从而得到更
准确可靠的遇险人员位置信息
,
提高整个监测系统
的精度和稳定性
。
第
2
期
李
露
，
胡乃瑞等
：
基于北斗定位与
LoRa
无线技术的野外搜救监测系统设计
433
4.2
上位机系统测试
根据程序对目标进行系统测试
，
选择
6
名被测
人员佩戴移动终端设备
，
无人机飞行高度在
100
m
左右
，
地面站在距离实验地点
8
000
m
范围内搭建
。
开始测试
，
当人员
A
触发警报按钮模拟受伤情况
时
，
救援人员在地面站上位机监测软件端即可观察
到受伤人员位置情况
。
监测软件界面如图
12
所示
，
标记处为伤员
，
能够清楚显示伤员经纬度信息
，
如出
现多名伤员
，
可通过下拉菜单选择被观测的伤员
。
该搜救系统地面监测软件还设计了显示伤员运
动轨迹等个性化功能
，
图
13
为监测到伤员受伤后的
运动轨迹情况
。
可以直观清晰地得到伤员运动轨
迹
，
该野外搜救监测系统能够很好地实现目标的即
时定位功能
。
图
12
出现伤员上位机监测界面
图
13
伤员运动轨迹上位机监测界面
李露
(
1999
—
)
,
女
，
辽宁大连人
，
本
科在读
，
就读于沈阳航空航天大学电
子信息工程专业
；
5结论
本设计提出了一种基于北斗定位与
LoRa
无线技
术的野外搜救监测系统
,
对其硬件和软件进行了详细
地设计
。
当人员穿戴移动终端设备后
，
一旦发生危险
能够快速准确地获得遇险人员的地理位置信息
，
并通
过无线通信系统在地面站软件中进行实时监测
。
倘
若搭配现有的无人机摄像技术
，
还能远距离地实时观
测到人员生命体征等图像信息
,
便于救援人员快速掌
握遇险人员的身体状况
，
明确携带必要的医疗器械和
药物
。
实验表明,该系统实现了对北斗定位信息的获
取
、
信息的滤波处理
、
远程发送接收信息以及实时监
测等功能
。
此研究成果便于携带
，
能灵活搭建无线通
信网络
,
人机交互界面良好
，
在搜救行动中能有效监
测遇险人员
，
节省人力与财力
,
并能够为搜救行动的
开展提供更完备的参考信息
。
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胡乃瑞
(
1987
—
),
男
，
辽宁瓦房店人
,
硕士
，
博士在读
，
实验师
，
主要研究方
向为无线通信
、
图像处理与传输,
hunairu2007@
。
2024年5月30日发(作者：左丘夏容)
第
44
卷第
2
期
2021
年
4
月
电子器件
Chinese
Journal
of
ElccLmn
Devices
Vol.
44
No.
2
Apr.
2021
Design
of
Field
Search
and
Rescue
Monitoring
System
Based
on
Beidou
Positioning
and
LoRa
Wireless
Technology
*
LI
Lu'
,
HU
Nairui
1,2
*
，
WANG
]unyi
(1.
School
of
Electronic
and
Information
Engineering
,
Shenyang
Aerospace
University
,
Shenyang
Liaoning
110136,
China
；
2.
Shenyang
Institute
of
Automation
,
Chinese
Academy
of
Sciences
,
Shenyang
Liaoning
110016,
China
)
Abstract
:
In
recent
years
,
exLreme
sporLs
in
the
wild
have
become
a
popular
Lrend
,
but
Lhere
are
huge
saieLy
hazards
which
will
consume
a
lot
of
manpower
,
material
resources.
Therefore
,
a
field
search
and
rescue
monitoring
system
based
on
Beidou
positioning
and
LoRa
wireless
technology
is
described.
The
system
consists
of
wearable
devices
,
a
monitoring
hub
and
a
LoRa
repeater
drone.
The
Beidou
module
was
used
to
obtain
the
location
information
of
personnel
,
and
the
adaptive
Kalman
filtering
algorithm
was
used
to
improve
the
positioning
accuracy.
LoRa
wireless
communication
repeater
mounted
on
uav
ensures
the
stability
of
information
transmission
,
avoids
the
influence
of
radio
transmission
in
non-line-of-sight
environment
,
and
realizes
ultra-long
distance
communication.
The
personnel
inf
()
rma-
tion
will
be
uploaded
to
the
ground
station
in
real
time
for
real-time
monitoring
,
so
that
the
rescue
personnel
can
make
corresponding
decisions
and
deployment.
The
software
,
hardware
and
data
processing
design
of
the
system
are
intro
duced
,
and
the
test
results
are
given.
The
results
show
that
:
the
system's
root-mean-square
positioning
error
is
3
m
,
and
it
can
accurately
obtain
the
location
information
of
personnel
and
transmit
it
to
the
ground
monitoring
center
in
real
time
,
providing
more
accurate
reference
information
for
the
field
search
and
rescue
operations.
Key
words
:
BeiDou
navigation
satellite
system
；
adaptive
Kalman
；
wireless
communication
network
；
mobile
terminal
;
PC
monitor
EEACC
：
7210
doi
：
l
0
・
3969/j
・
issn
.1005-949
0
・
2021
・
02
・
031
基于北斗定位与
LoRa
无线技术的
野外搜救监测系统设计
*
李露打胡乃瑞・
2
*
，
王君祎
1
(1.
沈阳航空航天大学电子信息工程学院
，
辽宁沈阳
110136
；
2.
中国科学院沈阳自动化研究所
，
辽宁沈阳
110016)
摘
要
：
近年来野外极限运动成为流行趋势,但因其存在巨大的安全隐患
，
开展活动前会消耗大量的人力
、
物力
。
因此设计
了一种基于北斗定位与
LoRa
无线技术的野外搜救监测系统
。
该系统由可穿戴设备
、
地面监测中心站以及搭载
LoRa
中继器
的无人机组成
。
采用北斗模块获取人员位置信息
,
并使用自适应
Kalman
滤波算法提高系统定位精度。
使用搭载在无人机上
的
LoRa
无线通信中继器保障了信息传递的稳定性
，
有效地避免了无线电在非视距环境下传播带来的影响
，
实现超远距离的
通信
。
同时将人员信息实时上传至地面站进行实时监测
，
便于救援人员做出相应决策部署
。
介绍了该系统的软硬件及数据
处理设计方案
，
并给出了实验测试结果。
结果表明
:
该系统的定位均方根误差为
3
m
左右
,
能够精准地获取人员位置信息并实
时传递给地面监测中心
，
能为野外搜救行动提供更准确的参考信息
。
关键词
：
北斗卫星导航系统
；
自适应
Kalman
;
无线通信网络
;
移动终端
;PC
监测
中图分类号
:
TN926
文献标识码
:
A
文章编号
：
1005-9490
(
2021
)
02-0428-06
项目来源
:
沈阳航空航天大学
2020
年大学生创新创业训练计划项目
(D268901
);
中国民用航空局
2019
年度民航
安全监管能力建设项目
收稿日期
：
2020-06-16
修改日期
：
2020-08-11
第
2
期李
露
，
胡乃瑞等
：
基于北斗定位与
LoRa
无线技术的野外搜救监测系统设计
429
如今
，
一些科学技术手段正逐渐被应用于野外
搜救行动中
。
无人机或者载人飞机常常被利用在快
速搜寻事故现场
，
通过在目标区域低飞勘察进行救
援活动工
。
但是目前的技术还无法得到遇难者的
精准位置
，
需经过长时间搜寻才能被发现
，
同时还会
出现运营商片区基站损坏或信号弱覆盖区域
，
若使
用蜂窝网络通信系统可能会受到干扰
，
往往会耽误
搜救的黄金时间
，
造成遇险人员身体损害甚至失去
生命
：
2
］
。
提出一款基于北斗定位与
LoRa
无线技术的野
外搜救监测系统
。
由于实际应用中卫星导航系统在
一定程度上会受到环境条件
、
电磁波变化等因素的
影响
，
本设计在采集并解析出北斗模块所传输的位
置数据后
，
对其进行自适应
Kalman
滤波处理以提高
该系统的定位精度
。
该系统采用搭载
LoRa
无线模
块的无人机作为中继器实现自组网
，
能够避免监测
区域内灌木
、
建筑物等因素对无线电传播的影响
，
保
证了该系统数据的远距离传输
。
倘若使用多架无人
机并合理规划部署位置
，
能够显著增强地面无线设
备的链接性,扩展通信网络的覆盖范围
。
同时
，
作为
移动的空中基站
，
还能够提供可靠的上下行通信
，
提
升无线网络的能力
，
具有良好的灵活性
3
。
在野外活动开始前
，
人员穿戴集成北斗定位模
块的移动终端设备
。
当使用者处于危险环境时
，
按
下紧急报警按钮
，
通过由
LoRa
无线模块组成的无
线通信网络向地面站发出求救信号
，
并实时上传人
员的位置信息给地面监测中心
。
监测软件是一款由
Qt
设计的上位机软件
,
能够实时地显示求救人员的
位置信息
，
便于监测整个搜救行动的进行
。
该野外
搜救系统的设计能有效跟踪遇险人员
，
并将信息实
时上传到地面检测中心
，
方便搜救人员明确携带必
要的医疗器械和药物
，
为开展搜救行动提供更完备
准确的参考信息
，
为实施有针对性的救援提供了
可能
。
1
系统总体设计
本系统由目标用户端和地面检测中心
2
部分组
成
,
二者之间通过由无人机搭载
LoRa
无线模块组
成的无线通信网络传递数据
。
目标用户端主要由主
控单元
stm32F103C8T6
、
北斗定位模块
、
OLED12864
显示模块
、
按键模块
、
LED
模块
、
无线模块等组成
。
地面检测中心由无线模块和
PC
端检测软件组成
。
利用
Qt
设计一款专用的上位机软件
，
可将无线模块
传来的信息进行解析
，
并显示在监测软件上
,
便于救
援人员开展搜救行动
，
具体模型框架如图
1
所示
。
2
系统硬件设计
2.1
主控单元最小系统电路
该野外搜救监测系统主控单元的最小系统电路
如图
2
所示
，
本设计采用的是
stm32F103C8T6
芯片
作为主控芯片
，
该款单片机程序和静态数据存储器
容量是
512KB
，
RAM
存储为
64KB
，
具有专为要求高
性能
、
低成本
、
低功耗的嵌入式应用设计的
ARM32
位
Cortex-M
内核芯片
+
5
］
。
根据本设计中定位及
无线通信功能的实际需求
，
结合
STM32
单片机自身
特点
，
编写软件程序实现定位模块信息的采集
、
数据
处理
、
按键及无线通信等功能
。
其丰富的库函数资
源为基于北斗定位与
LoRa
无线技术的监测系统的
设计带来了极大的方便
。
2.2
无线通信系统
该搜救监测系统采用的通信设备为
LoRa
无线
模块
，
是一款基于
SX1268
射频芯片的无线串口模
块
，
具有多种传输方式
，
该模块支持空中唤醒
，
非常
适合超低功耗应用
。
在本设计中利用
433
MHz
无
线收发模组进行信息的传递
，
通过
LoRa
扩频通信
技术
,
普通环境下能够实现
5
000
m
的通信距离
［
6
］
。
在该野外搜救监测系统中选用了其自动中继组网的
功能
，
能够实现超远距离的通信
，
同一区域使多个网
络同时运行
。
由于在实际数据传输中
，
可能会出现
地形地貌
、
人工建筑等会对无线通信网络造成干扰
的情况
,
于是选用了无人机搭载无线模块作为中继
器传输数据
，
具有灵活性强,搭建成本低等优点
。无
线通信系统示意图如图
3
所示
，
被测人员佩戴含有
无线模块的移动设备作为信息的发射端
，
无人机搭
载无线模块作为中继器模块
，
地面监测中心与无线
模块相连作为信息的接收模块
。
430
电子器件
第
44
卷
k
i
r
-F
聽
—
f
T
"
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—
IH
O
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L
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O
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VBAT
Y
PC13/TEMPER_RTC
T
PC14/OSC32_IN
■7
PC15/OSC32_OUT
7
PDO/OSCJN
7
PD1/OSC_OUT
*
NRST
寸
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I
溜
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」
一
」
C^D
PC14
PC15
OSCIN
OSCOUT
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35
33
僵
一
」
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PA0_WKUP/AN0/TIM2_CHl
7T
RA.1ZAN1/T1M2_CH2
—
RA2/AN2/TX2/TTM2_CH3
命
忙
ll
寸
-fi
鈕
31
30
29
一
」
」
」
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sshruds&NV
va
I
PE
PE
I
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O
A
IIS
S
A
25
3
V3
3V3
图
2
取小系统电路图
救系统中通过调用
NMEA-0183
协议的命令能够得
到时间
、
经纬度
、
地面速率等有用信息
。
该定位模块
具有体积小
，
能够兼容
3.3
V/5
V
电平的特点
，
方便
与各种单片机系统连接
。
该模块还自带可充电后备
电池
，
可以掉电保持星历数据
。
定位模块通过串口
与处理器进行通信,其接口连接电路如图
5
所示
。
LoRa
无线技术
传输网络
图
3
无线通信系统
在使用
LoRa
无线模块时
，
先对模块进行工作
模式
、
参数配置
，
程序中对串口进行初始化设置
，
通
过串口通信实现位置信息的传递
。
其接口电路如图
4
所示
。
图
5
定位模块与处理器电路
2.3
定位模块
该搜救系统的定位模块采用的是一款高性能的
ATK-1218-BD
GPS/
北斗双模定位模块
[7]
o
在该搜
3
软件设计
3.1
精准定位软件设计
精准定位的软件设计流程如图
6
所示
。
首先
,
第
2
期
李露
，
胡乃瑞等
：
基于北斗定位与
LoRa
无线技术的野外搜救监测系统设计
431
初始化根据
SkyTraq
控制协议对定位模块的串口波
特率、
PPS
输出脉冲宽度
、
输出频率等进行设置
。
然
后循环等待卫星数据的接收
。
当得到可用的数据
后
,
通过
NMEA-0183
协议对数据进行解析
，
从中提
取到有用的位置信息
，
经过自适应
Kalman
算法将信
息进行滤波处理
,
得到最终准确的目标位置信息
。
初始化
解析
NMEA
-
0183
协议帧
提取位置信息
自适应
Kalmaii
滤波
得到滤波后的
位置信息
图
6
定位模块的软件设计流程
本设计通过
NMEA-0183
协议对数据进行解
析
,NMEA-0183
协议采用
ASCII
码来传递定位信
息其协议帧格式如图
7
所示
。
起始位
地址域
数据
校验和
俞缀
校验和
帧结束
图
7
位置信息协议帧
消息的格式为
：
$
GNRMC
,
UTC
时间
，
定位状
态
，
纬度
，
纬度半球
，
经度
,
经度半球
，
地面速率
,
地面
航向
，
地面航向
，
UTC
日期
，
磁偏角
，
磁偏角方向
，
模
式指示
*hh(CR)(LF)
。
在程序中定义一段存储区
域用来存储位置信息数据
，
通过判断是否有
“
$
”
标
识符来确定此组数据是否合法
。
在此野外搜救系统
中需要提取其中定位模块实测的经纬度信息
。
3.2
自适应
Kalman
滤波算法
由于卫星导航系统的观测粗差会引起定位精度
的误差
，
因此采用
Kalman
滤波对含有随机干扰的观
测量进行滤波
。
Kalman
滤波器是一种最优滤波器
，
可以从夹杂着各种随机噪声的信号中分离出有用信
号由于在该野外搜救系统的实际情况中观测
人员一般难以确保规则运动
，
标准的
Kalman
滤波算
法难以满足实际需求
。
因此本设计中选用了自适应
Kalman
滤波算法
，
能够有效地抑制观测异常
，
提高
滤波的精度和可靠性
，
同时具有计算效率高
,
便于自
动化处理等特点
，
是精密单点定位中常用的一种估
计策略
[l0-ll]
o
本系统采取的观测模型为
：
y(
k
)=
s
(
k
)+
v
(
k
)
(1)
式中:
s
(
k
)
表示被测人员移动的距离
,
v
(
k
)
表示北
斗模块的定位误差
，
假设是零均值
、
方差为疋的白
噪声
，
方差疋用统计的方法多次采集北斗定位模块
实验数据获取
。
记时刻
kT.
被测人员移动的速度为
s
(
k
)
，
加速度为
a
(
k
)
，
由匀加速运动公式有
s(
k+1)
=
s(
k)
+s(
k)
T
0
+0.5T
：
a
(
k
)
(2)
s(
k
+
1)
=
s(
k)
+T
0
a
(
k
)
(3)
而加速度
a(
k)
由机动加速度
u
(
k)
和随机加速
度
w
(
k)2
部分组成
。
定义在采样时刻
kT
0
处系统的状态
“
(
k)
为人
员移动的位置和速度
，
可以得到运动的状态方程
s(k+1)
k
=
「
1
T
°
「
s
(
「
-
a
(
k
)
(4)
-
S
(
+1
)
_
_
0
1
+
0.5T
2
_
-
_
一
T
一
观测方程为
s
(
k
k
)
)
「
y
(
k
)
[1
_
即系统的状态空间模型为
s
s(k)
1
=
0]
(
.
k
)
+
v
(
k
)
(5)
-
x
(
k
+1)=
0r(
k)
+
Bu
(
k
)
+
「
w
(
k
)
(6)
y(k)
=
Hx
(
k)+v(k)
(7)
对比式
(
4)
~
式
(7),
可得到
④
、
B
、
r
、
H
o
将
其推广到四维
，
包含水平方向的位置和速度和纵向
的位置和速度
。
X
(
k)=[
x
(
k
)
x
(k)y(k)
y
(
k)
]
T
(8)
由此得到系统方程可以用式
(9)
表示
：
x
(
k
)
000
x
(
k)
0010
y
(
k
k
)
+
v
2x1
(
k
)
(9)
_
y
(
)
_
由于实际情况中被测人员的运动速度较低
，
因
此选用的理论模型中的加速度认为是
0
。
自适应
Kalman
滤波与标准
Kalman
滤波在递推
形式上完全一致
，
两者的差异仅体现在观测模型中
测量噪声的方差采用等价方差进行替换
。
等价权可
表示为:
I
叩
W
k
0
-
k
0
(
Pi
仇_
1
”
」)
Pi
=
r
百
I
丿
k
°
V
I
V
i
I
Wk
]
(10)
0
I
V
,
I
>k
]
式中
:
p,
为北斗模块测得数据对应的权
;
V,
为标准化
残差
;k
0
,k
为常量
，
一般取
k
°
=
1.0~1.5,k
1
=2.0~3.0
。
通过仿真和实验论证后
,
该方案将观测值的权划分为
432
电子器件
第
44
卷
保权区
、
降权区和拒绝区
，
通过适当扩大异常观测值
的方差以降低异常测量数据对参数估值的影响
。
在
该野外搜救监测系统中
,
对于被测人员位置信息监测
所含粗差的观测值来说
，
采用自适应
Kalman
滤波算
法是非常有效的
。
3.3
地面站监测软件设计
该野外搜救系统的地面站监测软件使用
Qt
开发
平台开发
,
Qt
是一个跨平台的
C++
图形用户界面库
，
由
挪威
TrollTech
公司出品
，
使用
C++
编程语言开发
,
Qt
的跨平台性使得它被广泛的应用
［
12］
。
用户可根据需
要定制界面
,
Qt
为用户提供了大量的函数
，
并为函数配
上详细的使用说明
，
地面站监测软件设计流程如图
8
所示
。
上位机通过无线通信网络接收伤员位置信息,
并将接收到的信息在上位机上直观的显示出来
。
图
8
地面站监测软件设计流程
为了更加直观地显示探测装置的实时位置
，
使
用了
Qt
中的串口类以及相应的控件
，
并运用了信号
与槽的机制实现了位置实时显示软件
。
上位机中首
先对串口进行配置
,
当发现人员触发警报时
,
通过便
携设备采集到当前人员的位置信息
，
并在
PC
机上
显示出来,上位机显示界面如图
9
所示
。
其中地图的开发是利用百度离线地图
API
应
用程序接口
。
其所含有的绑定平台
、
接口
，
把复杂的
图
9
地面站监测软件显示界面
设计简单化
，
降低了地理信息方面在地图服务和地
图开发上的难度
，
可以免费供开发者使用
,
能够按需
实现位置检索
、
定位导航等功能
。
4
系统测试
4.1
自适应
Kalman
滤波测试
根据目标任务对所提出的自适应
Kalman
滤波
算法进行验证
。
测试人员配戴本文设计的可穿戴设
备在测试区域内移动
，
可穿戴设备将北斗模块实时
采集到的位置信息加以滤波处理后通过无线电发送
到上位机
，
其中北斗定位模块的采样间隔为
1
s,
处
理器首先将北斗定位模块采集到的经纬度
(
B
,
L
)
进
行坐标转换
,
得到本设计选取的平面坐标系下的坐
标
(X,
7),
然后将平面坐标
(
X,
7)
进行自适应
Kalman
算法滤波处理
,
得到最终预测的位置信息
。
北斗模块直接采集到的人员运动轨迹如图
10
中
观测轨迹所示
，
滤波轨迹表示经自适应
Kalman
滤波
算法处理后的数据结果
。
为更加直观的显示出滤波
效果
，
通过与理论值对比计算出了经过自适应
Kalman
滤波算法处理前后的数据误差如图
11
所示
。
12
10
8
糊
6
0
测试点数
图
11
自适应
Kalman
滤波前后误差对比
由图
11
可以明显看出
，
从定位模块获取的位置
信息经过自适应
Kalman
滤波处理后
,
该系统的定位
均方根误差由
10
m
缩减到
3
m,
能够有效抑制定位
模块测距中的测量值与真实值的误差
，
从而得到更
准确可靠的遇险人员位置信息
,
提高整个监测系统
的精度和稳定性
。
第
2
期
李
露
，
胡乃瑞等
：
基于北斗定位与
LoRa
无线技术的野外搜救监测系统设计
433
4.2
上位机系统测试
根据程序对目标进行系统测试
，
选择
6
名被测
人员佩戴移动终端设备
，
无人机飞行高度在
100
m
左右
，
地面站在距离实验地点
8
000
m
范围内搭建
。
开始测试
，
当人员
A
触发警报按钮模拟受伤情况
时
，
救援人员在地面站上位机监测软件端即可观察
到受伤人员位置情况
。
监测软件界面如图
12
所示
，
标记处为伤员
，
能够清楚显示伤员经纬度信息
，
如出
现多名伤员
，
可通过下拉菜单选择被观测的伤员
。
该搜救系统地面监测软件还设计了显示伤员运
动轨迹等个性化功能
，
图
13
为监测到伤员受伤后的
运动轨迹情况
。
可以直观清晰地得到伤员运动轨
迹
，
该野外搜救监测系统能够很好地实现目标的即
时定位功能
。
图
12
出现伤员上位机监测界面
图
13
伤员运动轨迹上位机监测界面
李露
(
1999
—
)
,
女
，
辽宁大连人
，
本
科在读
，
就读于沈阳航空航天大学电
子信息工程专业
；
5结论
本设计提出了一种基于北斗定位与
LoRa
无线技
术的野外搜救监测系统
,
对其硬件和软件进行了详细
地设计
。
当人员穿戴移动终端设备后
，
一旦发生危险
能够快速准确地获得遇险人员的地理位置信息
，
并通
过无线通信系统在地面站软件中进行实时监测
。
倘
若搭配现有的无人机摄像技术
，
还能远距离地实时观
测到人员生命体征等图像信息
,
便于救援人员快速掌
握遇险人员的身体状况
，
明确携带必要的医疗器械和
药物
。
实验表明,该系统实现了对北斗定位信息的获
取
、
信息的滤波处理
、
远程发送接收信息以及实时监
测等功能
。
此研究成果便于携带
，
能灵活搭建无线通
信网络
,
人机交互界面良好
，
在搜救行动中能有效监
测遇险人员
，
节省人力与财力
,
并能够为搜救行动的
开展提供更完备的参考信息
。
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—
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男
，
辽宁瓦房店人
,
硕士
，
博士在读
，
实验师
，
主要研究方
向为无线通信
、
图像处理与传输,
hunairu2007@
。