第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品一等奖

第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品

大学组一等奖优秀作品

GNSS应急终端节电方法研究 ........................................... 2 基于北斗卫星系统的自航系统的研发建议和基本原理实验................. 10 “北斗超人”——2031............................................... 18 基于GPS的智能导航救援系统......................................... 23

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第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品（大学组）

科技小论文

GNSS应急终端节电方法研究

作者：蔡亚平 指导教师：吴才聪

（北京大学地球与空间科学学院，北京 海淀100871）

【摘要】针对GNSS应急智能终端（PDA）对电源消耗管理的应用需求，基于用户工作特点和GNSS定位特点，制定了满足心跳程序应用的GNSS应急智能终端卫星搜索策略。搜星策略包括基于用户工作时段的搜星策略和基于GNSS定位特点的搜星策略。试验表明，搜星策略可使PDA的电池使用时间延长3倍，使用时间达到11 h 45 min，基本满足警员的工作需要。 【关键词】 PDA、GNSS、节电 1 引言

当前，GNSS智能终端（如PDA）应用越来越广泛。这种GNSS终端，集语音通话、短信收发、数据传输、卫星定位、地图导航、位置服务、娱乐阅读等功能于一体，可应用于移动通信、智能交通、应急救灾等各个方面。

作者所在课题组在国家科技支撑计划课题《公共安全与应急反应管理系统研发（2007BAH12B06）》的支持下，基于P660智能手机终端，构建移动应急位置服务网，取得了较好的应用效果。多名警员外出处理警务时，需要解决警员间的信息共享、友邻协作、移动监控和移动指挥等技术问题，以提高团队的协作效率。为此，课题组提出的技术路线为：警员手持智能手机，利用手机GNSS获取警员的实时位置信息，通过GSM/GPRS无线网络向中心服务器进行位置报告；警员

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间基于PDA中的友邻互视软件查看友邻的位置，实现信息交互。为此，基于智能PDA，作者开发了用于实时位置信息获取与传输的心跳软件和用于团队协作的友邻互视软件。

在上述两个软件中，实时运行的软件是心跳软件，也是PDA中耗电量比较大的软件之一，主要包括GNSS实时定位耗电和无线网络传输耗电。而尽可能节约PDA的电池消耗，延长PDA的使用时间，又是应急救灾对PDA应用的基本要求。为此，作者根据警员工作和GNSS定位等特点，开展GNSS应急终端节电方法研究。研究过程中，主要以GPS为研究对象。

2 研发方法

心跳软件工作方式如图 1所示：

GPRS PDA 心跳软件 服务器 监控终端 Internet 图 1 心跳软件工作方式

1）、基于警员工作特点的节电策略

据初步统计，在社会稳定期，警员大部分时间可正常作息。以新疆兵团某师公安局为例，正常时期，该局按照上午10:00-13:30和下午16:00-19:30的作息时间表安排工作。因此，每天的19:30至次日的10:00和每天的13:30-16:00，共计17个小时为非工作时段。GPS手机在该时段实时定位属于无效工作，心跳程序应予以关闭。

但是，也不排除警员在非工作时段接受紧急任务和外出执勤。因此，在非工作时段，也应可以通过触发PDA按钮启动心跳软件。

2)、基于GPS定位特点的节电策略

警员无论在办公室待命、工作，还是外出执行任务，均可能频繁进出房屋。而在房屋内部，由于GPS信号非常微弱，GPS难以正常定位。如果GPS芯片不停顿地搜索卫星信号，将超常耗费PDA的电量。因此，拟根据PDA搜星状态与

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进展，及时决定直接停止卫星搜索，还是继续搜索若干次后视卫星数增减情况再做出决定。

GPS启动时的搜星状态包括冷启动、温启动和热启动三种。不同的搜星状态，由于GPS存储的位置、时间、历书和星历不尽完全，所需搜星时间长短也不一。下表为三种搜星状态下GPS芯片中保存的数据[1]。

表1 三种启动模式下GPS芯片中保存的数据

数据类型

冷启动

温启动

热启动

启动前的 位置信息

无

有

有

时间 历书 星历

无 无 无

有 有 无

有 有 有

一般而言，首次定位（TTFF）所耗费的时间主要来自星历数据的解调，而且错过一次星历数据的下载，就需要再等30 s，特别是在天气恶劣和有遮挡的环境下，星历接收需要较长时间，在这个过程中也特别耗电。

此外，如果搜星间隔停顿时间过长，容易造成警员离开房屋后，仍不能及时向中心服务器报告位置，导致警员位置缺失，影响到友邻互视、移动监控和移动指挥。总之，连续定位与终端节电之间是矛盾的。

3 技术路线

心跳程序的总体搜星策略如图2所示，分为工作时段和非工作时段。

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搜索Ts 暂停Ti 搜索T1

图3 图5 非工作时0:00 间 工作时间 8:00 18:00 图2 24:00

电源按钮按下

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图2 心跳搜星策略示意图

1)．工作时段搜星流程

图3 工作时段的TTFF策略

工作时段搜索策略如图 3所示。在工作时段内（如8:00-18:00），如果心跳程序没有完成定位，则“休息”一段时间，然后再次搜星，直至定位成功，该过程可能会反复进行。搜星时间必须保证足以完成星历下载和解调。心跳程序的“搜星时间”和“休息时间”可根据实际情况更改。

2)．非工作时段搜星流程

非工作时段搜索策略如图 4所示。在非工作时段内（如18:00-24:00和00:00-8:00），如果GPS没有完成定位，则心跳程序只在PDA电源键被按下，使Windows Mobile系统电源状态处于On时才执行规定次数的定位工作，具体流程如下：在规定时间内检查卫星数，如果卫星数符合要求则继续进行定位，否则退出，如果在规定时间内定位失败则进入休息，重复上述过程直到完成规定次数的定位工作或者定位成功。

在室内环境下，一般卫星信号很弱，定位往往无法完成。在工作时段，假设搜星时间设为2 min、休息时间设为8 min，在1 h内，将搜星6次，总计耗费12 min的时间进行卫星搜索。如果不采用该策略，则将耗费1 h进行定位搜索。根据经验，在信号正常的情况下，完成首次定位（温启动）的时间一般为40～50 s，因此将“搜星时间”设为大于1 min即可。

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图4 非工作时段的TTFF策略

3)．耗电计算

使用心跳程序的PDA在待机条件下（即背光灯关闭、系统电源处于Unattended）的使用时间计算如下[2]。

参数（时间单位：s，电流单位：mA）： ? T：总持续时间

? Tg：每周期GPS搜索时间 ? Ng：搜索次数 ? Ti：休息间隔

? Ni：休息次数，等于Ng ? Q：电池电量

? Ig：GPS设备电流

? Ip：Unattended模式下系统电流 根据上述分析，可得： Q=Ig*Tg*Ng+Ip*(Tg+Ti)*Ng 联立下面两式：

Q1=Ig*T1*[Tg1/(Tg1+Ti1)]+Ip*T1 Q2=Ig*T2*[Tg2/(Tg2+Ti2)]+Ip*T2 可解Ig和Ip。

根据定性分析中的例子，在1 h内，心跳程序将进行6次卫星搜索，该过程

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均匀分布在一个小时之内。由于心跳程序的“搜星时间”和“休息时间”均可更改，因此根据耗电公式，可以进行各项的参数优化，进而找到最佳的定位搜索策略，从而达到两个目的：1）提高定位的成功率；2）提高节电效率。

4 试验分析

图 5为无GPS信号条件下，PDA耗电对比图。其中，蓝色线条为不采用TTFF策略的电量消耗曲线，粉色线条为采用TTFF策略的电量消耗曲线。TTFF采用“2-8”搜索与休息策略，即搜索时间为2 min，休息时间为8 min。从图中可以看出，TTFF搜索策略使得PDA的电池使用时间延长了3倍多，达到11 h 45 min，基本满足了警员的正常工作需要。此外，试验表明，不同的TTFF策略（参数不同）对应的使用时间也不同。

图5 无GPS信号状况下耗电情况对比图

5 结论

针对GNSS智能终端电源消耗问题，研究了GNSS搜星策略，开展了对比试验，取得了较好的应用效果。

1)、根据用户的工作特点，制定了工作时段和非工作时段的GNSS搜星具体策略，既可提高用户定位的成功率，又可有效节约终端的电源消耗。

2)、利用仅使用心跳软件的PDA开展了耗电对比试验。采用本文提出的TTFF搜星策略时，PDA的电池使用时间延长了3倍多，达到11 h 45 min，基本满足了警员的工作需要。

3)、本次试验的研究对象是GNSS中的GPS。在实际应用中，可以将研究成果直接推广到其它GNSS中，特别是我国的“北斗”。

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不同行业对智能终端耗电管理的应用需求不一致，本文下一步拟在搜星策略参数优化的基础上，集成远程遥控等功能，并开发跨平台的心跳软件。 6 致谢

感谢指导教师吴才聪副教授的悉心指导，感谢褚天行、傅成、苏怀洪等所做的前期工作。

论文得到了国家科技支撑计划课题“公共安全与应急反应管理系统研发（2007BAH12B06）”的资助。

参考文献

[1] 傅成．基于PDA的移动监控技术研究．北京大学本科生毕业论文，2010：11-19

[2] Arjun Anand, Constantine Manikopoulos, Quentin Jones, and Cristian Borcea. A Quantitative Analysis of Power Consumption for Location-Aware Applications on Smart Phones. In Proceedings of the 2007 IEEE International Symposium on Industrial Electronics. 2007:1986-1991

[3] Joel Ivory Johnson：Windows Mobile Power Management，《THE CODE PROJECT》，http://www.codeproject.com/KB/windows/WiMoPower1.aspx，2011年2月19日

[4] 田蓓．基于Windows Mobile操作系统手机的GPS模块设计与实现．硕士学位论文，2008：63-64

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项目建议书

基于北斗卫星系统的自航系统的研发建议和基本原理实验

作者：任政儒，刘媛，姜帆 指导教师：宗智，倪少玲

（大连理工大学船舶工程学院，辽宁 大连 116024）

【摘要】 本文主要提出的是通过以北斗导航卫星为主体，以监测卫星、地面实时数据、历年观测数据为依托，构造完整地域数据库，从而形成一个精确性高，实时性好，操纵性好，安全可靠的无人海上交通系统构想。本系统的研发将有利于企业降低营运风险、劳动力成本、运营成本及管理成本，有利于政府综合监管与指挥和掌控军事主动权和话语权。本文指出该项目核心研究问题与方案，并初步通过实验模拟，验证方案的可行性。

【关键词】 北斗卫星，船舶，航线划分，避障，自航

一、项目背景

1.1国内外本项目领域科技创新发展概况和最新发展趋势[1][2]

在当今船舶和海洋工程研究领域，卫星导航系统和无人驾驶船是两个重要的研究课题。卫星导航系统，是主要采用最新GPS技术在导航通讯领域的最新应用系统。国内外的学者也一直在研究其在海洋工程方面的应用，现已开发包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位，海平面升降监测等方面的应用，我国也在卫星导航系统上做了相关研究。我国的北斗导航系统，将主要用于国家经济建设，为我国的交通运输、气象、海洋、灾害预报、通信等众多行业提供高效的导航定位服务。 无人驾驶船，国际上是以美国、以色列为主导开始研究，至今约十年时间，而中国在这方面的研究才刚刚起步。无人船驾驶有两种方式，一种是人工遥控，另一种为自动驾驶——可按预定航线形式，如途中遇到障碍物可通过目标搜索识别系统和处理系统进行避让航行。无人船的研究，对应对海洋突发事件和在海洋、大型湖泊等方面的环境监测以及灾害预警等具有重大意义。

1.2项目研究的目的、意义

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目前船舶航行多数是靠船长经验和海图以及技术趋于成熟的GPS导航系统。 一方面，由于人为的误判或因未及时发现障碍物而发生的海事事故屡见不鲜，如1912年，“不沉底”远洋定期客轮“泰坦尼克”号的处女航由于在黑夜中未及时观察到前方的冰山，不能及时避开冰山而发生碰撞，导致其在短短的几个小时之内就沉没于北大西洋，成为世界上最著名的海难事故。而海图不具有实时性，受到多种因素的影响，如多变的天气、洋流，未标注的暗礁，由于长时间地质变化而引起的地质改变等，因此不能有效的反映航线，指导航行。另一方面，在利用GPS导航上，我国不具有主动性，被动依靠美国技术，一旦国际形势有变会受到诸多制约。所以，如何依靠现有的科学技术建立先进方法来弥补以上不足，显得迫在眉睫。

随着我过北斗卫星导航系统的不断完善，我国自主研发建造的导航系统正在军用民用导航系统中起着越来越重要的地位，同时标志着我国导航系统正走出受到国外制约的时代。卫星制导已广泛用到无人机及导弹等军事领域，但是该方法依旧受到多方面的制约，如多变的天气，制导方式单一，由于长时间地质变化而引起的地质改变，数据陈旧等。本项目研究的目的在于融合多方卫星与地面数据构造完整的地域数据库，从而形成一个精确性高，实时性好，操纵性好，安全可靠的无人交通系统，并逐渐摆脱对国外技术的依赖。

1.3应用推广前景和预期的社会经济效益

本系统具有实时性、高效性、可靠性等特点。经过气象卫星数据，地面数据等多方数据融合，有效的提高了卫星自导航线的可执行性和安全性。该系统有利于企业降低劳动力成本、运营成本及管理成本，有利于政府综合监管与指挥。经过计算优化后的航线可以有效降低对海员自身素质的要求，缩短航线距离，提高航运速度，从而降低运营成本。

本系统一旦得以实现，将对我国航运行业产生积极的影响，产生巨大的经济效益。同时，国外船舶在看到诸多优点后也会应用本系统作为航行指导系统，如同目前的GPS系统，这不但为本系统获得巨大受益，使各国达到对北斗系统的依赖性，增强我国军事主动性和发言权。本系统经过改进后可用于航空和陆地领域，应用前景广泛。

二、研究内容和目标 2.1主要研究内容

本项目主要研究的内容是融合多卫星数据在海运方面的无人自航避障及导航技术。

2.2关键技术、技术创新及研究方法和技术路线； 2.2.1关键技术：

（1）多卫星的不同分辨率、不同空间位置、不同时间的各类数据与各类地面数据的融合；

（2）以北斗卫星为基础的导航系统统筹各方面数据对航线的合理规划；

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（3）船舶在发现障碍物时的避障控制系统。

（4）枢纽通航建筑物, 跨河建筑物及航道的通航水流条件 （5）航线选择及航道整治 （6）航道不稳定流对航行的影响 （7）通航标准试验研究等。 2.2.2技术创新：

各种卫星监测均有其各自的优缺点，将各种监测卫星数据结合，有利于充分发挥各卫星优点，提供的数据分辨率更高，精度更好，覆盖区域更广，监测时间更全面。

研究方法：模型实验，详见第五部分。

2.3．项目的总目标和阶段目标（含预期知识产权状况）； 2.3.1总目标：

构造完整的地域数据库，从而形成一个精确性高，实时性好，操纵性好，安全可靠的无人海上交通系统。

2.3.2阶段目标：

第一步，完成自航模型的遥控；

第二步，完成航行船前方障碍物的探测； 第三步，完成预设数据的自动航行； 第四步，完成船模航行中的自动避障；

第五步，完成船模到实船的北斗卫星导航自动避障； 第六步，推广到军用、民用各领域。

三、实现项目预期目标所具备的工作基础和条件 3.1工作基础：

①较长时间的气象、水文资料； ②北斗系统具有较高精度的定位能力； ③中央指挥系统具有强大的运算能力 3.2工作条件：

①大连理工大学船舶实验水池 水池长度：160m，水池宽度：7m，水池深度3.8m

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四、计划进度与考核指标

4.1设计有关自航和自主危险回避船舶的原理：

由于各种卫星监测均有其各自的优缺点，而且不同卫星的功能也不相同，所以将各种监测卫星数据结合有利于发挥各卫星优点。所以本项目的北斗卫星导航系统，就基于综合数据的应用。

首先，地面控制室获得从气象卫星，微波遥感卫星，红外卫星等卫星得到的数据，综合多年记录和各地各类观察站得到的数据，通过计算机系统计算整理，综合所有的卫星信息，获得最佳的行驶航线。然后地面中央控制中心根据雷达及遥测系统综合提供的各种参数，通过计算机计算，对照预定的方案进行设计修订，确定切实可行的控制方案，由操作人员或者计算机通过北斗导航系统向无人驾驶船舶发出控制指令。同时，船舶也通过自身的传感器获得本身的行驶状况，并将其通过信号传输给北斗导航卫星，地面控制室也通过北斗导航卫星获得船舶在海中的方位、行驶情况等，对船舶进行相应的控制，使船舶顺利地执行既定的行驶任务。如图1，图2。

图1北斗自航系统原理简图

图2北斗自航系统原理示意图

4.2控制系统详细设计：北斗导航卫星遥控无人驾驶船舶

为了执行某项任务，无人驾驶船舶可能驶到很远的地方，以至于人们用肉眼

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观察不到它在海里的姿态和位置。为了解决这个问题，对无人驾驶的船舶，可以借助卫星对远方目标的参数及状态进行测量。安装在无人驾驶船舶上的测遥发射系统能把船舶的速度、发动机转速、船舶行驶姿态等参数不断传送给北斗导航系统，地面控制中心接受系统及显示装置接收并显示这些参数，并根据参数做出相应响应，通过导航系统反馈给无人驾驶船舶。

除了可以通过北斗卫星导航系统和地面中心的联合作用控制舵面及其他结构外，还可以用自动控制设备自动驾驶。安装在船舶上的各种传感器直接感受船舶行驶时的各种参数，并将其变为电信号，这些电信号通过运算放大器直接加到舵机等执行电路上，对无人驾驶船舶的姿态进行控制。

五、实验模拟 5.1实验原理：

本实验的遥控系统是由传感器、发生器、接收器和控制器等组成，如图3所示：[3]

图3遥控系统原理图

传感器可以分为两类。一类是由直接接受外界的各种信号，将其转换成电信号输出。另一类是传感器自身能发射出某种波，如红外线波、超声波、微波等，这些波遇到障碍物后能反射回来被传感器接收，并将它们转换成电信号，从所接受的反射波中分析出障碍物的不同性质，如距离、颜色、移动速度等。发射器的作用是根据它接收到的指令信息向接收器发射某种信号的波，这种波多半是超声波、红外线波、电磁波、激光等。接收器的作用是远距离接受发射来的含有某种指令的信号，将它们转换为电信号并加以放大，送往控制电路。控制器根据发射器发出的指令，向不同通道输出各种脉冲直流电压执行某些特定的任务。控制器主要根据接收器所接受的信号强度来控制负载。

5.2实验设计：

红外传感器（模拟多卫星数据、已有数据和各地各类观察站数据）； 遥控器（LT-CC1000射频模块，模拟中央控制中心）； 接收器（LT-CC1000射频模块，模拟北斗导航系统）； LPC2103型ARM开发板（模拟控制系统）； 摄像头（模拟船员视角）。

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图4船模布置示意图

5.3实验过程: 5.3.1实验设备：

利用已有2m长木模模型船进行动力改装； 遥控设备为SPRINGRC 2.4GHz 六通道遥控器； 接收机为SPRINGRC 2.4GHz 六通道接收机； 舵机为SMS8166M金属齿大扭力舵机，30kg/cm； 电动机为，24V，300W，3000r/min,直流无刷电机； 电机控制器为MMT-4Q带有正反转功能； 供电系统为24V铅蓄电池； 实验用舵为NACA2210翼型； 实验用螺旋桨为右旋，直径100mm； 6V，1000mhA，氢镍电池组。

5.3.2实验地点:大连理工大学船舶实验水池

水池长度：160m，水池宽度：7m，水池深度3.8m 5.3.3实验过程： （1）第一阶段：

实验初步阶段较为简单，利用舵机调节调速器从而改变电机转速控制航速，利用30kg大扭力舵机操纵舵，从而达到控制航向的目的，利用舵机控制正反转开关，从而控制正反转。将船模进行如图5，图6，图7改装：

① 调试遥控设备，记录各通道用途与对应关系，熟悉遥控器的使用； ② 将电机、调速器、舵机与遥控装置相连 ，调试控制正反转，调速功能，控制舵角功能；

③加装尾轴管，尾轴，螺旋桨，舵等设备到船模上；

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④ 固定动力装置和遥控设备到船上； ⑤ 整体调试； ⑥ 下水实验。

图5舵机及舵布置 图6控制系统、遥控系统布置

图7船尾部布置

经实验测量航速大致可达3kn，左右转动，正反转灵活，如图8，图9。在人为操作的情况下可以较好的躲避障碍物。本实验第一步为后续工作提供硬件基础。

图8船模转弯状态 图9船模行进状态 （2）第二阶段：

实验之后会利用LT-CC1000射频模块作为发射器和接收器， LPC2103做为

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控制器作为主要设备进行（由于时间有限，调试工作尚未完成，这里仅提供方案，如图10）[4]。

图10 LPC2013智能船模原理图

六、项目主要研究人员 姓名 任政儒

单位 大连理工大学船舶工程学院 大连理工大学船舶工程学院 大连理工大学船舶工程学院

性别 年龄 男

21

专业 船舶与海洋工程 船舶与海洋工程 船舶与海洋工程

学位 职称

项目中承担工

作

本科 队长 画图与写作，船

模与外部电路

设计

本科 组员 整理材料与写

作，可视化程序

编写

本科 组员 创新与写作，单

片机编程

姜帆 男 21

刘媛 女 19

参考文献

[1] 孙家抦. 遥感原理与应用. 武汉大学出版社，2003：220 [2] 边少锋， 李文魁 .卫星导航系统概论. 2005 : 141-171

[3] 朱惠明, 张爱武 , 高洪霞. 基于单片机的直流伺服电机转速控制实验系统. 山东建材学院学报1999 ：636，169-171

[4] 周新力，贾利华.遥控船模控制系统的设计. 中国水运,2009, 2-3

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科幻小文章

“北斗超人”——2031

作者：刘思琦，孙显卫，韦佳黎，祁福斌 指导教师：徐德斌，方坤

（中国地质大学（北京）信息工程学院，北京，海淀100083）

【摘要】 2031年,实验室中，刘伟斌博士回忆起,利用北斗卫星导航系统使机器人“北斗超人”能够在危险的火山地带探矿的经过。

我国探明的矿产储量约占世界总量的12%,但是,我国矿产资源人均占有量仅为世界水平的58%。2011年，对国民经济起支柱性作用的矿种储量不足,并且沦为紧缺矿种。但是某些拥有丰富矿产资源的火山地带却因危险因素的存在以及科技装备落后的原因而无法开采。刘博士便将目光投向了机器人探矿上。

刘博士利用北斗的导航以及信息交流功能解决了机器人与工作人员的信息交流以及灾情报告的问题。北斗的引入解决了安全问题，确定了机器人投方的准确位置。机器人采矿的计划趋于完美。

于是一个崭新的探矿时代降临。

阳光明媚的下午，刘伟斌博士抚摸着研制成功的北斗卫星与机器人的完美结合体“北斗超人”，欣慰的笑了。透过实验室的窗户，杨博士想起了20年前-——2011年。

尽管脸上带着微笑，但是在想到2011年时，杨博士的眉头不禁皱了起来…… 对于一个对矿物质充满兴趣与热情的人，当杨博士看到矿物资源日益匮乏时，就如同看着自己的婴儿因没有食物而渐渐死去一样的心痛。

2011年时，矿物资源匮乏。当时，我国已探明的矿产储量虽然约占世界总量的12%,仅次于美国和独联体而位居世界第三。其中煤、钨、锡、钼、稀土、莹石、重晶石、芒硝、石膏、滑石等矿产在数量或质量上都具有明显优势,有较强的竞争力。但是,我国矿产资源人均占有量仅为世界水平的58%,居世界第53位。从另一个角度来说,我国优势矿种大多为用量不大的矿种,而对国民经济起支柱性作用的矿种却储量不足,并且沦为紧缺矿种。我国矿产资源面临严峻形势，矿产地新发现数量不足,储量减少的矿种增多。我国的资源经过数年的探寻和开发,地表及浅部矿产资源多已被发现和利用。整体而言,发现和开发利用的风险,难度越来越大。1994年至2000年,45种主要矿产中,储量出现负增长的矿种已增至26种,连续3年减少的矿种有14种。我国已探明的45种主矿产的储量,到2010

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年严重短缺的有铬、钴、钼、钾、金刚石5种,矿产资源不能自给的有19种,据推测2020年短缺的矿产资源将增至39种,矿产资源供需矛盾十分严峻。

世界范围内金、银、锌、铅、锡、铜等矿产的可采年限为15-50年,紧缺的矿种如钨、钼、汞、及钛铁等矿产的可采年限仅为50-75年。

刘博士深知一个国家居民消费水平和生活方式在很大程度上取决于该国的人均自然资源拥有量和消费量。

矿产,是提高人民生活水平和进行经济建设的重要物质基础,各国对矿产的需求量日益增长。因此，矿产的丰富程度及开发利用程度是一个国家物质财富、经济发展和科学技术水平的重要标志。矿产资源与其他自然资源不同，总体上说是开采后不可再生的有限资源，特别是那些优质、易采的矿产，在世界上已经屈指可数。并且由于矿产资源分布极不均衡，即使是国土面积居世界前列的国家，也不可能在所有矿产资源上完全自给自足。

矿产资源的不足将制约国家的发展，刘博士为祖国的未来而担忧不已。 于是，刘博士与其他几位矿产资源方面的权威人士共同组成了“资源开发小组”，致力于解决矿产资源不足的问题。

一天，几位博士正在食堂一起吃饭。电视中新闻联播报道莫尔纳瓦特火山（Morne Watt）爆发的事件。

刘博士突然有了灵感，他站了起来，大声说道：“我想到了！” 几位矿产资源博士不禁问他想到了什么。

刘博士兴奋的说：“有一个地方的矿产资源很丰富，但却还没被利用起来。” “哪里？”

“就是那里。”刘博士指着电视说。 大家恍然大悟。

饭还没有吃完，大家就一起兴奋地冲进了实验室，开始了工作。

矿产中,主要由地球内部能源的影响而产生的内生成矿，如热液型矿床、矽卡岩型矿床、火山矿床等还未得到完整的开发和利用。

刘博士想到今后将探索火山附近的矿产，这的确是个绝妙的想法。但是“资源开发小组”还有些担心安全问题。据统计全国每生产1千万吨煤死亡11.82人，生产1亿吨煤死亡118.2 人。 在危险的火山地带进行探矿，死亡的人数必将增加。

刘博士心里烦躁，在办公椅上休息了一下，然后随手拿起今天的报纸看了起来。

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“据报道，昨日下午，美国又向世界公布了一项新的科技成果，他们研制成了一种机器人，可以......”

“机器人、机器人可以做到”，当这一想法萌生在刘博士脑海中时，刘博士兴奋地彻夜难眠。

第二天，“资源开发小组”召开紧急会议，探讨将机器人应用于探矿是否可行的问题。一位专家说道：“将机器人应用于探矿，确实可以解决人员伤亡问题，但是机器人单独到荒野地区执行任务，存在一定的危险性，必须有人与机器人进行及时的信息交流，并对其行为进行全程监控才可以。这种监控系统的监控效果不能受地形环境的影响与干扰，但地面监控技术目前很难做到这点。”大家都不住点头，表示赞同。

会议室陷入一片沉静，大家都在思考如何解决信息交流以及机器人监控问题。最后，会议决定，先进行机器人研发，在研发过程中寻找解决交流与监控问题的办法。

几年里，刘博士与他的团队一直致力于机器人的研制。经过多年努力，身高3米、重3.5吨、以太阳能为能源、行动灵活、能与人进行简单的语言交流、自动化验土壤结构，从而辨析土壤中所含矿产种类的“超人机器人”研制成功了。

整个团队的成员都为机器人的研制成功而兴奋不已，机器人应用于火山探矿的那一天近在眼前。刘博士决定请大家吃饭，好好庆祝一下探矿机器人的研制成功。

吃饭时，韩裕教授提出了一个问题：“目前我们虽然能对“超人机器人”进行短时的行为监控，但还是难以与机器人进行及时的信息交流。当“超人机器人”完成土壤分析时，我们无法及时得到反馈信息。并且，一旦机器人在火山地带遇到危险，人类无法及时得知消息，无法实施援救，这无疑会使机器人陷入困境，造成巨大的损失。”

大家听完又陷入了沉思。是啊，代替专家的探矿机器人已经研制成功，但现在还只能放在实验室里，不能应用于实际，这又有什么用呢？

“刘博士，您的电话，对方姓杨，您现在方不方便接电话？”助手孟璎，还没来几天，显得有点腼腆。

“姓杨？”刘博士有点疑惑，不过旋即释然，并有些高兴。

“各位，不好意思，你们先吃，我去接个电话，这是我一个老同学。”刘博士跟大家道了声歉，然后就随着小孟走进了办公室......

“我想到了，我想到了，我们可以利用我国自主研制的北斗卫星导航系统”，刘博士兴冲冲的从实验室跑了出来，后面跟着满脸疑惑的小孟。“我的同学在北斗卫星导航系统研究中心工作，今天他们发射了一颗改进后的替换北斗卫星，刚才打电话邀请我去参加他们的庆典。”

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“听说我们国家的北斗卫星导航系统的定位精度已经逼近美国军用的GPS的精度了......”

大家议论开来，显得十分兴奋，比“超人机器人”研制成功时还要高兴...... 已至深夜，刘博士办公室的灯还亮着。电脑前，刘博士正在阅读有关北斗卫星的资料。屏幕闪烁的光亮映照在刘博士微笑着的脸上。

经过与北斗卫星导航系统研究中心三年的合作，“超人机器人”与北斗卫星导航系统已完美结合，“超人机器人”也已改名为“北斗超人”。“资源开发小组”和北斗卫星导航系统研究中心的人员都十分激动，大家都期待着“北斗超人”的第一次行动......

“刘博士，刘博士！”孟璎叫醒了沉思中的刘博士，刘博士的思绪由20年前回到了现在——2031年。

“明天，?北斗超人?就将第一次进入火山地区探矿了。”想到这里，刘博士心潮澎湃。

第二天一大早，刘博士及所有工作人员就来到了实验室的监控中心。监控器屏幕上“北斗超人”正悬挂在大型飞机下面，快速飞往台湾的一号火山地带。飞机到达了事先划定好的区域范围，便将“北斗超人”缓缓降落下来。接下来，就是让所有人紧张的时刻了。只见“北斗超人”缓缓启动，前进，按着设定的路线在划定的区域范围内开始了工作。实验室一片欢呼，大家互相拥抱，多年来的努力没有白费，今天，终于成功了。刘博士默默看着“北斗超人”的一举一动，他眼中噙满了泪水。

每十米，“北斗超人”就采集一次土壤，对其进行现场化验，同时将样本储存到置物箱中。在采集土壤的同时，“北斗超人”将小型感应器载入到土壤50米深的地方。小型感应器能够发出微弱的信号 （微弱信号很容易被干扰），地震波的影响能够改变这些小型机器发出的信号，北斗卫星根据感应到的小型感应器信号的改变程度，来预测地震的发生时间与强度。一旦预测到即将有灾难发生，北斗卫星就会同时发送信息给救援中心及“北斗超人”。救援中心会及时派出人员及飞机赶往火山地带，与“北斗超人”在指定地点接头，回基地。

所有成员无比欣慰，他们相信，国家矿产资源紧缺的问题不久就会得到解决，中国又将迎来一个辉煌的时代。

两天后，信息接收中心接收到“北斗超人”发来的信息。信息显示“北斗超人”在北纬23.7度、东经120.3度、海拔2003米处发现不明矿物结构，此矿物结构超出“北斗超人”的能力分析范围，所以“北斗超人”请求派遣专家到基地，进行进一步分析。于是，工作人员打电话通知矿产专家来基地，准备开始工作，进行分析。

一个星期的不间断工作后，机器人将划定区域范围内的土壤全部分析完毕，并请求总部派遣飞机将自己运基地。

专家小组将“北斗超人”带回的数据及样本进一步分析整理之后，得出了一号火山所拥有矿产的种类以及储存量的详细数据。

“资源开发小组”的专家们看到数据都十分震惊。一号火山附近蕴含着极其丰富的矿产资源，并且其中许多矿产正是我国目前所缺少的。这些矿产将为推动我国经济的发展贡献巨大力量。

开采小组的成员们正焦急的等待着灾害监测组的分析结果，随时准备出发前往一号火山。他们渴求看到那里丰富的矿产资源。

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实验室中，灾害监测小组的成员根据北斗卫星传来的信息，分析出最近几天此地带地壳稳定，不会发生大的地壳运动，开采小组可以出发。

开采小组片刻没有耽误，立即赶往一号火山进行矿产开采，并且严格控制了开采区域，避免引发地质灾。。

此期间，灾害监测小组一直持续密切关注着北斗卫星传回的数据，认真分析，以防灾难发生。一旦预测出近期内可能有灾害发生，灾害监测小组就会通过北斗及时发送信息给开采小组，令他们及时撤离火山地带。

一个月后,开采小组已经完成了开采任务的三分之一，开采出的矿产种类极其丰富，数量可观。

实验室中一片欢呼。

开采团队的队员个个精神振奋，他们准备向最后一个开采区域出发。 正当这时，灾害监测小组分析出三天后，一号火山附近地域可能会发生较大强度的地壳运动，一号火山将有可能出现小型喷发。

他们立即将分析结果交给刘博士。

“立刻用北斗卫星发送信息给开采小组组长，告诉他，停止开采，马上撤回基地。”刘博士没有丝毫慌张。

开采小组队长收到信息后，回复说“收到信息，我们将马上撤离，接头地点定在北纬23.3度、东经120.1度、海拔1998米处。”

即刻，开采小组收拾好工具，向接头地点出发。同时飞机也一齐出动，向接头地点赶去。一天后，他们顺利接头。

“我们已安全接头，预计一天后回到基地。”总部收到开采小组通过北斗卫星发回的信息。整个基地没有丝毫不慌乱，是因为所有人知道，只要有北斗在，一切问题都能迎韧而解。

“北斗超人”火山探矿，是人类的又一大举措，世界为之震惊。

刘博士及基地的所有人并没有休息，他们在密切关注着北斗卫星传回的监测数据，蓄势待发的等待着下一次活动——去一号火山将未开采的矿产采出，并且筹划着去二号火山的计划。

但是，这一切只是开始。

刘博士知道，“北斗超人”第一次执行任务，许多问题还没有充分暴露，所有人都会时刻准备着解决可能出现的新的科技难题......

参考文献

[1] 唐金元，尚新强，刘水．卫星导航系统机载接收设备[M]．青岛：海军航空工程学院青岛分院，2005：

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[2] 边少锋，李文魁．《卫星导航系统概论[M]》．北京：电子工业出版社，2005：169—1 75．

[3] 周 露，刘宝忠．《北斗卫星定位系统的技术特征分析与应用[J]．全球定位系统》，2004，29(4)：

12—16．

[4] 杨振荣．《北斗导航应用进入关键阶段[J]．中国航天》，2006，(3) ：4—5．

[5] 窦长江．《北斗导航卫星应用产业化研究[J3．全球定位系统》，2006，31(5)：46—48．

[6] 边少锋，李文魁编著．《卫星导航系统概论》，电子工业出版社． [7] 曾庆华，刘建业等著．《我国卫星导航系统相关技术发展分析》，《航天控制》第24卷，第4期，2006

年8月．

[8] 王晓明，殷耀国，杨自明著．《全球导航卫星系统的现代化进展》，《全球定位系统》2006年第4期． [9] 周露，刘宝忠著．《北斗卫星定位系统的技术特征分析与应用》，《全球定位系统》2004年第4期．

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科技小制作

基于GPS的智能导航救援系统

作者：吴家祥 荆日星 孙新苗 潘佳奇 指导教师：张婷 吴琼 郭玉洁

（北京理工大学 自动化学院，北京 海淀100081）

【摘要】本救援系统以Freescale MC9S12XS128单片机作为控制核心，采用GPS定位、GSM通讯、无线通讯等相关技术，可准确的得到被困人员位置坐标，自行到达求救者所在方位，并实时与上位机进行无线通讯，传回自身位置、现场图像等有效信息，配合开展救援行动。

通过后期加入北斗导航系统，实现北斗与GPS的组合导航功能，必将大大提高系统的可靠性与实用性，真正发挥出本救援系统在实际救援工作中的巨大作用。

【关键词】 MC9S12XS128单片机、GPS技术、无线通讯

1引言

本方案旨在研制开发一套多任务调度智能导航救援车组，该系统基于GPS定位、GSM通讯、无线通讯等相关技术，实现救援车在上位机的调度之下，自动行进到达求救者所在位置，并实时与上位机进行无线通讯，传回自身位置、救援现场图像的信息。本文从以下几个方面介绍了该系统。

首先介绍了多任务调度智能导航救援车的研究背景。近年来全球自然灾害频发，威胁着人们的安全。紧急情况发生时，救援人员应快速赶到现场开展救援活动，但常常由于恶劣的客观条件限制，得救援行动实际效果并不理想。当灾害发生时，如何尽快与被困人员取得联系，在保证救援人员自身安全的情况下获得更多现场信息是该系统要解决的问题。

其次介绍了硬件设计方案，系统由控制核心模块，电源稳压模块，GPS模块，GSM模块，无线通信模块，无线摄像头模块，电机调速模块等模块。系统以Freescale 16位单片机MC9S12XS128为主控制核心，实现求救者发布求救信息以及救援车的智能控制。被困者通过手持式的GPS &GSM求救终端，可以实时以短信形式向救援方发送自身位置信息。救援车在行进过程中，通过GPS装置实时更新自身位置，并实时用无线摄像头记录救援现场图像信息，并上传至上位机，救援人员据此可以了解救援现场内部状况，并在特殊情况下，切入救援车的手动控制模式，直接在无线摄像头的辅助下，操纵救援车的运动。

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然后介绍了软件设计方案，该系统在CodeWarrior、Visual studio 等软件基础平台上完成的，采用c语言编写上位机软件，救援人员通过上位机软件，及时对接收到的求救短信内容进行分析，获取被困者的位置。上位机对路径进行规划，将路径简化为若干个关键点，指挥救援车按照关键点行进，直至到达被困者位置。

最后介绍了系统的测试及主要参数，对系统未来的改进方向与发展前景进行了展望与总结。 2 研究背景

近年来全球自然灾害频发，例如2011年3月24日缅甸发生7.2级地震、2011年3月11 日本本州东海岸附近海域遭遇9.0级地震，并引发海啸，2010年2月27日智利8.8级地震，2010年1月12日海地地震造成11.3万人死亡，2008年6月美国密西西比沿岸发生洪灾，2010年7月下旬巴基斯坦洪灾等。与此同时，我国也是一个高风险的国家，容易遭受各种自然灾害，严重威胁着人们的生命安全。以2010年为例，4月份玉树地震造成2968人死亡，夏天洪水造成1691人死亡，甘肃省舟曲县特大泥石流灾害，造成至少1501人遇难，264人失踪，26470人受灾。2008年的汶川8级地震，已确认69227人遇难，374643人受伤，失踪17923人。世界银行2011年3月21日在京召开发布会称，估计到本世纪末，我国有可能成为受气候变化引起的热带飓风影响最严重的三个国家之一。

此类紧急情况发生时，救援人员应快速赶到现场开展救援活动，但常常由于恶劣的客观条件，如大雾、大雨等天气限制，核泄漏事件中核辐射造成的安全限制，道路阻断等路况限制，导致营救人员无法与被困者取得联系，或者不能深入现场进行侦察、施救，导致延误救援时机，使得救援行动实际效果并不理想。

当灾害发生时，如何尽快与被困人员取得联系，如何在保证救援人员自身安全的情况下获得更多现场信息、开展救援行动，都是亟待解决的问题。本项目组认为，将GPS导航技术、无线通讯技术等多学科知识有机融合，研制开发用于导航和搜寻的救援车，救援车导航的功能可以有效地提高救援效率和减少施救人员的伤亡，它们不但能够帮助工作人员第一时间准确地到达受害者的位置，甚至能够代替工作人员执行搜救任务，在灾难救援中将会起着极其重要的作用。 3 硬件设计方案 3.1．系统方案图

3.2. 主控芯片Freescale MC9S12XS128

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MC9S12XS128单片机特性 1）、16位的MCU 2）、增强型锁相环PLL 3）、总线频率16MHZ，可以超频到80MHZ 4）、8路PWM ，RTI 定时中断4路TIMER 5）、BDM调制工具（支持对整页的访问） 6）、16路8位、10位，12位AD 7）、串行口有2个SCI，2个SPI，2个CAN总线模块 8）、片内可编程上拉电阻

最小系统示意图：

3.3. 电源稳压模块

LM2940/LM2940C 低压差三端稳压器

LM2940CT-5.0特性 1）、输出电压 5V

2）、最小输入输出电压差小于 0.8V 3）、输出电流 1A 4）、最大输入电压26V

5）、工作温度 ?40~?125?C 6）、内含静态电流降低电路 7）、过流、过热保护

8）、电池反接、反插入保护

9）、贮藏温度范围?65?C?TJ??150?C 25

VIN INPUT C1 0.47μF VOUT LM294OUTPUI+ T COUT 22μF

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10）、最大结温150?C，运行温度范围0?C?TJ?125?C

典型应用：

管脚：

等效原理图：

性能对比：

7805三端集成稳压集成电路输出正5V电压，组成稳压电源所需的外围元件少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，且成本较低，工作可靠。但是对于7805这样传统的线性稳压器，要求输入电压要比输出电压高出2V～3V以上，否则就不能正常工作，使用条件相对苛刻。

LM2940三端集成稳压芯片是美国国家半导体公司生产的1A低压差线性稳压器，当输入电压和输出电压超过约3V时，输出电压稳定在5V，输出电流能达到1A。而LM2940作为一种LDO，其中的调整管是用P沟道MOSFET，使它上面的电压降非常低，通常为200mV左右，比7805具有更大的优势。 3.4. GPS模块（SR-87） GPS定位原理：

GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式)

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全球定位系统的主要特点：

1、全球、 全天候工作。 2、定位精度高。应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50KM以内可达10-6，100-500KM可达10-7，1000KM可达10-9。在300-1500M工程精密定位中，1小时以上观测的解其平面其平面位置误差小于1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较，其边长较差最大为0.5mm,校差中误差为0.3mm。

3、观测时间短。随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20KM以内相对静态定位，仅需15-20分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15KM以内时，流动站观测时间只需1-2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。

SR-87 GPS模块是一款应用了SiRF StarⅢ芯片组解决方案的高灵敏度高性能低功耗的集成模块。它能够同时跟踪到20颗卫星同时可以提供1Hz的导航数据更新速率。

方框图

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管脚说明： 管脚 管脚名 1 2 3 4 5 6 VCC 5V TXA RXA NC GND 默认: 时标 选项 : 重置/GPS 状态 功能说明 +3.0 ~5.5V直流电源输入t 端口A串行数据输出 端口 A串行数据输入 NC 电源地 默认: 1PPS 时标输出 选项: 重置输入 (低态有效)/GPS状态显示(LED).

相关参数： 芯片集 频率 Code 协议 GPS接收器（SR-87） SiRF GSC3e/LP L1,1575.42 MHz C/A Code NMEA 0183 v2.2 Default:GGA, GSA, GSV, RMC Support:VTG, GLL, ZDA SiRF binary and NMEA Command 4800 to 57600 bps 20 4Mbit 跟踪：-159dBm 平均42s 平均 38s 平均 0.1s Position: 10 meters,2D RMS 5 meters,2D RMS,WAAS enabled Velocity: 0.1m/s Time: 1 us synchronized to GPS time < 18000 meters < 515 meter/second < 4G 1 Hz WAAS, EGNOS, MSAS WGS-84 波特率 通道数 闪存 灵敏度 冷启动 热启动 刷新 精度 超调量 最大速度 最大加速度 更新速率 DGPS 基准 中学组一等奖作品

I/O 类别 规格 电源 备份电压 功耗 湿度 工作温度 接口 1 serial ports 物理特性 6-pin connector 25.4mm * 25.4mm * 7mm ±0.2mm 电源特性 3.0~5Vdc ± 5% 3.3~6Vdc 获取：60mA 追踪：42mA 环境要求 5% to 95% -30℃ to 85℃

3.5. GSM模块

GSM是由欧洲电信标准组织ETSI制订的一个数字移动通信标准，全称为全球移动通信系统(Global System of Mobile communication)，是当前应用最为广泛的移动电话标准， GSM标准的设备占据当前全球蜂窝移动通信设备市场80%以上。

GSM技术采用了高效调制器、信道编码、交织、均衡和语音编码技术，使系统具有高频谱效率，同时由于每个信道传输带宽增加，配以相关技术使容量效率比TZCS（全入网通信系统技术系统）高3～5倍，而且GSM标准所提供的开放性接口，不仅限于空中接口，而且包括网络之间以及网络中各设备实体之间的接口处理。

考虑到GSM的普适性，以及GPS定位系统的高速发展，我们在以GSM网为基础的救援系统中，利用GSM短信息信息群发通信手段，建立求救者与救护人员之间最直接有效的通讯，提供及时、准确无误的信息支持，另外也可以在应急状态下根据实际情况，使指挥、调度工作快捷有序、信息传达准确，缩短救援反应间期，提高救援工作效率。

GSM模块，是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。

因此，GSM模块具有发送SMS短信，语音通话，GPRS数据传输等基于GSM网络进行通信的所有基本功能。简单来讲，GSM模块加上键盘、显示屏和电池，就是一部手机。

在此项目中，我们选用的TC35是一款双频900/1800MHZ高度集成的GSM模块，用以收发短信，一方面接收被困人员的求救信号，方便接收站定位，另一方面转发短信内容至工作人员以便他们对短信的具体内容进行分析了解，确定现场具体情况，做出恰当安排。

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天GSM模块TC35 天线插口 FLASH 40芯的 ZIF连接器 电源ASIC GSM射频部分 GSM基带处理

TC35天线 CMOS / RS232 串口 TC35模块 PC机

电源 SIM

TC35的主要技术指标：

电源电压：单一电压3.3～5.5V SIM电压：3V/1.8V SIM卡连接方式：外接

信息传送内容：语音和数据

频段：双频GSM900MHz 和 DCS1800 MHz(Phase 2+)

发射功率：2W (GSM900MHz Class 4)、1W (DCS1800MHz Class 1) 天线：天线连接器连接外部天线 工作温度：-20°C to +55°C 储存温度：-30°C to +85°C 工作电流：

通话模式: 300mA (典型值.) 空闲模式: 3.5mA (最大值) 省电模式: 100μA (最大值) 语音解码标准

三种速率：半速 (ETS 06.20)、全速(ETS 06.10)、增强型全速 (ETS 06.50/06.60/06.80)

短信息：MT, MO, CB 和 PDU 模式 外型尺寸：54.5 x 36 x 6.7mm

音频接口：模拟信号（麦克风，耳麦，免提手柄） 通讯接口：RS232（指令和数据的双向传送） 电话薄功能：存储于SIM卡中

模块复位：采用AT指令或掉电复位

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串口通讯波特率： 300bps...115kbps 自动波特率范围； 4.8kbps...115kbps 软件下载功能：通过RS232或SIM接口 实时时钟：可实现（时钟频率32.768KHz） 定时器功能：可用AT命令编程

一般AT命令： ASCI码指令 AT回车 ATE AT+CNMI=1,1,2 功能 握手 简化显示 设置收到短消息提示 手机回答 OK OK OK +CMTI：“SM”，4 4表示手机内短消息数量 读取电话上全部未读过的SMS消息 列出已有的短信息 读取全部SMS消息 读取第X条短消息 删除第X条短消息 发送短消息的字节数 > 读取第1条短信 0：未读过，新的短信息 1：已读过 +CMGR: 1,1,,150 第二个1表示已读 150 表示PDU数据的长度 AT+CMGL=0 AT+CMGL=2 AT+CMGL=4 AT+CMGR=X回车 AT+CMGD=X回车 AT+CMGS=6 AT+CMGR=1 1 表示读取第几条短信 短消息控制AT命令： AT+CSMS 选择消息服务。支持的服务有GSM-MO、SMS-MT、SMS-CB。 AT+CNMA 新信息确认应答。 AT+CPMS 优先信息存储。这个命令定义用来读写信息的存储区域。 AT+CMGF 优先信息格式。执行格式有TEXT方式和PDU方式。 AT+CSAS 保存设置。保存+CSAS和+CSMP的参数。 AT+CRES 恢复设置。 AT+CSDH 显示文本方式的参数。 AT+CNMI 新信息指示。这个命令选择如何从网络上接收短信息。 AT+CMGR 读短信。信息从+CPMS命令设定的存储器读取。 AT+CMGL 列出存储的信息。 AT+CMGS 发送信息。 AT+CMGW 写短信息并存储。 AT+CMSS 从存储器中发送信息。 AT+CSMP 设置文本模式的参数。 31

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AT+CMGD AT+CSCA AT+CSCB AT+WCBM AT+WMSC AT+WMGO AT+WUSS 删除短信息。删除一个或多个短信息。 短信服务中心地址。 选择单元广播信息类型。 单元广播信息标识。 信息状态（是否读过、是否发送等等）修正。 信息覆盖写入。 不改变SMS状态。在执行+CMGR或+CMGL后仍保持UNREAD。

3.6. 无线传输模块

3.6.1. 无线通信模块 (bsRWF-1021)

SRWF-1021系列无线数传模块为通用透明传输模块，能适应任何标准或非标准的用户协议：微功率发射，最大发射功率10dBm(433/470MHz)、

5dBm(868/915MHz)。载波频率可提供433/470/868/915MHz四种选择高抗干扰能力和低误码率：基于GFSK/FSK的调制方式，采用高效前向纠错信道编码技术，提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力。传输距离远，在公路情况下，天线AT-4放置位置1米高，可靠传输距离可达800m(433MHz/1200bps)、600m(433MHz /4800bps) 、500m(433MHz /9600bps)。800m(470MHz/1200bps)、600m(470MHz /4800bps)、500m(470MHz /9600bps)。400m(868MHz/1200bps)、

320m(868MHz/4800bps) 、200m(868MHz/19200bps)。300m(915MHz/1200bps)、260m(915MHz /4800bps) 、200m(915MHz /19200bps)。

提供透明数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协议，自动过滤掉空中产生的假数据，用户无需编制多余的程序，实现所收即所发。标准配置提供8个信道，如果用户需要，可扩展到16/32信道。满足用户多种通信组合方式。提供2个串口三种接口方式，COM1为TTL电平UART接口，COM2由用户自定义为软件模拟的RS-232/RS-485接口，用户只需要拔插1位短路器D再上电即可定义。接口波特率为1200/2400/4800/9600/19200bps可选，格式为8N1/8O1/8E1用户自定义，可传输无限长的数据帧，用户编程灵活。+5V供电情况情况下，接收电流28±2mA，发射电流38±2mA，休眠电流5±2uA。

采用单片射频集成电路及单片MCU，体积小，外围电路少，可靠性高，故障率低。

SRWF-1021型无线模块接口的定义：

SRWF-1021提供1个9针的连接器(CON1)，其定义基于终端的连接方法如表1。

表1.基于终端的连接方法 序号 SRWF-1021端 说明 电平 连接到终端 备注 1 GND 电源地电源地 2 VCC 电源DC 3.3～5.0V 3 RXD/TTL 串行数据接收端 TTL TXD 4 TXD/TTL 串行数据发射端 TTL RXD 可与电源5 SGND 信号地 模拟地 地相连 RS-485的A 6 A(TX) A(RX) RS-232的TX 7 B(RX) RS-485的B B(TX) 中学组一等奖作品

RS-232的RX 8 SLEEP 休眠控制（输入） TTL 休眠信号 低有效t>15ms 负脉冲1ms 9 RESET 复位控制（输入） TTL 复位信号 接口方式选择： SRWF-1021提供两个串口，COM1跳线ABC的设置状态对应的频点(CON1的Pin3、Pin4)固定为TLL电平的UART串行口；COM2(CON1的Pin6, Pin7)可通过J1的D位来选择接口方式。如果使用TTL接口方式，把D不插短路器，如图2。CON1连接器的6、7定义为RS-485接口，但是其他不用的接口，不能引线。TTL接口和RS-485接口两种方式是同时存在的。使用的线束只留下4根线。如下图：

模块发送延时时序：

当SRWF-1021模块A的RXD收到数据发射后，由另一个模块B收到数据由TXD输出之间有延时(Td)，波特率不同，其延时(Td)也不同。

波特率(bps) 延迟时间(Td/ms) 1200 122 2400 58 4800 31 9600 16 19200 8

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数据传输延迟时序图

技术参数： 序号 1 2 3 技术指标 调制方式 工作频率 发射功率 参数 GFSK/FSK 433/470/868/915MHz 10dBm(433/470MHz),5dBm(868/915MHz) -118 dBm -118 dBm 4 接收灵敏度 -116 dBm -116 dBm 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 信道数 发射电流 接收电流 睡眠电流 接口速率 接口类型 工作电源 工作温度 工作湿度 外形尺寸 8/16/32 38±2mA 28±2mA 5±2uA 1200/2400/4800/9600/19200bps UART TTL/RS-232/RS-485 +3.3～5VDC -25℃~75℃ 10%~90%相对湿度，无冷凝 47mm×26mm×10mm 800m@ AT-4天线 15 可靠传输距离 800m@ AT-4天线 400m@ AT-4天线 300m@ AT-4天线 备注 433MHz@1200bps 470MHz@1200bps 868MHz@1200bps 915MHz@1200bps 信道用户可设定 订货时说明 用户可设定，但 19200bps只有TTL 433MHz@1200bps 470MHz@1200bps 868MHz@1200bps 915MHz@1200bps 3.6.2. 无线摄像头 (alp0014) 为实现实时视频监控，救援现场图像传输，以及提高近距离搜寻准确度，我们选择无线摄像头（alp0014），内置可充锂电池和麦克风，支持语音监控，最

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多可选4频道设置以控干扰，同时若应用于实际救援现场可实现多任务监控、调度。

产品技术参数： 图像传感器 1/3\索尼 有效像素 PAL：682*582 / NTSC：510*492 水平解晰度 380 Lines 视角 62度 最低照度 1.5Lux/F1.5 增益控制 自动 发射频率 ISM2400MHZ~2483MHz,4CH 传输信号 FM 发射功率 10mW 带宽 18MHz 电池性能 Li-lin4.2V(DC)+5%,500mA 电池容量 500mA 工作时间 2~4小时 工作电流 80mA 尺寸 78*25*25mm 传输距离 有阻（室内）15-20米；空旷无障碍：100米（实测30-50米） 重量 60g 频率 DH1:2414MHz DH22432MHz DH3:2450MHz DH4:2468MHz USB接收机： 本卡是一个4通道无线视频监控软件的Windows操作系统。拥有先进的视频浏览器单独的算法，可以处理多达4个通道视频输入，拍摄的影像高达每秒30帧的速度从USB视频捕获设备。它拥有独立的软件（MultiViewer），利用安装在Windows中的视频编码器，高质量的视频效果，记录文件格式的AVI；文件可以发挥与Windows Media Player或Real Player等JPEG图像快照可以从视频图像；其他功能还包括安全的手动控制频道等。 3.7. 车体 3.7.1. 电机

前轮舵机 (FUFABA-S3003) 内部电路：

舵机的工作原理是：PWM信号由接收通道进入信号解调电路BA66881。的12脚进行解调，获得一个直流偏置电压。该直流偏置电压与电位器的电压比较，获

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得电压差由BA6688的3脚输出。该输出送人电机驱动集成电路BA6686，以驱动电机正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器R。，旋转，直到电压差为O，电机停止转动。舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。

舵机的控制方法：标准的舵机有3条导线，分别是：电源线、地线、控制线。

电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源．电压通常介于4～6V，一般取5V。注意，给舵机供电电源应能提供足够的功率。控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为20 ms(即频率为50 Hz)。当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。某型舵机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系可用下图表示。

后轮电机 (JOHNSON560/ 580)：

技术参数：

1)、7.2V时8500转,电流0.65A 2)、12V时14500转,电流0.75A

3)、长65MM,直径35MM,轴径3.17MM，轴长11MM.

4)、重约:255克

3.7.2. 电子调速器 (SP-03018)

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P1 P2 P3 P4 P5 P6 序号 1 2 3 4 5 5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 VDD UART Tx UART Rx NC GND LED 3.0 ~ 5.5 VDC 输入 NMEA 串行数据输出 串行数据输入 无连接, 在正常运行下必须悬空 地 GPS状态的显示灯 连接： 电机 电源 电机 电源 换向开关 接收机 (通道 2) 接收机电源 接收机电源 从接收机返回的脉宽调制信号控制电子调速器 裁线种类 单侧 16 awg (黑) 单侧 16 awg (红) 单侧 16 awg (红) 单侧 16 awg (黑) 多路通信线路 (红-黑) (红-黑-白) 红(+) 黑(-) 白(信号) PWM控制：脉冲的周期为20ms。脉冲的长度决定的运动状态如下所示。 前进方向：

——开始启动：1586 μs 脉宽 ——平稳运动：1610 μs 脉宽 ——全速前进：2120 μs 脉宽 后退方向：

——开始启动：1428 μs 脉宽 ——平稳运动：1422 μs 脉宽 ——全速前进：875 μs 脉宽 4 软件设计方案

4.1. 求救装置控制程序

求救装置需要完成的功能是：接收GPS模块发出的定位数据，从$GPRMC语句从提取自身的经纬度信息，存储在单片机（MC9S12XS128MAL）内；当用户按下“短信发送”按键时，使用AT指令控制GSM模块发出含有自身位置信息的求救短信。

以上功能所涉及的软件功能有： 1.总线频率设置（PLL模块）； 2.外部中断控制（IRQ模块）； 2.串口数据收发（SCI模块）；

3.从$GPRMC语句中提取经纬度信息。 4.1.1. 总线频率设置 (PLL模块)

MC9S12XS128MAL单片机中有四个不同的时钟，即外部晶振时钟、锁相环时钟、总线时钟和内核时钟。目前电路采用的是16MHz的外部晶振，默认配置下，

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锁相环时钟为32MHz，总线时钟为8MHz，内核时钟为16MHz。通过将PLLSEL寄存器置位，可选择总线频率从锁相环时钟获得，而锁相环时钟与外部晶振时钟的关系由SYNR、REFDV两寄存器决定。

通过相关寄存器的设置，将总线时钟超频到了16MHz，在该频率下，单片机可以稳定工作，同时也保证了数据处理的实时性。具体设置过程为：

void Bus_Clock_Init() {

CLKSEL = 0x00; PLLCTL_PLLON = 1; SYNR = 0xc0 | 0x01; REFDV = 0x80 | 0x01; POSTDIV = 0x00; _asm(nop); _asm(nop);

while (!(CRGFLG_LOCK == 1)) ; CLKSEL_PLLSEL = 1; }

4.1.2. 外部中断控制 (IRQ模块)

MC9S12XS128MAL单片机的PE1为外部中断引脚，使用时需要对IRQCR寄存器的IRQE位和IRQEN位进行设置。

若IRQE=1，当PE1引脚上出现下降沿时，会触发外部中断；若IRQE=0，当PE1引脚上出现低电平时，会触发外部中断。

若IRQEN=1，PE1引脚上的外部中断使能；否则，PE1引脚的外部中断将无法触发。具体设置过程为：

void External_Interrupt_Init() {

IRQCR_IRQE = 1; IRQCR_IRQEN = 1; }

外部中断服务程序中，需要首先关闭外部中断（令IRQEN=0），以避免由于按键抖动造成多次发送数据。当GSM模块短信发送成功后，再使能外部中断（令IRQEN=1），允许下一次发送。具体过程为：

#pragma CODE_SEG NON_BANKED

void interrupt 6 External_Interrupt(void) {

IRQCR_IRQEN = 0;

Sci0_Putstring(commandCmgf); isCmgs = 1; isText = 0;

PORTA = 0x01; }

#pragma CODE_SEG DEFAULT 4.1.3. 串口收发数据 (SCI模块)

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MC9S12XS128MAL单片机有两个串行通信接口，分别为SCI0和SCI1，使用时，需要分别进行初始化设置，下面以SCI0的初始化过程为例进行介绍。

SCI0的初始化，主要是对工作方式控制寄存器（SCI0CR1、SCI0CR2）和波特率寄存器（SCI0BDH、SCI0BDL）进行设置。我们需要将SCI0设置为接收中断使能，波特率为9600（总线频率为16MHz），其他均保留默认配置即可。具体设置过程为：

void Sci0_Init() {

SCI0CR2 = 0x2c; //enable Receive Full Interrupt,RX enable,Tx enable

SCI0BDH = 0x00; SCI0BDL = 0x68;

//Baudrate = busclk / (16 * SCI0BDH:L)

//busclk 16MHz, 9600bps, SCI0BDH = 0x00, SCI0BDL = 0x68 }

完成SCI0的初始化后，就可以通过进行串口数据的收发了。其中发送数据的方式为：检查SCI0SR1寄存器中的TDRE（发送保持器空标志位）是否为1，当TDRE=1时，将待发送数据写入SCI0DRL寄存器。具体过程为：

void Sci0_Putchar(uint8 ch) {

while(!(SCI0SR1&0x80)) ; //keep waiting when not empty SCI0DRL = ch; }

接收数据的过程为：检查SCI0SR1寄存器中的RDRF（接收数据就绪标志位）是否为1，若RDRF=1，从SCI0DRL寄存器中读取数据。具体过程为：

void Sci0_Getchar(uint8 *ch) {

if (SCI0SR1_RDRF == 1) {

*ch = SCI0DRL; SCI0SR1_RDRF = 1; } }

4.1.4. 从$GPRMC语句中提取经纬度信息

这一部分主要是对保存的GPRMC语句进行分析，搜寻关键语句段，进行分析，并生成待发送的短信内容。具体过程为：

void Make_Desicion_GPS() {

if (gpsMessage[3] == 'R' && gpsMessage[4] == 'M' && gpsMessage[5] == 'C')

{

commandTextPointer = 0;

for (i = 0, commaCount = 0; commaCount < 3; i++) {

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if (gpsMessage[i] == ',') { commaCount++; } }

latitudeDegree = gpsMessage[i] * 10 + gpsMessage[i + 1];

latitudeMinute = gpsMessage[i + 2] * 10 + gpsMessage[i + 3] + gpsMessage[i + 5] * 0.1 + gpsMessage[i + 6] * 0.01 + gpsMessage[i + 7] * 0.001 + gpsMessage[i + 8] * 0.0001;

Append_String(\for (; gpsMessage[i] != ','; ) {

Append_Character(gpsMessage[i++]); }

Append_Character(';');

for (commaCount = 0; commaCount < 2; i++) {

if (gpsMessage[i] == ',') { commaCount++; } }

longitudeDegree = gpsMessage[i] * 100 + gpsMessage[i + 1] * 10 + gpsMessage[i + 2];

longitudeMinute = gpsMessage[i + 3] * 10 + gpsMessage[i + 4] + gpsMessage[i + 6] * 0.1 + gpsMessage[i + 7] * 0.01 + gpsMessage[i + 8] * 0.001 + gpsMessage[i + 9] * 0.0001;

Append_String(\for (; gpsMessage[i] != ','; ) {

Append_Character(gpsMessage[i++]); }

Append_String(\ Append_Character('\\0'); } }

其中涉及到Append_Character()函数和Appen_String()函数的定义分别为：

void Append_Character(char ch) {

commandText[commandTextPointer++] = ch; }

void Append_String(char *p)

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/n6y6.html