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智能分离式女性自卫报警装置
学校: 南京航空航天大学 院系:航天学院 作品类别:B、专用技术创新应用
基于北斗卫星导航系统的短报文功能,利用蓝牙系统的短距离无线通信技术,采取视觉注意机制,设计一种智能分离式女性自卫报警装置。利用小型化蓝牙开关控制报警终端,实现了分离式报警的功能,达到了快速定位、便捷报警的效果。本装置创新之处在于分离式设计,分为蓝牙报警开关和报警信号发射终端两个子系统。并基于人脑信息选择策略的缺陷,将子系统分别内置于女性首饰及箱包中,对施暴者的视觉进行欺骗,实现安全隐蔽的效果。本装置包括基于北斗卫星通信模块的报警信号发射模块、单片机、蓝牙开关、电源等模块。本装置在安保行业具有实际应用价值。
  • 作品/项目简介
  • 作品成果介绍
  • 应用前景分析
  • 项目团队
  • 一、作品意义 :

    在世界各地,针对年轻女性的暴力犯罪案件呈爆发性增长态势,其中性侵、强奸、绑架勒索的犯罪性质最为恶劣。此类案件的施暴者为身强力壮的男性,相较于女性受害者有很大的体力优势。年轻女性一旦被犯罪嫌疑人侵犯,就难以报警和逃脱。

    北斗卫星导航系统(Beidou Navigation Satellite System, BDS)是我国自主发展、独立运行的全球卫星导航系统,具有独特的短报文功能。利用北斗卫星导航系统,利用短报文通讯可以同时实现报警和定位。北斗系统定位精度高、响应速度快、应用范围广,年轻女性受到侵害时如何快速、安全报警的难题,应用短报文功能就完全可以解决。

    结合犯罪案件发生时的情况,基于北斗短报文功能,设计了一款智能分离式女性自卫报警装置。与普通报警装置的不同之处在于,本装置实现了报警开关与报警终端的分离,并分别与女性日常携带的首饰、箱包进行融合。本装置实现了报警装置的小型化、隐蔽化、便携化,并利用视觉注意机制,首饰及箱包的外观既分散了施暴者的注意力,又符合年轻女性的审美和日常使用需求。

    应用本方案设计的装置,使用者可以在遇险时发布求救信息,向北斗卫星发出求救及位置信息,自动进行卫星定位,并由北斗卫星向警方或信息中心发出报警信息;同时,应用RDSSRNSS业务,警方或信息中心可以实时追踪用户位置、速度等信息,为追捕犯罪嫌疑人、保护受害人生命财产安全提供了宝贵的时间。

    本方案设计的装置集时尚美观、轻便易携、安全可靠、反应迅速等特点于一身,为广大女性的人身安全提供了坚强的后盾,减少恶性犯罪事件对于受害人的人身伤害及财产、精神、名誉损失,报警装置的隐蔽性又可以最大限度地保证使用人和报警人的安全,对降低犯罪率、保障公民人身及财产安全、维护社会安全稳定有着不可替代的作用。

    二、国内外相关技术研究情况、水平和发展趋势 :

    我国现有的报警方式主要为电话报警、短信报警和网络报警,这些方式都存在着速度慢、耗时长、不安全的弊端。女性受害者一旦被夺取手机,则基本丧失向外界报警的可能。除了通过手机进行报警外,应用导航卫星也可以解决这个问题。然而GPS只具有用户自我定位的功能,不能把自身位置信息发送给外界,也就无法通过GPS向警方求助。

    目前是市面上的报警装置主要针对登山驴友、户外探险者及海上渔船的需求研发,设备体积较大,外观的美观性和隐蔽性差,没有针对女性在紧急情况下遇险时的解决方案。

  • (一) 作品方案

    1.报警装置的组成及防误触机制

    1.1报警装置的组成

    智能分离式女性自卫报警装置的整体结构如图2所示。

                                                   http://7xrrgv.com1.z0.glb.clouddn.com/image/campus/project/1494689709124.jpg

                              2 报警装置的组成

    为实现便携性、美观性及隐蔽性,本方案设计的报警装置采用分离式设计,由蓝牙报警开关和报警信号发射终端两个子系统组成。蓝牙开关与女性佩戴的戒指、耳环、手镯相结合,报警信号发射终端与女式箱包、女鞋相结合。

    <一>蓝牙报警开关结构及工作机制

    蓝牙报警开关的整体结构如图3所示。

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    图3 蓝牙报警开关结构示意图

    蓝牙报警开关采用微型化设计,由开关、蓝牙模块和电池模块三部分构成。蓝牙报警开关利用蓝牙短距离无线通信技术,对报警信息发射终端进行无线控制,打开蓝牙报警开关即可激活报警信息发射终端。

    报警开关内置于女性首饰(如项链、戒指、手镯)中,在首饰的表面安装控制开关(ON/OFF)。当女性使用者自身受到较大威胁时,拨动开关至开启状态(ON),报警开关随即通电。蓝牙模块启动后,自动与报警信息发射终端进行蓝牙配对,若配对成功,报警信息发射终端立即开机,自动向北斗卫星或地面基站发出求救信号。蓝牙报警开关在上述过程中,起到了激发报警信号的作用,是启动报警信息发射终端的基础。

    蓝牙报警开关的工作机制如图4所示。

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    4 蓝牙报警开关工作机制

    <二>报警信息发射终端结构及工作机制

    报警信息发射终端结构如图5所示。

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    5 报警信息发射终端结构图

    报警信息发射终端由北斗导航卫星用户终端、主控芯片、电源模块和蓝牙模块四部分构成。报警信号发射终端的蓝牙模组一直保持待机,随时处于待配对状态。保证终端一旦接收到报警开关的蓝牙信号即进行自动配对,配对成功后即可激活并开机运行,自动发送求救信号至北斗导航卫星。

    报警信息发射终端的工作流程如图6所示。

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    6 报警信息发射终端工作流程

    考虑到报警的隐蔽性与使用者的安全,可将报警信息发射终端机内置于女士箱包底部、运动鞋鞋底夹层。报警信息发射终端机一旦与蓝牙开关配对成功后就被激活,定位及短报文等工作自动进行,无需人为操控。与女式箱包结合的终端不会对使用人的日常生活造成影响,但考虑到其一直保持待机状态,会耗费一定电量,故需要定期通过USB接口为报警信息发射终端充电

    <三>整体协同机制及分离式装置的工作流程

    本文设计的智能分离式女性自卫报警装置协同机制如图7所示。

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    7 智能分离式女性自卫报警装置协同机制图

    (1)在遇险时,使用者打开戒指上的开关,蓝牙模组接通电源开机。

    (2)蓝牙报警开关自动搜索处于待机状态的报警信息发射终端,并进行蓝牙配对。

    (3)蓝牙配对成功后,报警信息发射终端自动接通电源开机,向北斗导航卫星发送求救信息。

    (4)北斗卫星获取报警人的时间、经纬度和短报文报警短信,发送至地面站或警方。

    (5)警方出动,完成整个报警及出警过程。

    系统的报警流程如图8所示。

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    8 报警流程框图

    <四>类首饰外观及其视觉注意机制

    蓝牙报警开关采用首饰外观,保证使用者一旦遇险,仍然可以触发随身佩戴的蓝牙报警开关。在极限情况下(如被捆绑手脚、暴力制服),女性受害者仍可以在较小的活动范围内打开戒指上的蓝牙开关,通过报警信息发射终端向外界发出求救信息。

    根据人类视觉系统(Human Visual System/HVS)的信息选择策略,大脑会利用视觉注意机制引导人眼在海量数据中注视到显著的区域,并分配资源对重要区域优先进行处理。多数情况下,当眼睛接收到来自外界的大量的视觉信息,大脑并不能对所有的视觉信息进行同时处理,而是删除大部分无用信息,筛选出少许感兴趣的重要信息,优先对这些视觉信息进行处理。利用信息选择策略的缺陷,本文设计的装置采取戒指、手镯等普通饰物的外观,可在一定程度上迷惑罪犯,在视觉上造成“无用信息”的假象。当本装置的影像在视觉区域内被删除,罪犯对本装置的警惕性就会大大下降。

    依据视觉注意引导机制,采用女性首饰外观实现了报警装置的隐蔽性,达到了分离式报警器的设计目的,最大程度保证了整个报警过程的安全性。蓝牙开关内置于戒指等女性首饰,报警信息发射终端内置于女士箱包及女鞋,这种设计可以保证使用者方便开启报警装置,同时不会影响日常生活。

    1.2报警系统的防误触机制

    鉴于蓝牙报警开关内置于戒指等女性首饰,需要贴身放置,可能会无意触发开关。为避免这一状况的发生,这里提出两个方案。

    <一>双开关/多开关机制

    由于单开关的误触几率相对较高,故考虑引入双开关。在使用人佩戴的两个配饰中放入蓝牙报警开关,为报警引入双保险,同时误触两个开关的几率较低,基本杜绝了误触报警的可能。只有将两个开关在较短时间间隔内相继开启,才可进行报警。

    <二>震动反馈机制

    触发开关时缺乏反馈机制,这是导致误报警情的根源所在。在报警信息发射终端加入振动马达,报警程序正式启动前将提供较强的震动反馈。在保证使用者自身安全性的前提下,适度的震动反馈提示使用者系统正在报警。若为误触的情况,使用者会感受到震动从而意识到误触现象,此时只需立即关闭装置,即把开关调至“OFF”档,就可终止报警程序,达到防误触的目的。

    2.报警装置系统电路设计

    2.1蓝牙无线开关发射及接收部分电路设计

    整个蓝牙遥控部分由蓝牙报警开关遥控发射端和报警信号发射主机接收端组成,通过蓝牙报警开关遥控发射端的“开关一”来控制主机接收端的“开关二”。

    <一>蓝牙报警开关遥控发射端

    蓝牙报警开关遥控发射端由蓝牙串口模块、“开关一”、电源模块、单片机最小系统组成。电源模块采用DC5VLED2电源指示灯和R4限流电阻;蓝牙串口模块采用SPP-C主从一体模块和单片机串口通信。蓝牙报警开关遥控发射端电路如图9所示,图中“开关一”采用轻触按钮的形式,单片机最小系统由STC89C52单片机、C1R1复位电路、Y1C2C3晶振组成。

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    9 蓝牙报警开关遥控发射端电路设计图

    <二>报警信号发射主机接收端

    报警信号发射主机接收端由蓝牙串口模块、“开关二”、电源模块、单片机最小系统组成。其电源、蓝牙串口模块、单片机最小系统与蓝牙报警开关遥控发射端相同,由于报警信号发射端自动接通电源,故“开关二”采用继电器作为开关。

    主机接收端的电路设计如图10所示,图中J1是开关,K1是继电器,三极管Q1用来驱动继电器,LED1用来指示继电器工作情况,R3是三极管Q1基极电阻。

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    10 主机接收端电路设计图

    2.2北斗通信系统信号的接收及发射

    北斗短报文通信业务与单纯的GPS不同,既要接受卫星信号,又要向卫星发射信息,因此完整的北斗通信电路需要接收和发射两部分电路。完整的北斗通信系统如图11所示。

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    11 北斗通信系统示意图

    北斗卫星通信电路包括四大部分:接受低噪声放大器、发射功率放大器、变频部分和基带处理部分,其中变频部分和基带处理部分目前已实现了芯片化,已有专用芯片实现相应功能。

    接收通道中的低噪声放大器负责放大天线接收到的卫星信号。为提高信号质量、抑制带外干扰,低噪声放大器中首先进行了信道滤波,然后再进行放大,首级放大器采用了超低噪声的放大管,增益设为15dB,可有效压制后级放大管的噪声,从而优化整个链路的噪声系数。北斗射频芯片再将射频信号变频至中频信号,经模数装换,生成数字信号传给基带芯片进行数据处理。

    发射部分,基带芯片首先进行调制、加密,并把调制后的信号扩频,传给变频芯片,经上变频、放大后发射出去。为方便设计,减小终端体积,本方案采用邮票孔封装的北斗通信四合一模块。该模块实现了图11所示的接收功能和发射功能,模块体积小,使用简单,直接接通无源天线。BGM7014接收灵敏度为-127.6dBm,发射功率5W,通信成功率不低于95%,冷启动首捕时间不多于2秒,重新捕获时间1秒以内,可满足终端要求。

    3.报警开关及报警信息发射终端设计及测试

    3.1终端实物设计

    检测到虚线框(即2.1部分中介绍的终端主机接收端电路)内报警开关蓝牙信号配对成功后,单片机通过串口控制北斗四合一通信模块,串口通信协议符合北斗RDSS通信协议。北斗通信模块BGM7014的射频接口采用IPEX插座,可直接将北斗无源天线插入IPEX插座。蓝牙信号触发后通知单片机,单片机在根据预先设置的程序,对BGM7014控制,实现定位及报文接收发送。报警开关及信息发射终端电路设计如图12

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    12 信息发射终端电路

    本方案设计的装置采用arduino uno单片机、Big Fish扩展板、北斗卫星芯片模块、开关模块进行连接,各模块如图13所示。将各模块通过导线连接,由连接至电脑的USB 数据线供电,并进行系统测试。为方便电脑数据采集,采取报警信息有线传输,实物连接如图14所示。

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    13 分模块示意图

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    14 有线传输实物连接图

    3.2报警开关及信息发射终端控制流程

    控制流程如下:

    1)报警信息发射终端的蓝牙模组始终保持待机状态,而此时北斗模块不工作。

    2)是否开启报警开关蓝牙信号,若否,则持续待机,如有,则与终端进行蓝牙配对。

    3)如蓝牙配对不成功,则继续配对,若成功,则此时终端开机,北斗模块单元进行定位,同时存储定位信息。

    4)如果定位不成功,等待,直到定位成功。

    5)北斗模块开始进行通信,进行求救信息发射。

    630s后判断通信是否成功,如果不成功,则持续进行信息发射,若成功,则进入延时阶段。

    7)延时一定时间,再进行北斗通信,进入求救信息循环发射阶段。

    控制流程图如图15

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    15 报警信号发射终端程序流程图

    将实物连接至电脑进行测试。未触发开关时,电脑窗口以连续刷新的“1”示意整个装置未启动,如图16所示。按下触发开关,数字信号由“1”变为“0”,示意蓝牙报警开关成功启动北斗模组,报警成功,如图17所示。

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    16 未触发开关时系统示意图

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    17 触发开关时系统示意图


    (二) 攻克的关键技术或关键技术的现实路径

    1.分离式报警装置及防误触机制

    <一>报警信息发射终端结构及工作机制

    报警信息发射终端由北斗导航卫星用户终端、主控芯片、电源模块和蓝牙模块四部分构成。报警信号发射终端的蓝牙模组一直保持待机,随时处于待配对状态。保证终端一旦接收到报警开关的蓝牙信号即进行自动配对,配对成功后即可激活并开机运行,自动发送求救信号至北斗导航卫星。

    考虑到报警的隐蔽性与使用者的安全,可将报警信息发射终端机内置于女士箱包底部、运动鞋鞋底夹层。报警信息发射终端机一旦与蓝牙开关配对成功后就被激活,定位及短报文等工作自动进行,无需人为操控。与女式箱包结合的终端不会对使用人的日常生活造成影响,但考虑到其一直保持待机状态,会耗费一定电量,故需要定期通过USB接口为报警信息发射终端充电

    <二>整体协同机制及分离式装置的工作流程

    本方案设计的智能分离式女性自卫报警装置协同机制为:

    (1)在遇险时,使用者打开戒指上的开关,蓝牙模组接通电源开机。

    (2)蓝牙报警开关自动搜索处于待机状态的报警信息发射终端,并进行蓝牙配对。

    (3)蓝牙配对成功后,报警信息发射终端自动接通电源开机,向北斗导航卫星发送求救信息。

    (4)北斗卫星获取报警人的时间、经纬度和短报文报警短信,发送至地面站或警方。

    (5)警方出动,完成整个报警及出警过程。

    2.报警装置系统电路设计

    2.1蓝牙无线开关发射及接收部分电路设计

    整个蓝牙遥控部分由蓝牙报警开关遥控发射端和报警信号发射主机接收端组成,通过蓝牙报警开关遥控发射端的“开关一”来控制主机接收端的“开关二”。

    <一>蓝牙报警开关遥控发射端

    蓝牙报警开关遥控发射端由蓝牙串口模块、“开关一”、电源模块、单片机最小系统组成。电源模块采用DC5VLED2电源指示灯和R4限流电阻;蓝牙串口模块采用SPP-C主从一体模块和单片机串口通信。蓝牙报警开关遥控发射端电路“开关一”采用轻触按钮的形式,单片机最小系统由STC89C52单片机、C1R1复位电路、Y1C2C3晶振组成。

    <二>报警信号发射主机接收端

    报警信号发射主机接收端由蓝牙串口模块、“开关二”、电源模块、单片机最小系统组成。其电源、蓝牙串口模块、单片机最小系统与蓝牙报警开关遥控发射端相同,由于报警信号发射端自动接通电源,故“开关二”采用继电器作为开关。


    (三) 主要技术指标

      经过实际测试,报警开关开机后蓝牙信号传至终端后,能够通知单片机进行北斗卫星定位和报警通信,定位精度在20米左右,通信成功率均在95%以上。

    (四) 主要创新点

    1.类首饰外观及分离式设计

    蓝牙报警开关采用首饰外观,保证使用者一旦遇险,仍然可以触发随身佩戴的蓝牙报警开关。在极限情况下(如被捆绑手脚、暴力制服),女性受害者仍可以在较小的活动范围内打开戒指上的蓝牙开关,通过报警信息发射终端向外界发出求救信息。

    根据人类视觉系统(Human Visual System/HVS)的信息选择策略,大脑会利用视觉注意机制引导人眼在海量数据中注视到显著的区域,并分配资源对重要区域优先进行处理。多数情况下,当眼睛接收到来自外界的大量的视觉信息,大脑并不能对所有的视觉信息进行同时处理,而是删除大部分无用信息,筛选出少许感兴趣的重要信息,优先对这些视觉信息进行处理。利用信息选择策略的缺陷,本文设计的装置采取戒指、手镯等普通饰物的外观,可在一定程度上迷惑罪犯,在视觉上造成“无用信息”的假象。当本装置的影像在视觉区域内被删除,罪犯对本装置的警惕性就会大大下降。

    依据视觉注意引导机制,采用女性首饰外观实现了报警装置的隐蔽性,达到了分离式报警器的设计目的,最大程度保证了整个报警过程的安全性。蓝牙开关内置于戒指等女性首饰,报警信息发射终端内置于女士箱包及女鞋,这种设计可以保证使用者方便开启报警装置,同时不会影响日常生活。

    2.报警系统的防误触机制

    鉴于蓝牙报警开关内置于戒指等女性首饰,需要贴身放置,可能会无意触发开关。为避免这一状况的发生,这里提出两个方案。

    <一>双开关/多开关机制

    由于单开关的误触几率相对较高,故考虑引入双开关。在使用人佩戴的两个配饰中放入蓝牙报警开关,为报警引入双保险,同时误触两个开关的几率较低,基本杜绝了误触报警的可能。只有将两个开关在较短时间间隔内相继开启,才可进行报警。

    <二>震动反馈机制

    触发开关时缺乏反馈机制,这是导致误报警情的根源所在。在报警信息发射终端加入振动马达,报警程序正式启动前将提供较强的震动反馈。在保证使用者自身安全性的前提下,适度的震动反馈提示使用者系统正在报警。若为误触的情况,使用者会感受到震动从而意识到误触现象,此时只需立即关闭装置,即把开关调至“OFF”档,就可终止报警程序,达到防误触的目的。



  • (一) 应用领域及方向

    近几年来针对年轻女性的暴力犯罪事件层出不穷,有爆发性增长的态势,如何保障女性安全成为了一项引起社会广泛关注的重要议题。应用本文设计的装置,女性的人身及财务安全将得到极大保障,通过报警将自身的损失降到最低;在外观上与女性首饰及箱包结合,不对使用者日常生活造成影响,符合年轻女性审美和需求,易于市场推广。

    本方案设计的装置不仅适用于年轻女性自我防护,经推广和后续改进后同样适用于男性及各年龄层的用户,为广大使用者提供了最后一道安全保障。

    同时,立足于北斗的特色功能——短报文功能,可以加速推广北斗系统民用化、普及化,起到快速抢占市场份额、带动卫星导航行业技术进步、推动北斗卫星相关产业发展的效果。


    (二) 应用研究条件及保障措施
    1. 研究条件:前期经费投入,后期装置小型化研发及制造成本

    2. 保障措施:本方案已在申请专利,须获得国家知识产权专利局授权方可投入市场。

    (三) 应用研究经费预测
    1. 前期研发经费:装置初步研究费用控制在3000元左右

    2. 中期改进经费:装置需要进一步小型化,不断提高集成度和可靠性,预测需要5000-10000元制造成本

    3. 后期拓展经费:该方案具有可复制性,对于其他同类设备具有很好的借鉴意义,预测利用2000-3000元开拓新方案

  • (一) 参研高校/院、系(包括牵头院系和参研院系)

    牵头院系:南京航空航天大学 航天学院 

    参研院系:南京航空航天大学 航天学院

    (二) 研究基础

    北斗卫星导航系统(Beidou Navigation Satellite System, BDS)是我国自主发展、独立运行的全球卫星导航系统,具有独特的短报文功能。利用北斗卫星导航系统,利用短报文通讯可以同时实现报警和定位。北斗系统定位精度高、响应速度快、应用范围广,年轻女性受到侵害时如何快速、安全报警的难题,应用短报文功能就完全可以解决。

    基于南京航空航天大学北斗创新实验室硬件条件,开发了本方案的智能分离式女性自卫报警装置。

    (三) 项目导师、牵头负责人及项目团队介绍
    1. 项目导师:   闻新      南航航天学院教授

    2. 牵头负责人:刘钊      南航航天学院2015级 飞行器设计与工程(航天)专业 本科生

    3. 团队介绍:   杨牧寒   南航航天学院2015级 航天信息与应用专业              本科生

                          胡转亮   南航航天学院2015级 飞行器设计与工程(航天)专业 本科生

                          马凯悦   南航航天学院2015级 飞行器设计与工程(航天)专业 本科生

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