Сигнальный браслет для использования в чрезвычайной ситуации
ALARM BRACELET FOR EMERGENCY USE

Предлагаемое устройство относится к области радиотехники и может быть использовано для оповещения об угрозе пожара или иного нежелательного, или ненормального режима работы членов экипажа различных судов, а также лиц с ограниченными возможностями жизнедеятельности и здоровья.
Известны системы и устройства оповещения об угрозе пожара или иного нежелательного, или ненормального режима работы лиц с ограниченными возможностями жизнедеятельности и здоровья (авт. свид. СССР №1.089.601; патенты РФ №№2.170.951, 2.040.035, 2.110.094, 2.210.813, 2.263.972, 2.312.397, 2.350.263, 2.358.324, 2.406.156, 2.444.461, 2.473.130; патенты на полезную модель №№42.677, 43.675, 51.508; патенты США №№3.786.461, 4.418.337, 6.127.930; Абрамов B.C. Микроконтроллер-дельта-модулятор. Ежемесячный массовый журнал «Радиомир», М.: ООО «Радиомир - Пресс», 25.03.2005, с. 3 и другие).
Из известных систем и устройств наиболее близким к предлагаемому является «Сигнальный браслет для использования в чрезвычайной ситуации» (патент РФ №2.473.130, G08B 21/04, 2008), который и выбран в качестве прототипа.
Известный браслет предназначен для использования человеком, спасающимся в случае пожара. Он оснащен средствами оповещения и механизмом крепления, включающим средства активации различных функций браслета, когда он плотно охватывает запястье.
Спасение от пожара - это чрезвычайная ситуация, которая может вызвать стресс и страх. В такой ситуации жизненно важно, чтобы оборудование, которое должен использовать спасающийся, было прочным и очень простым в использовании.
Важной характеристикой браслета является автоматическая активация при его надевании. При этом немедленно включается свет, чтобы облегчить ориентацию в дыму и темноте.
Проблесковый свет и звуковой сигнал автоматически включаются датчиком движения, когда пользователь не двигается в течении некоторого времени, например, если он (она) находится в бессознательном состоянии. Известный браслет облегчает поиск жертв несчастного случая и обеспечивает повышенную безопасность пользователя, не сковывая его движений. Браслет активируется, только когда он надет и поэтому не привлекает ненужного внимания.
Но в известном сигнальном браслете не предусмотрена возможность для передачи на пункт контроля сигнала об экстренной помощи пожилым людям, лишенным возможности самостоятельно передвигаться при возникновении чрезвычайной ситуации, а также не предусмотрена возможность для определения местоположения и идентификации лиц, попавших в чрезвычайную ситуацию.
Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей сигнального браслета путем передачи на пункт контроля сигнала об экстренной помощи пожилым людям, лишенным возможности самостоятельно передвигаться при возникновении чрезвычайной ситуации, а также путем определения местоположения и идентификации лиц, попавших в чрезвычайную ситуацию.
1
2
2
1
Поставленная задача решается тем, что сигнальный браслет для использования в чрезвычайной ситуации, содержащий, в соответствии с ближайшим аналогом, корпус, прикрепленный к фиксатору, включающему в себя первую и вторую части, способные двигаться относительно друг друга с обеспечением регулировки длины окружности фиксатора, причем корпус браслета прижат к запястью при закрепленном фиксаторе и содержит источник питания и электронику управления звуковым и световым сигналами оповещения, браслет содержит расположенное в корпусе устройство для обнаружения состояния движения или отсутствия движения браслета, связанное с указанной электроникой управления, и средства управления передачей звукового и светового сигналов на основе обнаруженного состояния, механизм прикрепления фиксатора к корпусу, включающий в себя средства включения указанной электроники управления в браслете, когда фиксатор закреплен на запястье, и отключения указанной электроники, когда фиксатор ослаблен, причем указанный механизм прикрепления фиксатора включает в себя первый и второй механизмы прикрепления с противоположных сторон корпуса, при этом один конец фиксатора закреплен с помощью устройства закрепления в первом механизме прикрепления, а другой конец фиксатора закреплен в держателе, прикрепленном к верхнему концу пружинного механизма, размещенного в кармане корпуса, в то время как нижний конец пружинного механизма прикреплен к корпусу, причем указанный верхний конец имеет свободу линейного перемещения в кармане, а пружинный механизм сжат, когда фиксатор закреплен на запястье с обеспечением замыкания контакта в размещенном в корпусе выключателе, который соединен с указанной электроникой управления и вызывает при таком замыкании активацию браслета, отличается от ближайшего аналога тем, что он снабжен индивидуальным радиоканальным устройством оповещения, радиочастотной меткой на поверхностных акустических волнах, пунктом контроля и считывателем, причем индивидуальное радиоканальное устройство оповещения и радиочастотная метка на поверхностных акустических волнах размещены в корпусе сигнального браслета, индивидуальное радиоканальное устройство оповещения содержит последовательно подключенные к первому выходу электроники управления задающий генератор, фазовый манипулятор, второй вход которого соединен с выходом генератора псевдослучайной последовательности, усилитель мощности, дуплексер, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, приемник, электроника управления, второй вход которого соединен с кнопкой квитирования, модулятор, импульсный преобразователь напряжения и вибромотор, причем к третьему и четвертому выходам электроники управления подключены световой индикатор и звуковой сигнализатор соответственно, выход автономного источника питания соединен с цепями приемника и электроники управления, пункт контроля выполнен в виде последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, узкополосного фильтра, второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, фильтра нижних частот и блока регистрации, считыватель выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, перемножителя, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, первого узкополосного фильтра, сумматора, второй вход которого соединен со вторым выходом задающего генератора, усилителя мощности, дуплексера, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, первого полосового фильтра, первого удвоителя фазы, первого делителя фазы на два, второго узкополосного фильтра, первого фазометра, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора и блок регистрации, причем к выходу дуплексера последовательно подключены второй полосовой фильтр, второй удвоитель фазы, второй делитель фазы на два, третий узкополосный фильтр и второй фазометр, второй вход которого соединен с выходом первого узкополосного фильтра, а выход подключен ко второму входу блока регистрации, к выходу второго полосового фильтра подключен фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом третьего узкополосного фильтра, а выход подключен к третьему входу блока регистрации, радиочастотная метка на поверхностных акустических волнах выполнена в виде двух встречно-штыревые преобразователей, каждый из которых содержит две гребенчатые системы электродов, нанесенных на поверхность пьезокристалла, электроды каждой из гребенок соединены между собой шинами, которые связаны с общей микрополосковой приемопередающей антенной, при этом на поверхности пьезокристалла за каждым встречно-штыревым преобразователем последовательно размещены чувствительный элемент, выполненный в виде тонкой мембраны, и отражательная решетка, центральные частоты ω и ω встречно-штыревых преобразователей определяются шагом размещения электродов и выбраны следующим образом: ω=2ω, идентификационный номер сигнального браслета определяется порядком размещения электродов на поверхности пьезокристалла.
На фиг. 1 представлен браслет, закрепленный на запястье. На фиг. 2 показаны детали встроенных оповещающих устройств. Структурная схема индивидуального радио канального устройства оповещения представлена на фиг. 3. Структурная схема пункта контроля представлена на фиг. 4. Структурная схема считывателя представлена на фиг. 5. Функциональная схема радиочастотной метки на поверхностных акустических волнах изображена на фиг. 6. Частотная диаграмма показана на фиг. 7.
Браслет 1, закрепленный на запястье, включает корпус 2, прикрепленный к фиксатору 3, включающему первую и вторую части, способные двигаться относительно друг друга, позволяя тем самым подгонять окружность фиксатора 3. Корпус 2 прижимается к запястью, когда фиксатор 2 закреплен. Корпус 2 содержит источник питания 9, индивидуальное радиоканальное устройство 7 оповещения, радиочастотную метку 8 на поверхностных акустических волнах (ПАВ), световые индикаторы 4 и 5, звуковой сигнализатор 6.
Индивидуальное радиоканальное устройство 7 оповещения содержит последовательно подключенные к первому выходу электроники управления 14, задающий генератор 18, фазовый манипулятор 20, второй вход которого соединен с выходом генератора 19 псевдослучайной последовательности (ПСП), усилитель 21 мощности, дуплексер 12, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 11, приемник 13, электроника 14 управления, второй вход которой соединен с кнопкой квитирования, модулятор 15, импульсный преобразователь напряжения 16 и вибромотор 17. Причем к третьему и четвертому выходам электроники 14 управления подключены световой индикатор 5 и звуковой сигнализатор 6 соответственно. Выход автономного источника питания 9 соединен с цепями приемника 13 и электроники управления 14.
Пункт контроля 22 содержит последовательно включенные приемную антенну 23, усилитель 24 высокой частоты, первый множитель 26, второй вход которого соединен с выходом фильтра 29 нижних частот, узкополосный фильтр 28, второй перемножитель 27, второй вход которого соединен с выходом усилителя 24 высокой частоты, фильтр 29 нижних частот и блок 30 регистрации.
Перемножители 26 и 27, узкополосный фильтр 28 и фильтр 29 нижних частот образуют демодулятор 25 ФМН сигналов.
Считыватель 31 содержит последовательно включенные задающий генератор 32, перемножитель 33, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 32, узкополосный фильтр 34, сумматор 35, второй вход которого соединен со вторым выходом задающего генератора 32, усилитель 36 мощности, дуплексер 37, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 38, первый полосовой фильтр 39, первый удвоитель фазы 41, делитель 43 фазы на два, второй узкополосный фильтр 45, первый фазометр 47, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 32, и блок 50 регистрации. К выходу дуплексера 37 последовательно подключены второй полосовой фильтр 40, второй удвоитель фазы 42, второй делитель 44 фазы на два, третий узкополосный фильтр 46 и второй фазометр 48, второй вход которого соединен с выходом первого узкополосного фильтра 34, а выход подключен ко второму входу блока 50 регистрации. К выходу второго полосового фильтра 40 подключен фазовый детектор 49, второй вход которого соединен с выходом третьего узкополосного фильтра 46, а выход подключен к третьему входу блока 50 регистрации.
1
2
2
1
Радиочастотная метка на поверхностных акустических волнах (ПАВ) выполнена в виде двух встречно-штыревых преобразователей (ВШП) I и II, каждый из которых содержит две гребенчатые системы электродов 52.1 и 52.2, нанесенных на поверхность пьезокристалла 8. Электроды 52.1 (52.2) собой шинами 53.1 и 54.1 (53.2 и 54.2), которые связаны с общей микрополосковой приемопередающей антенной 51. При этом на поверхности пьезокристалла 8 за каждым ВШП последовательно размещены чувствительный элемент 55.1 (55.2), выполненный в виде тонкой мембраны, и отражательная решетка 56.1 (56.2). Центральные частоты ω и ω ВШП I и II определяются шагом размещения электродов 52.1 и 52.2 и выбраны следующим образом: ω=2ω. Номер сигнального браслета определяется порядком размещения электродов на поверхности пьезокристалла 8 (например, 10011011, фиг. 6).
Сигнальный браслет для использования в чрезвычайной ситуации реализуется следующим образом.
Активированный браслет 1 находится в режиме ожидания, то есть упомянутый датчик движения определяет режим работы браслета 1. Когда браслет 1 активирован и движется, направленный свет 4 предпочтительно включен, чтобы освещать дорогу человеку, движущемуся с браслетом 1 на руке. Если браслет оставался в покое в течение определенного времени, он переходит в другой режим, который в одном из вариантов осуществления может подать пользователю звуковой сигнал оповещения о том, что вслед за ним будет включено полное световое и звуковое оповещение. И если браслет после этого не двигается в течение определенного времени, например, 4 секунд, будет включено полное оповещение. При этом замигает проблесковый свет 5 и устройство генерации звукового сигнала 6 подаст громкий звуковой сигнал.
Одна из главных особенностей браслета заключается в том, что электроника управления 14 включается и выключается автоматически, в зависимости от того, закреплен браслет на запястье или нет. Когда браслет не используется, то есть не надет на запястье, он не должен без надобности привлекать внимание спасателей: в крайне неблагоприятном случае это может привести к возникновению опасной ситуации.
Области применения браслета многочисленны, но особенно он подходит для оповещения об угрозе пожара или иного нежелательного, или ненормального режима работы лиц с ограниченными возможностями жизнедеятельности и здоровья.
При получении по радиоканалу тревожного сигнала, последний с выхода приемопередающей антенны 11 через дуплексер 12 и приемник 13 поступает на первый вход электроники 14 управления, которая выдает периодические сигналы на включение светового индикатора 5 и звукового сигнализатора 8, а кроме того, запускает модулятор 15. Модулятор 15, периодически включающий и выключающий импульсный преобразователь, предназначен для усиления ощутимости вибрации, создаваемой вибромотором 17.
Устройство обеспечивает повышение эффективности оповещения лиц с ограниченными возможностями жизнедеятельности и здоровья, в частности глухих и слабослышащих за счет индивидуального оповещения низкочастотными вибрационными сигналами, воздействующими на объективную тактильную реакцию, подтверждающуюся сигналами светового и звукового оповещения.
Кнопка 10 квитирования предназначена для сброса вибрационного сигнала с одновременной передачей по радиоканалу известия о получении тревожного сигнала.
Пожилой человек, лишенный возможности самостоятельно передвигаться и находящийся, например, в доме инвалидов, при возникновении чрезвычайной ситуации и получив сигнал тревоги об угрозе пожара, наводнения или других стихийных бедствий, нуждается в экстренной помощи спасателей и нажимает кнопку 10 квитирования и через электронику 14 управления включает задающий генератор 18, который формирует высокочастотное колебание
c
c
c
где  ω, ϕ, T - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания.
c
c
Это колебание поступает на первый вход фазового манипулятора 20, на второй вход которого подается модулирующий код M(t) с выхода генератора 19 псевдослучайной последовательности (ПСП). Причем модулирующий код M(t) является идентификационным номером браслета, надетого на запястье пожилого человека.
На выходе фазового манипулятора 20 формируется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМН)
k
c
где ϕ(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), который после усиления в усилителе 21 мощности через дуплексер 12 поступает в приемопередающую антенну 11, излучается ею в эфир, улавливается приемной антенной 23 пунктом контроля и через усилитель 24 высокой частоты поступает на первые входы перемножителей 26 и 27. На второй вход второго перемножителя 27 подается опорное напряжение с выхода узкополосного фильтра 28
На выходе перемножителя 27 образуется низкочастотное напряжение
где
c
пропорциональное модулирующему коду M(t),
которое фиксируется блоком 30 регистрации.
H
Одновременно низкочастотное напряжение u(t) с выхода фильтра 29 нижних частот подается на второй вход первого перемножителя 26. На выходе последнего образуется опорное напряжение
где
которое выделяется узкополосным фильтром 28 и подается на второй вход перемножителя 27.
Браслет может заключать в себе дополнительные средства измерения различных параметров состояния человека, носящего браслет. Эти параметры состояния могут включать температуру и влажность, например, на морских объектах и кораблях с использованием радиочастотных меток на ПАВ и считывателя.
При этом задающий генератор 32 формирует высокочастотное колебание
1
1
где  ϕ, T - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания,
которое поступает на два входа перемножителя 33. На выходе последнего образуется гармоническое колебание
где
2
1
2
1,
ω=2ω; ϕ=2ϕ
1
которое выделяется узкополосным фильтром 34 и поступает на первых вход сумматора 35, на второй вход которого подается высокочастотное колебание u(t) со второго выхода задающего генератора 32. На выходе сумматора 35 образуется суммарное напряжение
Σ
1
2
u(t)=u(t)+u(t),
которое после усиления в усилителе 36 через дуплексер 37 поступает в приемопередающую антенну 38, излучается ею в эфир, улавливается микрополосковой приемопередающей антенной 51 и возбуждает встречно-штыревые преобразователи (ВШП) I и II на поверхностных акустических волнах (ПАВ).
В основе работы радиочастотной метки на ПАВ лежат три физических процесса:
- преобразование входного электрического сигнала в акустическую волну;
- распространение акустической волны по поверхности пьезокристалла;
- отражение и обратное преобразование в электрический сигнал.
1
2
Для прямого и обратного преобразования ПАВ используются два ВШП I и II, работа которых основана на том, что переменные в пространстве и времени электрические поля, создаваемые в пьезоэлектрическом кристалле системой электродов 52.1 и 52.2, вызывают из-за пьезоэффекта упругие деформации, которые распространяются в кристалле в виде ПАВ. Центральные частоты ω и ω первого I и второго II ВШП определяют шагом размещения электродов 52.1 и 52.2. Порядок размещения электродов определяет идентификационный номер радиочастотной метки, а следовательно, и сигнального браслета, надетого на запястье человека (например, 10011011, фиг. 6).
Изготовление ВШП осуществляется стандартными методами фотолитографии и травлением тонкой металлической пленки, осажденной на пьезоэлектрическом кристалле. Возможность современной фотолитографии позволяют создавать ВШП, работающие на частотах до 3ГГц. Чувствительные элементы 55.1 и 55.2, выполненные, например, в виде тонкой мембраны, реагируют на температуру Т и влажность W.
Скорость ПАВ в области чувствительных 55.1 и 55.2 изменяется и фазы отраженных от решеток 56.1 и 56.2 акустических волн также изменяются в соответствии с деформацией чувствительных элементов 55.1 и 55.2.
Акустические волны модифицируются уникальным, зависящим от топологии ВШП образом. Затем отраженные акустические волны претерпевают обратное преобразование в электромагнитные сигналы с фазовой манипуляцией (ФМН), которые поступают в микрополосковую приемопередающую антенну 51 и излучаются в пространстве:
k1
1
где ϕ(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t) (идентификационным номером сигнального браслета), который определяется структурой ВШП;
1
Δϕ - разность фаз, вызванная изменением температуры;
2
Δϕ - разность фаз, вызванная изменением влажности.
H1
1
H1
1
H2
2
Н2
2
Указанные ФМН сигналы улавливаются приемопередающей антенной 38 и через дуплексер 37 поступают на входы полосовых фильтров 39 и 40. Частота настройки ω полосового фильтра 39 выбрана равной частоте ω(ω=ω). Частота настройки ω полосового фильтра 40 выбрана равной частоте ω(ω=ω).
4
5
Полосовыми фильтрами 39 и 40 выделяются ФМН сигналы u(t) и u(t) соответственно, которые поступают на входы удвоителей фазы 41 и 42. На выходах последних образуются следующие гармонические колебания:
где
k1
Так как 2ϕ(t)={0,2π}, то в данных колебаниях манипуляция фазы уже отсутствует. Эти колебания делятся по фазе на два в делителях фазы 43 и 44 на два и выделяются узкополосными фильтрами 45 и 46:
1
2
и поступают на первые входы фазометров 47 и 48. На вторые входы последних подаются гармонические колебания u(t) и u(t) с выходов задающего генератора 32 и узкополосного фильтра 34 соответственно.
1
2
Фазометры 47 и 48 измеряют фазовые сдвиги Δϕ и Δϕ, пропорциональные температуре Т и влажности W, которые фиксируются блоком регистрации 50.
5
9
Одновременно напряжение u(t) с выхода полосового фильтра 40 поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 49, на второй (опорный) вход которого подается гармоническое колебание U(t) с выхода узкополосного фильтра 46. В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора образуется низкочастотное напряжение
где
1
пропорциональное модулирующему коду M(t),
которое фиксируется блоком 50 регистрации.
Следовательно, блоком 50 регистрации фиксируются идентификационный номер сигнального браслета, надетого на человека, температура Т и влажность W среды, окружающей человека. Указанные параметры претерпевают изменения, например, в случае, если человек окажется в помещении, где произошел пожар, или за бортом корабля.
Считыватель 31 обеспечивает последовательный опрос всех сигнальных браслетов, регистрацию идентификационных номеров людей, снабженных браслетами, их температуру и влажность.
Приведенные примеры использования сигнального браслета не исчерпывают всех возможных областей его применения в различных чрезвычайных ситуациях.
Таким образом, предлагаемый сигнальный браслет по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает передачу на пункт контроля сигнала об экстренной помощи пожилым людям, лишенным возможности самостоятельно передвигаться при возникновении чрезвычайной ситуации, а также определение местоположения и идентификации лиц, попавших в чрезвычайную ситуацию. При этом используются радиочастотные метки на поверхностных акустических волнах и сложные сигналы с фазовой манипуляцией.
Основное достоинство радиочастотных меток на ПАВ является отсутствие источников питания и малые размеры. Положительным свойством указанных меток можно считать также малые затраты на длительную эксплуатацию (отсутствие батареи и большое время наработки на отказ).
Сложные ФМН сигналы обладают высокой помехоустойчивостью, энергетической и структурной скрытностью.
Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность сигнала. Вследствие этого сложный ФМН сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного ФМН сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.
Структурная скрытность сложных ФМН сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений их параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМН сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.
Сложные ФМН сигналы позволяют применять структурную селекцию. Это значит, что появляется возможность разделять сигналы, действующие в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени.
Следует также отметить, что для синхронной демодуляции сложных ФМН сигналов предложено устройство, свободное от явления «обратной работы», присущей известным демодуляторам сложных ФМН сигналов (схемы Пистолькорса А.А., Сифорова В.И., Костаса Д.Ф., Травина Г.А.).
Тем самым функциональные возможности известного сигнального браслета для использования в чрезвычайной ситуации расширены.