應用于海事上的便攜式北斗報警終端設計

孫方霞(江蘇海事職業(yè)技術學院, 江蘇 南京 211170)

應用于海事上的便攜式北斗報警終端設計

孫方霞
(江蘇海事職業(yè)技術學院, 江蘇 南京 211170)

針對海洋環(huán)境復雜多變，沒有手機等無線通信網絡的特點，為了及時準確的報警，結合北斗一代衛(wèi)星通信短報文的獨特功能，設計了一款體積小、重量輕的北斗報警終端，主要應用于海事活動中的應急報警，可隨身攜帶，配備到每個船員。終端采用業(yè)界體積最小的北斗通信四合一模塊BGM7014，通過單片機控制，實現(xiàn)了遇險后，可主動申請定位，并把遇險信息和位置信息發(fā)射出去。經測試表明，終端可以實現(xiàn)遇險報警功能，且定位通信成功率均在95%以上。

海事;應急報警;北斗一代通信;四合一模塊;便攜式終端

目前，海洋環(huán)境復雜多變，海難事故的發(fā)生具有突發(fā)性和災難性的特點，嚴重威脅海上人命及財產的安全[1]。由于海洋的特殊環(huán)境，一旦發(fā)生海難事故，無法通過有效的報警方式告知相關部門，傳統(tǒng)的報警方式也就是通過火焰信號類、煙霧信號類、浮燈類、信號彈類、海水染色類、反光帶以及組合信號類等方式報警，這種報警方式可視范圍小，無法準確定位，搜救困難。

另外一種較先進的求救方案是基于GPS的求救示位方案，求救方式先通過GPS衛(wèi)星定位獲取位置信息，然后直接向救援方發(fā)送求救信息，通常通過無線電的方式[2,3]，如ISM頻段、手機公網等方式發(fā)射求救信息，但這種求救方式受限于地面無線網絡的覆蓋情況，在手機網絡無法覆蓋的區(qū)域，如沙漠、海洋、無人區(qū)等，求救信息是無法發(fā)射出去的。

基于北斗一代衛(wèi)星短報文功能，設計了一款體積小、重量輕的北斗報警終端，主要應用于海事活動中的應急報警，可隨身攜帶，配備到每個船員。

1 北斗一代衛(wèi)星系統(tǒng)概述

北斗一代衛(wèi)星系統(tǒng)是我國具有自主知識產權的第一代衛(wèi)星通信導航定位系統(tǒng)，于2003年建成并投入使用，空中有三顆位于36,000km高空的地球同步軌道衛(wèi)星，信號覆蓋范圍為我國領土及周邊地區(qū)。衛(wèi)星上行L波段，下行S波段。衛(wèi)星上設有轉發(fā)器，可以接收衛(wèi)星定位總站發(fā)送的信號，并轉發(fā)給用戶；也可以接收用戶請求信號，并轉發(fā)給衛(wèi)星定位總站?！氨倍芬惶枴倍ㄎ幌到y(tǒng)具有定位功能、授時功能和短報文通信功能。可全天候、全天時提供衛(wèi)星導航信息和短信息傳輸服務，可在我國及周邊廣大地區(qū)，為公路交通、鐵路運輸、海上作業(yè)、水文、氣象等領域提供定位及數(shù)據(jù)通信服務，對國民經濟建設具有積極推動作用。

北斗一代衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)是我國自主研制的區(qū)域性衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。服務區(qū)域為東經70度至東經145度，北緯5度至北緯55度。服務區(qū)域如圖1所示。

圖1 北斗一代衛(wèi)星覆蓋范圍

北斗一代衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)由3顆地球同步衛(wèi)星組成的空間部分、地面控制中心站和用戶設備三部分組成，通信流程是：

(1)短報文發(fā)送方首先將包含接收方ID號和通訊內容的通訊申請信號加密后通過衛(wèi)星轉發(fā)入站；

(2)地面中心站接收到通訊申請信號后，經脫密和再加密后加入持續(xù)廣播的出站廣播電文中，經衛(wèi)星廣播給用戶；

(3)接收方用戶機接收出站信號，解調解密出站電文，完成一次通訊。

2 北斗報警終端整體設計

北斗一代衛(wèi)星通信與GPS定位不同，終端不單需要接收通道，接收北斗衛(wèi)星發(fā)出的信號，還需要發(fā)射通道，把信息發(fā)射給衛(wèi)星，因此，北斗一代終端的原理框圖如圖2所示。

我們的社會科學研究，近些年來強調服務國家戰(zhàn)略、對接行業(yè)需求，即校長們經常喊的所謂的“頂天立地”，學術話語中心的導向性十分明顯。具有應用性學科特征的編輯出版學也不例外，上升不到國家戰(zhàn)略就對接項目戰(zhàn)略，容易申請什么就研究什么；對接不了行業(yè)就對接市場，誰給錢多我就給誰去調查、統(tǒng)計。我們學科有限的力量、有限的資源，都集中涌向應用型研究，使得編輯出版學的基礎理論研究成為荒漠地帶。很少人去關注編輯規(guī)律、出版文化、出版?zhèn)惱?、出版美學等分支領域的研究。實用主義和功利主義的價值取向，使得本來被質疑“編輯無學”的這門學科的理論基石更加不穩(wěn)。

圖2 北斗一代衛(wèi)星通信終端原理框圖

正如上圖所示，北斗一代衛(wèi)星通信終端包括：射頻接收通道、射頻發(fā)射通道、射頻收發(fā)芯片和基帶芯片。射頻收發(fā)芯片產生數(shù)字中頻信號：符號位SIGN信號和幅值位MAG信號，同時提供采樣時鐘信號CLK?；鶐酒敵鯞PSK (Binary Phase Shift Keying)調制信號給射頻芯片，把調制信號發(fā)射出去。射頻發(fā)射通道在發(fā)射大功率信號之前，受到基地芯片輸出的TEN使能信號控制，TEN使能信號為高電平時，才能發(fā)射出去。

射頻接收部分工作在S波段，接收天線接收北斗一代衛(wèi)星信號，首先進行濾波，然后經低噪聲放大器放大，射頻芯片把射頻信號下變頻至中頻信號，同時轉換成2比特數(shù)字信號，基帶芯片負責解調解碼。

射頻發(fā)射部分工作在L波段，基帶芯片首先進行擴頻調制，產生調制后的碼流送給射頻芯片進行射頻調制，射頻芯片調制后的射頻信號再經功率放大器放大，推至天線發(fā)射。

北斗一代衛(wèi)星通信終端的性能指標要求如表1所示：

表1 北斗一代衛(wèi)星通信終端的性能指標要求

基于上述指標要求，同時減小終端體積，我們采用了北斗通信四合一模塊BGM7014作為我們終端的北斗收發(fā)核心電路[6]，模塊實物圖如圖3所示。

圖3 北斗通信四合一模塊BGM7014

該模塊是采用北斗通信專用射頻芯片BG7812研制而成的北斗RDSS 5W四合一通信模塊，模塊包括低噪聲放大器、功率放大器、射頻芯片和基帶芯片等電路。射頻端直接接無源天線，輸出接口采用標準串口形式，可實現(xiàn)RDSS定位、通信功能等功能。模塊的尺寸為33mm×50mm×4mm，體積較小。模塊集成度高、功耗低、對外接口非常簡單，主要應用于對體積、功耗要求高的北斗手持設備。

(1)模塊內置帶北斗專用濾波器的LNA，實現(xiàn)對RDSS 衛(wèi)星信號進行濾波，低噪聲放大，用戶無需外置LNA，直接連接無源天線即可；

(2)模塊內置5W功放模塊，能夠滿足絕大多數(shù)客戶對模塊發(fā)射功率的需求；

(3)模塊內部含RDSS串口獨立輸出，接口簡單；

(4)模塊5V單電源工作；

(5)模塊功耗較低，為150mA@5V；功放工作時瞬態(tài)電流：I(5V)≤3.5A；

(6)模塊體積小，使用方便。

基于BGM7014的電路設計如圖4所示。單片機采用STM32F103芯片[7]，作為北斗終端的主控單元，通過串口RXD0/TXD0控制北斗四合一模塊，串口通信協(xié)議符合北斗RDSS通信協(xié)議。SIM卡采用民用北斗SIM卡，通信頻率為60秒一次，一次報文最多為40個漢字。圖4中的三路衛(wèi)星指示燈分別代表北斗一代三顆衛(wèi)星，收到衛(wèi)星后，相應的指示燈點亮。按鍵觸發(fā)后通知單片機，單片機再根據(jù)預先設置的程序，對BGM7014控制，實現(xiàn)定位及報文接收發(fā)送。

圖4 北斗終端整體設計

3 北斗報警終端軟件設計

根據(jù)海事上的實際需求，本文設計的終端最重要的功能就是遇險求救功能，軟件流程圖如下：

圖5 北斗終端程序流程圖

工作步驟如下：

(1)終端開機，打開相應單元電路，進入待機狀態(tài)；

(2)是否有按鍵觸發(fā)，若無，則持續(xù)待機，如有，則觸發(fā)RDSS定位請求；

(3)RDSS定位單元開始工作，進行定位，同時把定位信息存入MCU；

(4)如果定位不成功，等待，直到定位成功；

(5)RDSS通信單元開啟，進行求救信息發(fā)射；

(6)判斷通信是否成功，如果不成功，則持續(xù)進行RDSS發(fā)射，若成功，則進入延時階段；

(7)延時一定時間，再進行RDSS通信，進入求救信息循環(huán)發(fā)射階段。

4 測試結果

為了減小終端體積，我們采用20mm×20mm的陶瓷天線進行測試，連續(xù)測試了24小時，定位及通信成功率均在95%以上，滿足我們的設計要求。

5 結論

針對海洋環(huán)境復雜多變，海難事故的發(fā)生具有突發(fā)性和災難性的特點，再加上海洋上沒有手機等無線通信網絡，本文結合北斗一代衛(wèi)星通信短報文的獨特功能，設計了一款體積小、重量輕的北斗報警終端，主要應用于海事活動中的應急報警，可隨身攜帶，配備到每個船員。終端采用業(yè)界體積最小的北斗通信四合一模塊BGM7014，通過單片機控制，實現(xiàn)了遇險后，可主動申請定位，并把遇險信息和位置信息發(fā)射出去。經測試表明，終端可以實現(xiàn)遇險報警功能，且定位通信成功率均在95%以上。

[1] 齊平. 我國海洋災害應急管理研究[J]. 海洋環(huán)境科學，2006，(4).

[2] 王琳. 落水人員報警裝置的設計與實現(xiàn)[D]. 大連：大連海事大學，2011.

[3] 高婷, 陳洪武, 張帥. 基于北斗定位的落水人員報警終端的設計[J]. 計算機工程與設計，2013，(10).

[4] 譚述森. 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展與思考[J]. 宇航學報，2008, (2).

[5] 王華東. 北斗衛(wèi)星導航應急通信應用研究[J]. 衛(wèi)星與網絡，2013, (12).

[6] 南京波格微電子. 北斗一代衛(wèi)星通信四合一模塊BGM7014產品手冊[Z].南京：南京波格微電子有限公司，2014.

[7] ST公司. STM32F103 DATASHEET[EB/OL]. http:// wenku.baidu.com/link?url=-o7kzR5CuGfYBf8ixEy ENmTATLvL_9yre3mQAbwy8Evya5-5Pz-11NB51Cpd WKaiq2vI1vsPU3JvtPDNmjeK98akxvZ8gbA9DvyHMIlom Rm. 2011-03-11.

[編校：楊英偉]

Design of Portable Beidou Alarm Terminal for Maritime

SUN Fangxia

(JiangsuMaritimeInstitute,NanjingJiangsu211170)

Due to the complicated and changeable environment and the absence of wireless communication network on the sea, it is very difficult to alarm timely and accurately in a maritime emergency. This paper designs a small portable Beidou alarm terminal which can auto alarm through Beidou satellite. The small terminal can be equipped to a single mariner. The terminal can auto position and transmit the dangerous info and geographic position to rescue platform through Beidou satellite. The smallest Beidou communication 4-in-1 module, BGM7014, is used in this terminal. All programs are executed by MCU. Tests show that the terminal position and communication success ratio can run up to 95%.

maritime; emergency alarm; Beidou RDSS communication; 4-in-1 module; portable terminal

2014-09-30

孫方霞(1977- )，女，山東濟南人，講師，工程碩士，研究方向為電子技術及電路仿真與設計。

TP277 TN967.1

A

1671-9654(2014)04-030-04