基于北斗和ZigBee的海上搜救系統(tǒng)研究

姜景春

【摘 要】為了對(duì)海上落水人員進(jìn)行快速定位搜救，本文采用北斗與ZigBee技術(shù)的集成，利用北斗精確定位，短報(bào)文通信和ZigBee節(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)通信的功能，使得搜救船快速得到落水人員的位置，進(jìn)而開展搜救工作，加快了搜求效率，提高了遇險(xiǎn)船員搜救成功率，對(duì)完善我國(guó)海上搜救系統(tǒng)提供了一種可行性方法。

【關(guān)鍵詞】北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；ZigBee；通信；搜救

0 引言

隨著航運(yùn)業(yè)的不斷發(fā)展，海上船舶通航密度的增加以及海上航行環(huán)境的復(fù)雜多變，海上遇險(xiǎn)事故呈逐年上升趨勢(shì)。由于遇險(xiǎn)船員與外界通信的困難，其所在的位置不能立即確定，大大增加了搜救難度，影響了搜救效率。

目前，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)正在快速發(fā)展中，在船舶監(jiān)控與救援方面得到了廣泛的應(yīng)用。由于海上環(huán)境復(fù)雜多變，出事海域廣泛，洋流運(yùn)動(dòng)以及海浪、海水溫度、海水微生物會(huì)對(duì)落水人員機(jī)體產(chǎn)生影響和損害。這就要求搜救工作者需以最快速度對(duì)落水人員進(jìn)行救助，從而對(duì)落水人員的持續(xù)精確定位就成為關(guān)鍵。本文采用北斗與ZigBee技術(shù)的集成，通過把北斗定位的數(shù)據(jù)架設(shè)于ZigBee網(wǎng)絡(luò)之中，就可以讓位置信息傳遞起來。理論上只需兩艘安裝本文系統(tǒng)的搜救船就可以對(duì)出事海域范圍內(nèi)的落水人員進(jìn)行持續(xù)精確定位，這對(duì)我國(guó)海上搜救具有一定的參考意義。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)正在實(shí)施的自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。目前，該系統(tǒng)可在亞太地區(qū)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，并具備短報(bào)文通信能力[1]。計(jì)劃到2020年組成全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它將由5顆靜止軌道衛(wèi)星（GEO）和30顆非靜止軌道（中軌（MEO）及傾斜地球同步圓軌道（IGSO））衛(wèi)星組成，能保證用戶在其服務(wù)區(qū)內(nèi)任何時(shí)間均可收到4顆以上衛(wèi)星的信號(hào)，并在全球范圍內(nèi)提供高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，兼具短報(bào)文通信能力。

1.2 ZigBee技術(shù)

ZigBee是一種新興的低速率、短距離、低功耗無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，主要用于近距離無線連接。可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（歐洲流行）和915MHz（美國(guó)流行）3個(gè)頻段上，分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的通信距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m到通過功放擴(kuò)展后的幾百米甚至幾千米。ZigBee技術(shù)由于其無線自組織、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)率、短時(shí)延、高安全、低成本等眾多優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)而備受關(guān)注，成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制、嵌入式應(yīng)用等領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。

2 船舶遇險(xiǎn)報(bào)警系統(tǒng)

目前，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)正在趨于成熟，預(yù)計(jì)到2020年左右，“北斗”系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)全球?qū)Ш蕉ㄎ环?wù)，為全球客戶提供一定精度的導(dǎo)航和定位。在我國(guó)，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)正被應(yīng)用到越來越多的領(lǐng)域當(dāng)中。目前，在航海上，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在海洋漁業(yè)安全生產(chǎn)、船舶精確定位、應(yīng)急通信、數(shù)字化航標(biāo)、船舶監(jiān)控與搜救中實(shí)現(xiàn)大量應(yīng)用。本文提出的對(duì)落水人員搜救系統(tǒng)就是基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)開發(fā)的，船舶應(yīng)急搜救系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2.1 系統(tǒng)硬件組成

當(dāng)船舶在航行中遇到危險(xiǎn)時(shí)，需要把遇險(xiǎn)信息發(fā)送給地面救援中心，在這個(gè)信息發(fā)送的過程中，需要完成遇險(xiǎn)報(bào)警、船舶定位、遇險(xiǎn)信息發(fā)送等功能。一方面可以利用AIS輸出遇險(xiǎn)求救信息，但是在某些復(fù)雜環(huán)境下或VHF通信距離達(dá)不到的地方，就需要通過北斗短消息向地面控制中心發(fā)送遇險(xiǎn)求救信息，信息內(nèi)容應(yīng)包括遇險(xiǎn)類型、遇險(xiǎn)位置、時(shí)間、船舶MMSI號(hào)、船舶安全狀態(tài)等。本文設(shè)計(jì)的船舶遇險(xiǎn)報(bào)警系統(tǒng)其硬件結(jié)構(gòu)以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心控件，其它由北斗定位模塊、北斗短消息通信模塊、AIS、天線模塊、電源與一鍵報(bào)警模塊等組成，如圖2所示：

其中單片機(jī)作為中心控制模塊，采用宏晶科技的STC12C5A60S2 系列單片機(jī)作為報(bào)警終端的控制芯片。STC12C5A60S2是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，其除了兼容8051單片機(jī)所有功能之外，速度比之8051快8-12倍。該單片機(jī)是單時(shí)鐘＼機(jī)器周期，含有4個(gè)16位定時(shí)器，兩個(gè)通用全雙工異步串行口（UART），其RAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為1280字節(jié)。

當(dāng)船舶遇險(xiǎn)，報(bào)警開關(guān)觸發(fā)，北斗RNSS提供位置、時(shí)間、航行狀態(tài)等信息，AIS提供船舶動(dòng)靜態(tài)信息，這些報(bào)警信息通過串口被傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)模塊，再由單片機(jī)控制通過北斗短報(bào)文通信模塊，把報(bào)警信息發(fā)送給地面控制中心，完成本船報(bào)警信息的發(fā)送。

2.2 短消息通信設(shè)計(jì)

當(dāng)單片機(jī)與北斗短報(bào)文通信模塊通過串口通信時(shí)，這就需要通信雙方需要遵循通信協(xié)議。所以船舶報(bào)警信息通過北斗短報(bào)文發(fā)送出去之前，需要單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理編碼，轉(zhuǎn)化成北斗短信格式。北斗短報(bào)文發(fā)送信息協(xié)議如下：

$TXSQ，長(zhǎng)度，發(fā)送方地址，信息類型，接收方地址，電文長(zhǎng)度，是否應(yīng)答，電文內(nèi)容，校驗(yàn)和，

其中，電文內(nèi)容由用戶自己定義，電文內(nèi)容的字符與數(shù)字用ASCⅡ碼表示，漢字用GB2312碼表示（2個(gè)字節(jié)表示1個(gè)漢字），電文內(nèi)容的長(zhǎng)度最長(zhǎng)不超過200個(gè)字節(jié)。

2.3 單片機(jī)串口通信

單片機(jī)系統(tǒng)與北斗定位通信模塊和AIS之間都是通過串口通信的，當(dāng)報(bào)警開關(guān)被觸發(fā)后，單片機(jī)負(fù)責(zé)控制并接收北斗定位信息、船舶狀態(tài)信息以AIS傳輸?shù)拇皠?dòng)靜態(tài)信息，完成對(duì)北斗定位信息和AIS數(shù)據(jù)的讀取、解析、處理、編碼、打包、封裝等；然后單片機(jī)控制北斗通信模塊，把這些已經(jīng)處理過的適合北斗終端短信格式的報(bào)警信息，以短信的方式發(fā)送到地面控制中心，完成船舶報(bào)警信息的傳送。地面監(jiān)控中心接收這些信息并按照傳輸協(xié)議進(jìn)行解碼，從中獲取船舶位置、遇險(xiǎn)類型等相關(guān)信息，海上搜救單位根據(jù)這些信息進(jìn)行海上搜救分析評(píng)估后，及時(shí)采取相應(yīng)措施進(jìn)行救援。

3 落水人員搜救

近年來，海上事故頻發(fā)，為了保障海上人命與財(cái)產(chǎn)安全，世界各國(guó)都在積極研發(fā)一種能夠快速對(duì)出事海域內(nèi)的落水人員精準(zhǔn)定位的一種系統(tǒng)，而且要滿足易攜帶、穩(wěn)定性高、主動(dòng)式定位等特點(diǎn)。在實(shí)際的海上航行中，由于無法實(shí)現(xiàn)對(duì)每一位船員都配上衛(wèi)星定位設(shè)備，所以為了實(shí)現(xiàn)能夠?qū)Υ坝鲭y時(shí)而落水的人員進(jìn)行定位，本文提出了利用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，構(gòu)建了一個(gè)以北斗定位和ZigBee網(wǎng)絡(luò)為核心技術(shù)的落水人員定位搜救系統(tǒng)。

3.1 硬件組成

對(duì)海上落水人員搜救來說，最主要的是求援人員知道落水者的位置。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供位置信息，卻沒有信息傳遞能力，而ZigBee網(wǎng)絡(luò)就為這種信息組織提供了一種簡(jiǎn)便的方式。落水人員搜救系統(tǒng)由北斗定位模塊、ZigBee模塊、北斗通信模塊、天線模塊以及核心控制模塊組成。

3.2 落水人員定位

當(dāng)人員落水，救生衣上的ZigBee應(yīng)用模塊就會(huì)被喚醒，當(dāng)配備上述設(shè)備的搜救船開進(jìn)出事海域時(shí)，搜救船和落水人員各自的ZigBee節(jié)點(diǎn)自組成網(wǎng)，搜救船的位置由北斗定位模塊輸出，利用ZigBee組網(wǎng)之后它們之間互相通信的特性，通過定位算法，搜救船就可以得到落水人員自身的位置，進(jìn)而展開快速救援工作，而且搜救船還可以通過單片機(jī)作為控制核心把組網(wǎng)區(qū)域內(nèi)所有落水人員的位置信息處理編碼通過短報(bào)文通信發(fā)送給地面控制中心，利于地面人員指揮調(diào)度，從而完成搜救任務(wù)。

4 總結(jié)

對(duì)于我國(guó)目前海上搜救領(lǐng)域來說，一些現(xiàn)有的救生設(shè)備有的不能靠知自身位置，有的使用起來受外界因素影響，容易影響寶貴的求援時(shí)間?；诒倍穼?dǎo)航系統(tǒng)和ZigBee技術(shù)的搜救系統(tǒng)在一定程度上改善了這一缺點(diǎn)。隨著北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)和ZigBee技術(shù)的不斷發(fā)展，定位精度、通信質(zhì)量和通信距離將進(jìn)一步提高，海上搜救成功率也將越來越高。

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[責(zé)任編輯：王楠]