AIS與ZigBee融合的水上救援系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

［李博雅　劉恒］

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AIS與ZigBee融合的水上救援系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

［李博雅劉恒］

摘要隨著水上交通情況愈發(fā)復(fù)雜，有效可靠的救援通信系統(tǒng)變得必不可少；本系統(tǒng)采用AIS與ZigBee雙網(wǎng)融合通信的方式，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)以網(wǎng)內(nèi)從節(jié)點(diǎn)為個(gè)人攜帶的救援終端，主節(jié)點(diǎn)完成與AIS救援中心信息交互的救援通信系統(tǒng)，并制作從節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)的樣板實(shí)物在水上真實(shí)環(huán)境下測(cè)試其在救援方面的應(yīng)用。結(jié)果表明：該救援系統(tǒng)能夠有效可靠的完成水上救援工作，并且相比于傳統(tǒng)AIS個(gè)人救援終端，其采用ZigBee從節(jié)點(diǎn)代替，極大地降低了功耗和體積，為后續(xù)救援工作爭(zhēng)取更多的時(shí)間并且增加了個(gè)人救援終端的可攜帶性。

關(guān)鍵詞：AIS ZigBee 融合 水上救援系統(tǒng)

李博雅

重慶郵電大學(xué)，重慶市移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

劉恒

重慶郵電大學(xué)，重慶市移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

引言

隨著水上運(yùn)輸業(yè)、旅游業(yè)、捕撈業(yè)等行業(yè)的發(fā)展，使得水上交通變得越來(lái)越復(fù)雜，擱淺、碰撞、沉船等水上事故愈加頻繁，尤其是去年的“東方之星”沉船事件更是造成了大量的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失；近幾年興起的 AIS （Automatic Identification System）技術(shù)在水上救援工作中發(fā)揮著非常關(guān)鍵的作用，但傳統(tǒng)的AIS設(shè)備多是船載設(shè)備，且現(xiàn)有的針對(duì)個(gè)人攜帶的AIS設(shè)備也由于功耗高、體積大而缺乏實(shí)用性。因此設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)適用于個(gè)人攜帶的AIS救救終端對(duì)于保障水上作業(yè)人員及游客的生命安全具有非常重要和長(zhǎng)遠(yuǎn)的意義。

本文將AIS技術(shù)與近年來(lái)工業(yè)應(yīng)用較為成熟的ZigBee技術(shù)進(jìn)行融合組網(wǎng)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)以網(wǎng)內(nèi)從節(jié)點(diǎn)為個(gè)人攜帶的救援終端，主節(jié)點(diǎn)接收處理求救信號(hào)并完成與周邊AIS接收中心通信的救援通信系統(tǒng)；該系統(tǒng)內(nèi)從節(jié)點(diǎn)僅由GPS模塊與ZigBee模塊組成，具有體積小、功耗低、便于攜帶的優(yōu)點(diǎn)；主節(jié)點(diǎn)由ZigBee模塊、AIS基帶處理模塊及發(fā)射電路組成，具有通信距離遠(yuǎn)、成本低可大量分布的優(yōu)點(diǎn)，保證了救援系統(tǒng)的可靠性。

1　系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

水上救援系統(tǒng)包括3個(gè)部分：個(gè)人救援終端、AIS中心節(jié)點(diǎn)及AIS救援接收中心；其中個(gè)人救援終端用于發(fā)送求救信號(hào)和位置信息至區(qū)域內(nèi)AIS中心節(jié)點(diǎn)；AIS中心節(jié)點(diǎn)用于接收求救信號(hào)和位置信息并將其完成AIS消息編碼發(fā)送至AIS網(wǎng)絡(luò)；AIS救援中心用于接收AIS網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的求救信號(hào)，并根據(jù)位置信息展開(kāi)救援工作，系統(tǒng)整體框架圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)整體框圖

1.1AIS中心節(jié)點(diǎn)架構(gòu)

AIS中心節(jié)點(diǎn)包括ZigBee模塊、基帶處理模塊及發(fā)射通路，其硬件架構(gòu)如圖2所示。其中ZigBee模塊用于接收Z(yǔ)igBee網(wǎng)內(nèi)個(gè)人救援終端的求救信號(hào)和位置信息，充當(dāng)協(xié)調(diào)器即中心節(jié)點(diǎn)的作用；基帶處理模塊主要由CPU模塊、調(diào)制編碼模塊和D/A模塊組成，完成AIS消息編碼及GMSK調(diào)制，發(fā)射通路由VCO調(diào)制電路、放大濾波模塊及VHF天線組成。

圖2　AIS中心節(jié)點(diǎn)硬件架構(gòu)

1.2個(gè)人救援終端架構(gòu)

個(gè)人救援終端包括GPS模塊、ZigBee模塊及電源模塊組成，其硬件架構(gòu)如圖3所示。

當(dāng)落水人員開(kāi)啟個(gè)人救援終端電源后GPS模塊完成定位，將求救信號(hào)和自身位置信息通過(guò)ZigBee模塊發(fā)送至ZigBee網(wǎng)內(nèi)鄰近的AIS中心節(jié)點(diǎn)，通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)的AIS消息編碼及GMSK調(diào)制最終發(fā)送至AIS救援中心，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)水上救援的目的，保障水上作業(yè)人員及游客的生命安全。

傳統(tǒng)的AIS救援設(shè)備采用將落水者的位置信息直接發(fā)送至AIS救援接收中心，但這樣AIS救援設(shè)備就需要較高的發(fā)射功率、較多的電路模塊，同時(shí)由于救援設(shè)備需要實(shí)時(shí)發(fā)送位置信息，高功耗下的AIS救援設(shè)備一直保持工作狀態(tài)導(dǎo)致電池不足以維持較長(zhǎng)時(shí)間，不利于救援工作的展開(kāi)；本文采用AIS與ZigBee雙網(wǎng)融合的方案，系統(tǒng)內(nèi)個(gè)人救援終端體積小、功耗低、便于攜帶，而AIS中心節(jié)點(diǎn)通信距離遠(yuǎn)、成本低可大量分布，在保證救援系統(tǒng)可靠性的同時(shí)，極大地提高了AIS個(gè)人救援終端的便攜性和實(shí)用性。

圖3　個(gè)人救援終端硬件架構(gòu)

2　硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1AIS中心節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

根據(jù)圖2所示的AIS中心節(jié)點(diǎn)硬件架構(gòu)，ZigBee模塊選用TI公司的CC2530芯片作為微處理器和RF射頻芯片，而CPU模塊、調(diào)制編碼模塊和D/A模塊的功能則均在STM32微處理器中完成，型號(hào)為STM32F103，該芯片將ZigBee模塊接收的GPS信息解析出來(lái)構(gòu)造AIS數(shù)據(jù)幀，之后進(jìn)行HDLC編碼、NRZI編碼和高斯濾波器完成GMSK調(diào)制，最終通過(guò)內(nèi)部?jī)蓚€(gè)DAC輸出模擬調(diào)制信號(hào)對(duì)之后VCO載波模塊進(jìn)行調(diào)制。

VCO載波調(diào)制模塊及放大模塊是AIS中心節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)；VCO電路的核心是振蕩電路，本系統(tǒng)中AIS中心節(jié)點(diǎn)硬件板卡設(shè)計(jì)的振蕩電路如圖4所示，其中場(chǎng)效應(yīng)管Q1的直流偏置電壓受STM32串口控制，變?nèi)荻O管D1、D2與D3用以調(diào)整回路總電容與電壓u之間的特性。考慮到回路的Q值大時(shí)，相頻特性斜率大，相位就越穩(wěn)定，根據(jù)相位與頻率之間的關(guān)系，所以頻率也就越穩(wěn)定，故選取的電感為線藝公司的22nH的高Q值電感。

晶體管的ft高可以保證在工作頻率范圍內(nèi)具有較高的跨導(dǎo)，ft＞（3? 10）fmax（本研究中為fmax為324.05MHz）時(shí)，VCO易于起振，而且ft越高，MOS管內(nèi)部的相移越小，故選取的場(chǎng)效應(yīng)管Q1為UTC公司的2SK508。電源電壓的波動(dòng)，也會(huì)降低VCO的頻率穩(wěn)定度，為了減少其影響，使用專門(mén)的穩(wěn)壓芯片及三極管開(kāi)關(guān)電路對(duì)VCO進(jìn)行供電，并且供電受STM32的控制。

圖4　VCO振蕩電路

AIS中心節(jié)點(diǎn)硬件板卡設(shè)計(jì)的功放PA模塊電路如圖5所示。

圖5　功放PA模塊電路

功率放大器選用 RFMD 公司的 RF5110G芯片，RF5110G 是一款高功率，高增益，高效率的功率放大器，無(wú)線應(yīng)用的頻段從 150MHz 到 960MHz，并且可以工作在低功耗模式下，而AIS中心節(jié)點(diǎn)的發(fā)射頻點(diǎn)為161.975MHz、162.025MHz，符合該功放芯片的頻段范圍。

從圖中可知，VCCPA為供電電壓，VAPC1、VAPC2為功率增益控制電壓，RF5110G 內(nèi)部存在電壓增益控制，可以通過(guò)改變 VAPC 的電壓值控制 PA 的輸出功率，參考 RF5110G 數(shù)據(jù)手冊(cè)的建議，在開(kāi)環(huán)模式下，VAPC 的電壓值應(yīng)設(shè)置大于 2V 用以確保較好的輸出功率，本系統(tǒng)VAPC電壓為2.6V，輸出功率可達(dá)33dBm。

在RF5110G各工作電壓設(shè)定好之后，其輸入輸出是否50歐阻抗匹配也是決定其能否正常工作的關(guān)鍵因素，該芯片輸入端RFIN已經(jīng)在芯片內(nèi)部完成了50歐阻抗匹配，而輸出匹配則需要用戶設(shè)計(jì)相關(guān)電路調(diào)試完成，本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中源阻抗與負(fù)載阻抗的匹配，是通過(guò)一個(gè)π形匹配網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，具體電路如圖6所示。

圖6　π形匹配網(wǎng)絡(luò)電路圖

用ADS仿真軟件對(duì)此匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行 S 參數(shù)仿真并觀察其傳輸特性，得到圖 7所示結(jié)果，仿真結(jié)果顯示該匹配網(wǎng)絡(luò)在頻率 162MHz 時(shí)S11回波損耗參數(shù)值較小，信號(hào)反射較??；S21插入損耗較大，即信號(hào)正向傳輸較好，仿真證明本系統(tǒng)AIS中心節(jié)點(diǎn)硬件板卡所設(shè)計(jì)的功放輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)在輸出頻點(diǎn)上通過(guò)性良好，信號(hào)基本不產(chǎn)生反射。

圖7　匹配網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)仿真

2.2個(gè)人救援終端電路設(shè)計(jì)

根據(jù)圖3所示的個(gè)人救援終端硬件架構(gòu)，該模塊硬件電路的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于GPS模塊與ZigBee模塊的接口連接，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體電路如圖8所示。

圖8　個(gè)人救援終端接口電路

從圖8可知，GPS模塊GT-1612的TXD、RXD引腳分別與ZigBee模塊芯片CC2530的UART1_RX （PIN15）、UART1_TX（PIN14）相連，完成定位信息的交互，最后通過(guò)RF_N、RF_P引腳經(jīng)發(fā)射電路將位置信息發(fā)送至整個(gè)救援系統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。

3　測(cè)試與結(jié)論

測(cè)試平臺(tái)選用實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的水上救援系統(tǒng)硬件平臺(tái)，包括個(gè)人救援終端硬件板、AIS中心節(jié)點(diǎn)硬件板和成都天奧公司生產(chǎn)的型號(hào)為SPAT-1000B-II的B類AIS船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)接收設(shè)備，如圖9所示。

圖9　水上救援系統(tǒng)硬件平臺(tái)

3.1測(cè)試內(nèi)容及方法

測(cè)試內(nèi)容分為兩個(gè)步驟：個(gè)人救援終端與AIS中心節(jié)點(diǎn)間的通信、AIS中心節(jié)點(diǎn)與AIS接收設(shè)備間的通信。

本次測(cè)試時(shí)間為2015年10月30 日，測(cè)試地點(diǎn)選擇在重慶長(zhǎng)江朝天門(mén)至洋人街水段，測(cè)試方法為：

①先將接收機(jī)設(shè)備固定在岸邊空曠位置較高處；

②將AIS中心節(jié)點(diǎn)設(shè)備固定在一岸邊開(kāi)闊位置，然后在測(cè)試水域移動(dòng)個(gè)人救援終端設(shè)備，查看個(gè)人救援終端在各個(gè)測(cè)試點(diǎn)與AIS中心節(jié)點(diǎn)的通信情況并同時(shí)啟動(dòng)AIS中心節(jié)點(diǎn)，查看最終在各個(gè)測(cè)試點(diǎn)與接收機(jī)的通信情況；

③移動(dòng)AIS中心節(jié)點(diǎn)至另一個(gè)岸邊位置，繼續(xù)在之前的個(gè)人救援終端測(cè)試點(diǎn)上測(cè)試與岸上中心節(jié)點(diǎn)的通信情況及最終與接收機(jī)的通信情況，具體測(cè)試位置如圖10所示，測(cè)試結(jié)果如表1及圖11所示。

圖10　系統(tǒng)各測(cè)試點(diǎn)位置

表1　系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

圖11　個(gè)人救援終端通信測(cè)試

由于當(dāng)天在測(cè)試水域內(nèi)存在較多其他AIS設(shè)備，只能通過(guò)精確查找本AIS中心節(jié)點(diǎn)的MMSI號(hào)來(lái)確認(rèn)是否完成接收，同時(shí)由于測(cè)試點(diǎn)較多，論文篇幅所限，此處只列舉在個(gè)人救援終端 、AIS中心節(jié)點(diǎn)位置一處的測(cè)試結(jié)果如圖11所示，圖中左上角經(jīng)緯度顯示個(gè)人救援終端的GPS位置，同時(shí)5.16nm（海里）為個(gè)人救援終端 處與接收機(jī)的距離。

3.2結(jié)論

由表1可知：在個(gè)人救援終端2處，AIS中心節(jié)點(diǎn)在位置一和二上接收次數(shù)均為0，原因是個(gè)人救援終端位置2位于朝天門(mén)大橋正下方，橋墩及過(guò)往船只的遮擋影響了通信信號(hào)；

①在個(gè)人救援終端5與AIS中心節(jié)點(diǎn)一、個(gè)人救援終端4與AIS中心節(jié)點(diǎn)二之間的通信過(guò)程中，接收情況較為良好，原因是組內(nèi)兩位置間距離近，基本無(wú)遮擋；

②在AIS中心節(jié)點(diǎn)與接收機(jī)的通信過(guò)程中，AIS中心節(jié)點(diǎn)一處的接收情況明顯優(yōu)于AIS中心節(jié)點(diǎn)二處，原因也很可能是朝天門(mén)大橋及過(guò)往船只的遮擋情況。

通過(guò)以上對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析可知，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的AIS與ZigBee融合的水上救援系統(tǒng)在寬闊無(wú)遮擋的近海水域及內(nèi)河航段，具有較好的通信互連情況，能夠有效保障落水者的生命安全，在水上救援工作中，該系統(tǒng)具有一定的實(shí)用價(jià)值。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)水上落水者救援通信設(shè)備的研究，提出了一種AIS與ZigBee雙網(wǎng)融合通信的水上救援系統(tǒng)方案，系統(tǒng)內(nèi)從節(jié)點(diǎn)體積小、功耗低、便于攜帶；而主節(jié)點(diǎn)又具有通信距離遠(yuǎn)、成本低可大量分布優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)水上個(gè)人救援設(shè)備體積大、功耗高的缺點(diǎn)，之后本文又完成了系統(tǒng)內(nèi)個(gè)人救援終端及AIS中心節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下測(cè)試，驗(yàn)證了AIS與ZigBee融合通信水上救援系統(tǒng)方案的可行性，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值，并且現(xiàn)已成功用于實(shí)際項(xiàng)目。

參考文獻(xiàn)

1張茹. AIS在海上搜救中的應(yīng)用［J］. 中國(guó)水運(yùn)（下半月刊），2010，09：57-58

2王思思，王立軍．船載自動(dòng)識(shí)別搜救發(fā)射器（AIS—SART）的組成及使用［J］．航海技術(shù)，2010，（05），39—40

3Hu Bo．New Technical Characteristic Requirements of Automatic Identification Systenr--Deciphering Recommendation ITU — RM.1371.Transport Standardization， 2010，（20），16—17

4IEC 61097-14：Global maritime distress and safety system（GMDSS）一Part14：AIS search and rescue transmitter（AIS-SART）-Operational and performance requirements，methods of testing and required test results，Edition 1（CD），2008

5李俊斌，胡永忠. 基于CC2530的ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用設(shè)計(jì)［J］. 電子設(shè)計(jì)工程，2011，16：108-111

6劉輝，趙麗芬，孫番典，張品. 基于CC2530的ZigBee射頻收發(fā)模塊設(shè)計(jì)［J］. 云南民族大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，06：452-456.

7胡從池，周杏利. 基于AIS人員落水應(yīng)急示位系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［J］. 機(jī)電設(shè)備，2014，04：61-65

8魏武財(cái). 基于自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的搜救發(fā)射機(jī)（AIS-SART） ［J］.航海技術(shù)，2011，3，41-44

簡(jiǎn)訊

DOI：10.3969/j.issn.1006-6403.2016.04.012

收稿日期：（2016-03-22）