一種基于北斗系統(tǒng)的落水求救終端的設(shè)計

李 和 汪淑賢

（1.桂林師范高等?？茖W(xué)校，廣西 桂林541199；2.桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院，廣西 桂林541004）

中國約有3×106km2的遼闊海域面積，近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對海洋資源的開發(fā)利用也不斷增加，投入海洋礦產(chǎn)資源勘探與開發(fā)、海洋工程、漁業(yè)工程、海上空間資源等海上作業(yè)人員的也逐漸增多。與此同時，由于海洋環(huán)境惡劣多變，各種海上突發(fā)落水事件經(jīng)常發(fā)生，嚴(yán)重威脅到各類海上作業(yè)人員的生命安全[1]。對于海上落水人員的救援，及時、準(zhǔn)確地對其定位是搜救取得成功的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的技術(shù)手段主要依靠搜救人員的肉眼定位方式以及落水人員飄流預(yù)測模型、航線預(yù)測模型等方式對落水人員進行定位，這種救援方式的實時性和準(zhǔn)確性都較低，不能在第一時間對遇險人員進行定位并開展救援。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可在全球范圍內(nèi)為各類用戶提供全天候的高精度定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)，同時具備短報文通信的能力[2]。本文基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位及短報文功能應(yīng)用，設(shè)計一款小型落水求救終端設(shè)備。設(shè)備適合救生衣穿戴并具有跌落或遇水自啟動的功能，當(dāng)人員突發(fā)落水事故時，設(shè)備自動開機并把包含落水人員位置的求救信息發(fā)送至救援中心，從而進行精準(zhǔn)快速的救援。

1 落水求救終端的總體結(jié)構(gòu)

基于北斗系統(tǒng)的落水求救終端設(shè)備主要包括核心微處理器、北斗RNSS定位模塊、北斗RDSS通信模塊、落水監(jiān)測模塊、電源模塊、OLED顯示模塊和觸摸按鍵等，其終端總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于北斗系統(tǒng)的落水求救終端總體結(jié)構(gòu)

為提高效率，當(dāng)用戶在非遇險情況下，終端處于休眠待機狀態(tài)，并可通過OLED液晶顯示屏查看用戶當(dāng)前的位置信息；當(dāng)用戶遇險求救時，終端設(shè)有人工一鍵呼救按鍵和落水自啟動兩種求救方式，當(dāng)接收到一鍵呼救按鍵或落水監(jiān)測模塊啟動命令后，終端將包含自身位置的求救信息以北斗短報文的形式發(fā)送出去，然后衛(wèi)星將接收到的遇險求救信號轉(zhuǎn)發(fā)到地面搜救中心，實現(xiàn)報警求救。

2 落水求救終端的硬件設(shè)計

2.1 北斗RNSS定位模塊

北斗RNSS（Radio Navigation Satellite System）定位模塊，是用來接收衛(wèi)星無線電導(dǎo)航信號，自主完成最少與4顆衛(wèi)星的距離測量，并進行用戶位置、速度及航行參數(shù)的計算，實現(xiàn)用戶位置、時間、速度等信息的獲取。本次設(shè)計北斗定位模塊采用的是和芯星通公司的UM220-IV模塊，該模塊支持BDSB1+GPSL1雙系統(tǒng)聯(lián)合定位或單系統(tǒng)獨立定位，在雙系統(tǒng)水平下定位精度能達到2.5 m CEP，測速精度為0.1 m/s，垂直定位精度為5 m CEP，跟蹤靈敏度可達-161 dBm。UM220-IV模塊輸入/輸出信號類型為LVTTL電平，與單片機配合使用無須進行電平轉(zhuǎn)換。

2.2 終端主控處理器（MCU）

終端采用STC15F2K60S2單片機為主控處理器，控制北斗RNSS定位模塊、落水檢測模塊、觸摸按鍵一鍵呼救模塊、北斗RDSS通信模塊及電源模塊、OLED顯示模塊等重要模塊。單片機系統(tǒng)一方面對北斗RNSS定位模塊送過來的衛(wèi)星無線電導(dǎo)航信號進行讀取、解析及綜合處理后，確定用戶的位置、時間等定位信息并在OLED液晶屏上顯示出來；另一方面，當(dāng)接收到一鍵呼救按鍵或落水監(jiān)測模塊啟動命令后，單片機負(fù)責(zé)對包含自身位置的求救信息按照標(biāo)準(zhǔn)的北斗短報文格式進行封裝和打包，并將打包和封裝好的求救信息傳送至北斗RDSS通信模塊。

2.3 落水檢測模塊

本終端落水檢測模塊采用兩種傳感器的聯(lián)合檢測，即分別檢測用戶加速度和濕度，相對于各種單類型傳感器檢測，聯(lián)合檢測可有效地降低誤報警率，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)快速的救援。

2.3.1 加速度傳感器

人在正?；顒訒r與落水過程中，有不同的加速度。人在靜止不動時的總加速度約為1g（其中g(shù)為重力加速度取，值為9.8 m/s2）；人在正常行走時的總加速度則以1g為中心，在正負(fù)1g范圍內(nèi)波動；當(dāng)人在跑步或在一定高度跌倒時，總加速度一般在4g以上。因此，通過設(shè)置總加速度的臨界值可以判斷海上人員是否落水，考慮到海上落水情況有一定的差異性，結(jié)合實驗結(jié)果，本落水檢測模塊中總加速度的臨界值設(shè)置為大于3g時觸發(fā)單片機啟動發(fā)射程序報警。

落水檢測模塊中采用小巧輕薄的ADXL345加速度傳感器，ADXL345是ADI公司推出的基于MEMS技術(shù)的3軸數(shù)字輸出加速度傳感器。其分辨率高達13位；靈敏度高達3.9 mg/LSB，能測量到最小1.0°的傾斜角度變化； 具有±2g、±4g、±8g、±16g可變的測量范圍；具有40~145uA的超低功耗，待機模式只有0.1 uA；采用LGA封裝，整個IC的尺寸只有3 mm×5 mm×1 mm；支持標(biāo)準(zhǔn)的I2C或SPI數(shù)字接口，自帶32級FIFO存儲，中斷方式靈活并且內(nèi)部有多種運動狀態(tài)檢測特性，包括非活動或活動檢測、敲擊檢測或自由落體檢測，可測量靜態(tài)加速度、運動或沖擊引起的動態(tài)加速度。

2.3.2 遇水檢測傳感器

當(dāng)水上作業(yè)人員發(fā)生落水事故時，落水者配戴的求救終端勢必會被水沾濕?；诖?，研究人員考慮采用通過溫濕度傳感器檢測終端濕度來判斷人員是否落水，并配合加速度傳感器的檢測，來提高整個落水檢測模塊的準(zhǔn)確性。本設(shè)計選用的是HDS10溫濕度傳感器，HDS10是正特性開關(guān)型元件，僅對高濕度敏感，對低濕度不敏感，其結(jié)露測試范圍為94%~100%RH，供電電壓為0.8 V；當(dāng)濕度超過95%時，HDS10的輸出電阻從100 kΩ迅速增大。當(dāng)用戶遇水時可以觸發(fā)落水檢測模塊中的結(jié)露傳感器HDS10，并利用LM393電壓比較器電路，輸出的開關(guān)量接至單片機啟動北斗RDSS通信模塊，以實現(xiàn)落水自動報警求救功能。可以通過設(shè)定不同濕度下，電壓比較器輸出電平的高低來觸發(fā)報警。

2.4 北斗RDSS通信模塊

北斗RDSS（Radio Determination Satellite Service）是另一種衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)，其特點是在完成定位的同時，通過用戶應(yīng)答完成用戶位置向外部系統(tǒng)的報告，這是北斗系統(tǒng)的重要特色，即北斗短報文服務(wù)功能。當(dāng)單片機接收到一鍵呼救按鍵或落水監(jiān)測模塊啟動命令后，北斗RDSS通信模塊受單片機控制啟動，并將接收到單片機送過來的打包和封裝好的短報文用戶求救信息進行擴頻、低中頻調(diào)制，然后轉(zhuǎn)換成大功率射頻信號傳輸?shù)奖倍沸l(wèi)星上去，再通過北斗衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到地面救援中心，實現(xiàn)報警求救。本設(shè)計采用的是一款泰斗TD3201單模模塊，其內(nèi)部集成了北斗RDSS基帶芯片TD1100A、RDSS射頻收發(fā)芯片DT-A6、5W功放芯片LXK6618等電路，通過外接無源天線，即可實現(xiàn)北斗系統(tǒng)的短報文通信功能。

3 求救終端的軟件設(shè)計

北斗RNSS定位信息格式采用的是NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，通常情況下，我們關(guān)心的定位信息如經(jīng)緯度、海拔、時間等數(shù)據(jù)均可以從“$XXRMC”幀中獲得[3]。北斗短報文協(xié)議，簡稱“RDSS協(xié)議”，在2015年前后推出了易用完善的2.1協(xié)議。RDSS 2.1協(xié)議的語句是以美元符號$開始，以英文字符“，”和“*”作為分隔符，以回車換行符 作為結(jié)束。RDSS 2.1協(xié)議的收發(fā)信息指令一般使用混合編碼模式和代碼編碼模式[4]。以混合編碼模式為例，電文首字母固定為“A4”，按照先后順序?qū)⒚總€字符轉(zhuǎn)換成16進制數(shù)大寫，如果16進制數(shù)不大于16，就在高位補0，英文用一個字節(jié)表示，漢字用兩個字節(jié)表示，北斗系統(tǒng)全球短報文通信服務(wù)的單次通信能力為40漢字（560比特）。

該軟件主要用C語言編寫，當(dāng)電源打開時，單片機對北斗RNSS定位模塊信息進行讀取、解析及綜合處理后，得到用戶的位置、時間等定位信息存入指定的寄存器，并驅(qū)動OLED顯示模塊把坐標(biāo)信息顯示出來；當(dāng)接收到一鍵呼救按鍵或落水監(jiān)測模塊啟動命令后，單片機發(fā)射程序啟動，控制北斗RDSS通信模塊以北斗短報文格式間隔30 s發(fā)射一次包含用戶位置的求救信息。

4 結(jié)語

以上是基于北斗RNSS定位技術(shù)及RDSS短報文通信功能應(yīng)用設(shè)計的一款落水求救終端設(shè)備。當(dāng)用戶在非遇險情況下，可通過OLED液晶顯示屏查看當(dāng)前的位置信息；當(dāng)接收到一鍵呼救按鍵或落水檢測模塊啟動命令后，終端將包含自身位置的求救信息以北斗短報文的形式發(fā)送出至搜救中心，得到精準(zhǔn)快速的救援，從而有效保障各類水上作業(yè)人員的生命財產(chǎn)安全。