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(jì)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(shí)，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(shí)、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(jìn)行定位，這種救援方式的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性都較低，不能在第一時(shí)間對遇險(xiǎn)人員進(jìn)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(shí)服務(wù)，同時(shí)具備短報(bào)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(bào)文功能應(yīng)用，設(shè)計(jì)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(dòng)的功能，當(dāng)人員突發(fā)落水事故時(shí)，設(shè)備自動(dòng)開機(jī)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(jìn)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(xiǎn)情況下，終端處于休眠待機(jī)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(xiǎn)求救時(shí)，終端設(shè)有人工一鍵呼救按鍵和落水自啟動(dòng)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(dòng)命令后，終端將包含自身位置的求救信息以北斗短報(bào)文的形式發(fā)送出去，然后衛(wèi)星將接收到的遇險(xiǎn)求救信號轉(zhuǎn)發(fā)到地面搜救中心，實(shí)現(xiàn)報(bào)警求救。

2 落水求救終端的硬件設(shè)計(jì)

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(jìn)行用戶位置、速度及航行參數(shù)的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)用戶位置、時(shí)間、速度等信息的獲取。本次設(shè)計(jì)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(dú)立定位，在雙系統(tǒng)水平下定位精度能達(dá)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(dá)-161 dBm。UM220-IV模塊輸入/輸出信號類型為LVTTL電平，與單片機(jī)配合使用無須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

2.2 終端主控處理器（MCU）

終端采用STC15F2K60S2單片機(jī)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(jī)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(jìn)行讀取、解析及綜合處理后，確定用戶的位置、時(shí)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(dòng)命令后，單片機(jī)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(bào)文格式進(jìn)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(bào)警率，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)快速的救援。

2.3.1 加速度傳感器

人在正?；顒?dòng)時(shí)與落水過程中，有不同的加速度。人在靜止不動(dòng)時(shí)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(shí)的總加速度則以1g為中心，在正負(fù)1g范圍內(nèi)波動(dòng)；當(dāng)人在跑步或在一定高度跌倒時(shí)，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(shí)驗(yàn)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(shí)觸發(fā)單片機(jī)啟動(dòng)發(fā)射程序報(bào)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(dá)13位；靈敏度高達(dá)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(jī)模式只有0.1 uA；采用LGA封裝，整個(gè)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測特性，包括非活動(dòng)或活動(dòng)檢測、敲擊檢測或自由落體檢測，可測量靜態(tài)加速度、運(yùn)動(dòng)或沖擊引起的動(dòng)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(shí)，落水者配戴的求救終端勢必會被水沾濕?；诖耍芯咳藛T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(gè)落水檢測模塊的準(zhǔn)確性。本設(shè)計(jì)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(shí)，HDS10的輸出電阻從100 kΩ迅速增大。當(dāng)用戶遇水時(shí)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(jī)啟動(dòng)北斗RDSS通信模塊，以實(shí)現(xiàn)落水自動(dòng)報(bào)警求救功能?？梢酝ㄟ^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(bào)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(diǎn)是在完成定位的同時(shí)，通過用戶應(yīng)答完成用戶位置向外部系統(tǒng)的報(bào)告，這是北斗系統(tǒng)的重要特色，即北斗短報(bào)文服務(wù)功能。當(dāng)單片機(jī)接收到一鍵呼救按鍵或落水監(jiān)測模塊啟動(dòng)命令后，北斗RDSS通信模塊受單片機(jī)控制啟動(dòng)，并將接收到單片機(jī)送過來的打包和封裝好的短報(bào)文用戶求救信息進(jìn)行擴(kuò)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(shí)現(xiàn)報(bào)警求救。本設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)北斗系統(tǒng)的短報(bào)文通信功能。

3 求救終端的軟件設(shè)計(jì)

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(shí)間等數(shù)據(jù)均可以從“$XXRMC”幀中獲得[3]。北斗短報(bào)文協(xié)議，簡稱“RDSS協(xié)議”，在2015年前后推出了易用完善的2.1協(xié)議。RDSS 2.1協(xié)議的語句是以美元符號$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€(gè)字符轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制數(shù)大寫，如果16進(jìn)制數(shù)不大于16，就在高位補(bǔ)0，英文用一個(gè)字節(jié)表示，漢字用兩個(gè)字節(jié)表示，北斗系統(tǒng)全球短報(bào)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(shí)，單片機(jī)對北斗RNSS定位模塊信息進(jìn)行讀取、解析及綜合處理后，得到用戶的位置、時(shí)間等定位信息存入指定的寄存器，并驅(qū)動(dòng)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(dòng)命令后，單片機(jī)發(fā)射程序啟動(dòng)，控制北斗RDSS通信模塊以北斗短報(bào)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(bào)文通信功能應(yīng)用設(shè)計(jì)的一款落水求救終端設(shè)備。當(dāng)用戶在非遇險(xiǎn)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(dòng)命令后，終端將包含自身位置的求救信息以北斗短報(bào)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(cái)產(chǎn)安全。