人員落水定位裝置硬件設計與實現

何世華　昌攀　張琪　葛程　方志

摘要：本文從海上救生的迫切性、重要性出發，應用射頻技術、GPS技術和單片機技術研制出了一種基于GPS衛星導航系統研發的海上救生示位裝置，實現了落水人員漂移軌跡實時跟蹤等功能，解決了一直困擾著我國海上搜救“聽不見落水人員報警”和“找不到落水人員位置”的難題。

關鍵詞：GPS；海上搜救；實時跟蹤

中圖分類號：V244.21+5 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）49-0075-02

人類步入海洋世紀后，隨著世界經濟一體化和信息全球化進程的加快，國際航運事業得到飛速的發展，海洋經濟已經成為國民經濟的重要組成部分，我國沿海省市都把海洋經濟作為新的戰略重點。然而，伴隨而來的是海上和水上險情和事故的多發，海難事故發生概率也在不斷增加。據統計，全世界每年約有10萬人在海難事故中喪生。2011年，中國海上搜救中心共接報、處置水上險情2177起，組織、協調船艇8600艘次、飛機402架次參加海上搜救行動，成功搜救海上遇險船舶1721艘、人員18712人，搜救成功率達96.7%。海上救生的成功與否不僅直接關系到無數個家庭的幸福，而且關系到軍隊的戰斗力，甚至會影響我國的國際形象和國家海上安全環境。

一、海上救生的難點

由于海上事故的突發性，海上救生存在其獨有的難點。首先，人員落水后受風向、海流、海潮等因素影響，位置隨海浪不斷移動呈動態分布，且漂流方向無任何規律可循。其次，由于船只可能要在夜間、大霧等情況下航行，當船員落水時，很難用肉眼搜尋到落水人員。再次，受氣象、海況等影響，普通搜救船只難于出動，即便出動也無法迅速、準確地找到落水人員的位置。最后，海上受多種因素影響，落水人員生存能力有限。在低溫海水中浸泡易造成凍僵。如水溫0℃時，人僅能存活15分鐘；水溫5℃時，人能存活1小時左右。同時，在海洋中極易受某些生物傷害，如鯊魚、蛇、水母、章魚、有毒魚類等，造成落水人員傷亡。

二、基于射頻與GPS技術的落水人員定位系統設計

1.系統及模塊的主要功能。基于射頻與GPS技術的落水人員定位系統整體上包括用戶終端、基站、控制臺三部分組成。終端主要完成對佩戴者當前安全狀態的監測和船員位置信息的獲取和傳輸。基站負責對用戶終端進行尋呼，并接收終端傳來的位置信息。同時，利用基站部分的GPS模塊，對基站當前信息進行實時更新并發送給控制臺。當基站把基站坐標信息和落水人員的坐標信息發到控制臺后，電子海圖系統軟件將顯示落水人員的識別號和狀態，當有事故發生時，顯示事故發生時的船速、人員落水時間長短、人員落水點的方位和距離以及本船的運動軌跡描，以輔助搜救。系統工作流程圖如圖1所示。

2.系統模塊設計。①用戶終端設計。用戶終端主要由GPS模塊、射頻模塊、控制模塊組成，結構圖如圖2所示。當船員在工作時，終端的GPS模塊會實時的獲取當前船員的位置坐標，并將位置坐標通過串口傳送給STM8單片機，單片機接收到GPS傳來的信息后，對數據進行解析，得到所需的信息，并加上相應終端的ID號。當基站向終端發出索要船員信息的信息號時，終端將與基站建立連接。終端通過nRF224L01無線收發模塊接收基站發來的數據，并將自身的ID號與基站要求的ID進行匹配，如果匹配成功，那么終端將解析好的數據包發送給基站，否則不發出。②基站設計。基站在船頭和船尾各有一個，兩個基站能夠同時接收射頻模塊發出的數據，其構造完全相同。基站每隔5S按順序尋呼各個終端，便于與終端建立連接，終端和基站建立連接后，基站通過無線接收模塊接收終端發來的信息。由于基站距離控制臺較遠，所以STM8單片機首先通過max485實現數據的遠距離傳輸，然后用485轉232模塊將數據送入控制臺主機。基站組成框圖如圖3所示。

三、客戶端與基站通訊協議的設計

基站與客戶端通信采用的是基站尋呼客戶端的方式，因此，客戶端與基站之間的通信協議至關重要。本系統中，協議工作方式如圖4所示。

整個裝置工作時，終端一直處于監聽狀態，當收到基站發送來的ID信息時，終端將自動檢測是否與自身的ID匹配，如果匹配，則將船員的位置信息發送給基站，否則一直處于監聽狀態。

用戶終端觸發器是系統最重要的部分，作為手持設備，應做到體量輕、易攜帶、低成本、低功耗等。另外，由于海洋環境和船舶材質的特殊性，通信質量不如地面，因此，選擇器件和電路設計時應以保證通信質量為前提，減少誤報警的發生。

四、系統優化

對于射頻通信距離的提高在本裝置中至關重要，當船員落水時間相對較長時，如果射頻模塊通信距離太近，則可能發生船員落水了但是無法獲得船員狀態信息的情況。本系統斯普萊WFS-5800SPL9柵格室外天線（如圖5）為全向天線，工作帶寬125MHz，頻率范圍5725～5850MHz，最大功率100W，工作溫度-30℃～50℃，工作濕度10%～95%，天線的工作環境很適合在船舶中工作。通過多次測量，射頻的通信距離最遠達1000m。

參考文獻：

[1]李航，陳后金.物聯網的關鍵技術及其應用前景[J].中國科技論壇，2011，（001）：81-85.

[2]王暖堂，賈向斌，薛進慶.GPS相對定位原理探討[J].中國科技博覽，2012，（9）：126-127.

[3]閆保中，姜琛，尹偉偉.基于RFID技術的室內定位算法研究[J].計算機仿真，2010，（2）：320-324.

[4]陳國照.TM8系列單片機的開發與應用[J].甘肅冶金，2011，33（2）：113-114.