基于北斗和ZigBee的海上搜救系統研究

姜景春

【摘 要】為了對海上落水人員進行快速定位搜救，本文采用北斗與ZigBee技術的集成，利用北斗精確定位，短報文通信和ZigBee節點自組網通信的功能，使得搜救船快速得到落水人員的位置，進而開展搜救工作，加快了搜求效率，提高了遇險船員搜救成功率，對完善我國海上搜救系統提供了一種可行性方法。

【關鍵詞】北斗衛星導航系統；ZigBee；通信；搜救

0 引言

隨著航運業的不斷發展，海上船舶通航密度的增加以及海上航行環境的復雜多變，海上遇險事故呈逐年上升趨勢。由于遇險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，北斗導航系統正在快速發展中，在船舶監控與救援方面得到了廣泛的應用。由于海上環境復雜多變，出事海域廣泛，洋流運動以及海浪、海水溫度、海水微生物會對落水人員機體產生影響和損害。這就要求搜救工作者需以最快速度對落水人員進行救助，從而對落水人員的持續精確定位就成為關鍵。本文采用北斗與ZigBee技術的集成，通過把北斗定位的數據架設于ZigBee網絡之中，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的搜救船就可以對出事海域范圍內的落水人員進行持續精確定位，這對我國海上搜救具有一定的參考意義。

1 系統簡介

1.1 北斗衛星導航系統

北斗衛星導航系統是我國正在實施的自主研發、獨立運行的全球衛星導航系統。目前，該系統可在亞太地區全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務，并具備短報文通信能力[1]。計劃到2020年組成全球衛星導航系統，它將由5顆靜止軌道衛星（GEO）和30顆非靜止軌道（中軌（MEO）及傾斜地球同步圓軌道（IGSO））衛星組成，能保證用戶在其服務區內任何時間均可收到4顆以上衛星的信號，并在全球范圍內提供高精度的定位、導航和授時服務，兼具短報文通信能力。

1.2 ZigBee技術

ZigBee是一種新興的低速率、短距離、低功耗無線網絡通信技術，主要用于近距離無線連接?？晒ぷ髟?.4GHz（全球流行）、868MHz（歐洲流行）和915MHz（美國流行）3個頻段上，分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，每個網絡節點間的通信距離可以從標準的75m到通過功放擴展后的幾百米甚至幾千米。ZigBee技術由于其無線自組織、低復雜度、低功耗、低數據率、短時延、高安全、低成本等眾多優勢特點而備受關注，成為無線傳感器網絡、自動控制、遠程控制、嵌入式應用等領域的一大熱點。

2 船舶遇險報警系統

目前，北斗導航系統正在趨于成熟，預計到2020年左右，“北斗”系統將實現全球導航定位服務，為全球客戶提供一定精度的導航和定位。在我國，擁有自主知識產權的北斗導航系統正被應用到越來越多的領域當中。目前，在航海上，北斗衛星導航系統在海洋漁業安全生產、船舶精確定位、應急通信、數字化航標、船舶監控與搜救中實現大量應用。本文提出的對落水人員搜救系統就是基于北斗導航系統開發的，船舶應急搜救系統架構如圖1所示。

2.1 系統硬件組成

當船舶在航行中遇到危險時，需要把遇險信息發送給地面救援中心，在這個信息發送的過程中，需要完成遇險報警、船舶定位、遇險信息發送等功能。一方面可以利用AIS輸出遇險求救信息，但是在某些復雜環境下或VHF通信距離達不到的地方，就需要通過北斗短消息向地面控制中心發送遇險求救信息，信息內容應包括遇險類型、遇險位置、時間、船舶MMSI號、船舶安全狀態等。本文設計的船舶遇險報警系統其硬件結構以STC12C5A60S2單片機為核心控件，其它由北斗定位模塊、北斗短消息通信模塊、AIS、天線模塊、電源與一鍵報警模塊等組成，如圖2所示：

其中單片機作為中心控制模塊，采用宏晶科技的STC12C5A60S2 系列單片機作為報警終端的控制芯片。STC12C5A60S2是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，其除了兼容8051單片機所有功能之外，速度比之8051快8-12倍。該單片機是單時鐘＼機器周期，含有4個16位定時器，兩個通用全雙工異步串行口（UART），其RAM 數據存儲器為1280字節。

當船舶遇險，報警開關觸發，北斗RNSS提供位置、時間、航行狀態等信息，AIS提供船舶動靜態信息，這些報警信息通過串口被傳輸到單片機模塊，再由單片機控制通過北斗短報文通信模塊，把報警信息發送給地面控制中心，完成本船報警信息的發送。

2.2 短消息通信設計

當單片機與北斗短報文通信模塊通過串口通信時，這就需要通信雙方需要遵循通信協議。所以船舶報警信息通過北斗短報文發送出去之前，需要單片機對其進行處理編碼，轉化成北斗短信格式。北斗短報文發送信息協議如下：

$TXSQ，長度，發送方地址，信息類型，接收方地址，電文長度，是否應答，電文內容，校驗和，

其中，電文內容由用戶自己定義，電文內容的字符與數字用ASCⅡ碼表示，漢字用GB2312碼表示（2個字節表示1個漢字），電文內容的長度最長不超過200個字節。

2.3 單片機串口通信

單片機系統與北斗定位通信模塊和AIS之間都是通過串口通信的，當報警開關被觸發后，單片機負責控制并接收北斗定位信息、船舶狀態信息以AIS傳輸的船舶動靜態信息，完成對北斗定位信息和AIS數據的讀取、解析、處理、編碼、打包、封裝等；然后單片機控制北斗通信模塊，把這些已經處理過的適合北斗終端短信格式的報警信息，以短信的方式發送到地面控制中心，完成船舶報警信息的傳送。地面監控中心接收這些信息并按照傳輸協議進行解碼，從中獲取船舶位置、遇險類型等相關信息，海上搜救單位根據這些信息進行海上搜救分析評估后，及時采取相應措施進行救援。

3 落水人員搜救

近年來，海上事故頻發，為了保障海上人命與財產安全，世界各國都在積極研發一種能夠快速對出事海域內的落水人員精準定位的一種系統，而且要滿足易攜帶、穩定性高、主動式定位等特點。在實際的海上航行中，由于無法實現對每一位船員都配上衛星定位設備，所以為了實現能夠對船舶遇難時而落水的人員進行定位，本文提出了利用北斗導航系統和ZigBee網絡進行集成設計，構建了一個以北斗定位和ZigBee網絡為核心技術的落水人員定位搜救系統。

3.1 硬件組成

對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。北斗導航系統可以提供位置信息，卻沒有信息傳遞能力，而ZigBee網絡就為這種信息組織提供了一種簡便的方式。落水人員搜救系統由北斗定位模塊、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

當人員落水，救生衣上的ZigBee應用模塊就會被喚醒，當配備上述設備的搜救船開進出事海域時，搜救船和落水人員各自的ZigBee節點自組成網，搜救船的位置由北斗定位模塊輸出，利用ZigBee組網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，進而展開快速救援工作，而且搜救船還可以通過單片機作為控制核心把組網區域內所有落水人員的位置信息處理編碼通過短報文通信發送給地面控制中心，利于地面人員指揮調度，從而完成搜救任務。

4 總結

對于我國目前海上搜救領域來說，一些現有的救生設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間?；诒倍穼Ш较到y和ZigBee技術的搜救系統在一定程度上改善了這一缺點。隨著北斗導航衛星系統和ZigBee技術的不斷發展，定位精度、通信質量和通信距離將進一步提高，海上搜救成功率也將越來越高。

【參考文獻】

[1]王艷軍，王曉峰.AIS和北斗終端組合在船舶動態監控中的應用[J].上海海事大學學報，2011，32（4）.

[2]孫強，洪劍，顧海超.基于北斗的船舶應急搜救系統設計[J].數字通信世界，2014（12）.

[3]高婷，陳洪武，張帥.基于北斗定位的落水人員報警終端的設計[J].計算機工程與設計，2013，34（10）.

[4]于飛，張鵬，賀瑞.漁業執法系統中長距離zigbee設計與實現[J].電子測量技術，2015，38（8）.

[5]黃曉霞.無線傳感器網絡與外網通信的研究[J].電子測量技術，2006，29（6）.

[6]谷溪，李軍.船舶自動識別系統（AIS）的研究和應用[J].南通航運職業技術學院學報，2003，2（1）.

[7]沙琨，謝泰，胡曉媛.基于北斗和ZigBee的海上傷員定位系統研究[J].醫療衛生裝備，2013，34（10）.

[8]仝潔.基于北斗的船舶遇險應急報警終端的研究與開發[D].上海：集美大學，2014.

[責任編輯：王楠]