基于LoRa的海上航行安全及應急救援系統設計

曾鳳 肖天庭 任建新 趙仁港 王才才 周維康 王偉

摘要：針對海上未配備AIS的小型船舶存在航行安全等問題，設計一種基于LoRa的海上航行安全及應急救援系統。該系統利用LoRa技術在大船一小船間進行AIS數據流的遠距離傳輸，并通過設計AIS解析算法實時提取船舶的動靜態信息，結合船舶的GPS信息和姿態傳感信息，可在手機終端APP里實時顯示未配備AIS的小型船舶信息，有效實現海上航行安全及應急救援。測試結果表明，該系統的有效通信距離可以滿足安全航行需求。且與傳統的互聯網裝置及手持式AIS設備相比，該系統突破了距離覆蓋和電能消耗的制約，具有廣泛的應用前景。

關鍵詞：航行安全;應急救援;LoRa技術;AIS解析;遠距離傳輸;系統測試

中圖分類號：TN965-34;TP301.6

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X（ 2019）24-0121-04

0 引言

隨著航運業的快速發展，不斷增長的船舶數量和交通密度已嚴重影響水域的交通安全[1-3]。船舶自動識別系統（ Automatic Identification System，AIS）可以有效實現船與船、船與岸之間的實時數據交換及目標信息識別，為海上航行安全及應急救援提供了重要保障[4-6]。

然而，現有的船載AIS設備只在滿足條件的大型船舶上安裝，在沿海數量眾多的小型漁船上并沒有得到普及，這給海上航行安全帶來了很大隱患[4]。目前針對未配備AIS的小型船舶航行安全及應急救援主要是利用互聯網裝置[8]及手持式AIS設備[9]等，但這兩種方式都存在明顯不足。

利用互聯網及定位裝置只能覆蓋近海岸10 km范圍以內船舶，不能滿足大多海上作業場景的遠距離航行需求。同時，由于海上無線通信技術更新不足，通信可靠性受海洋環境影響較大，基于互聯網方式的穩定性也無法得到保證。手持式AIS設備只是對原有AIS的功能簡化，但其依然利用甚高頻天線通信，這就大大增加了電能損耗。而對海上航行來說，小型船舶的電子設備電源供電一直存在技術瓶頸。

本文針對上述問題，基于LoRa技術具有傳輸距離遠、消耗功耗低等顯著優勢[10-12]，提出利用LoRa模塊將發射端大船的AIS信息向附近海域廣播，周圍裝有LoRa接收模塊的小船對收到的AIS數據流進行解析，并結合自身的GPS信息可在手機終端APP里獲得目前的安全航行數據;同時，小船可利用LoRa模塊廣播通過姿態傳感器讀取的本船動靜態信息，為附近海域裝有LoRa模塊的大船或小船提供自身的航行數據，有效實現了海上雙向航行安全。經實驗驗證，本設計可行性高、電能損耗低、通信距離滿足安全航行需求，對海上碰撞事故的發生具有較好的預防作用。

1 系統硬件設計

本系統硬件分為發射端和接收端，兩部分之間通過LoRa模塊進行遠距離通信。

發射端與接收端均以STM32為主控芯片，同時配備藍牙與WiFi模塊，可以與智能終端進行連接。系統工作流程如下：單片機I通過串口讀取大船的AIS數據流，然后通過LoRa模塊I將讀取的AIS消息向附近海域廣播。其中：智能終端可通過藍牙模塊讀取小船返回的信息;周圍海域裝有LoRa模塊的小船可對大船發送的AIS數據流進行接收，并通過AIS解析軟件將AIS消息在單片機Ⅱ上進行解析，同時結合自身GPS模塊在智能終端上顯示周邊安全航行數據。姿態傳感器為了獲取小船向周邊船只廣播本船動靜態信息。

其中發射端和接收端的系統框圖分別如圖1、圖2所示。

2 系統軟件設計

2.1 單片機軟件設計

本系統以STM32F103作為主控芯片，用于控制各個外圍模塊，完成數據的獲取、處理及收發任務。單片機軟件主要包括AIS數據流的解析、姿態傳感器/GPS數據的獲取和處理、WiFi及LoRa數據的收發。其工作流程圖如圖3所示。

2.2 智能終端軟件設計

智能終端APP由Java語言編寫，提供電子海圖的顯示、周圍船只信息的顯示和查詢、船只相距過近的警報、緊急情況的發送以及聊天室等功能。其組成框圖如圖4所示。

其中，“緊急呼救”功能可在緊急情況下將本船的航行軌跡向附近船只廣播，同時允許手動廣播緊急信息，為海上航行安全及應急救援提供保障。其工作流程如圖5所示。

3 系統測試結果

3.1 實物圖

系統硬件和軟件的實物分別見圖6、圖7。其中，圖6連接AIS設備的部分是發射端，另一部分為應用端。

圖7給出了智能終端APP的實際界面。因為，智能終端APP作為收發信息的窗口，在整個系統中有著重要地位。良好的人機操作界面保障了該系統的簡單易用性，也方便了用戶能夠及時進行消息的傳遞。

3.2 功能驗證

本系統的一大關鍵技術就是解析AIS數據流并獲取自身及周邊船只信息，這也是整個系統實現的前提保證。針對AIS數據流解析這一環節進行了測試，以驗證系統功能的穩定性。圖8為AIS設備界面，實時顯示詳細的船只信息。圖9為本系統通過軟件解析出的結果，其顯示的經緯度、方位角、航速、航向等信息與AIS設備完全一致。

3.3 拉距測試

為了保障航行安全，還對系統的實際通信距離進行了測試，測試的路線圖和拉距結果分別如圖10、圖11所示。本文的測試選在復雜的城市環境（高樓林立、車流量大）下進行，每隔200 m記錄一次接收信號強度指示（ Received Signal Strength Indication，RSSI）數值。從測試結果可以看出，在距離發射端4.6 km的時候仍然可以獲得-85 dBm的信號強度值，可以有效保障系統的信令、文字、求救信號等信息安全、可靠地傳輸。相比于信道條件更好的海面（開闊、無遮擋），再通過架高天線等方式，其有效通信距離預計可達5.0-8.0 km，遠遠超過船舶海上安全航行距離需求[13-14]。

4 結語

本文設計了一種基于LoRa的海上航行安全及應急救援系統，針對大量未配備AIS的小型船舶航行安全得不到保障的情況，利用LoRa技術進行AIS數據流的遠距離傳輸，通過對船舶的動靜態信息進行實時提取來獲得周邊安全航行數據。相比于傳統的方案，本文設計具有覆蓋廣、能耗小、成本低、易使用等優點，具有很高的實際應用價值。

注：本文通訊作者為王偉。

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作者簡介：曾鳳（1981-），女，四川廣安人，碩士，實驗師，主要研究方向為圖像處理、嵌入式系統設計。

王偉（1983-），男，江蘇泗洪人，博士，副教授，主要研究方向為無線通信、海域通信。