海上應(yīng)急定位呼救智能裝置設(shè)計

（無錫市電子儀表工業(yè)有限公司，江蘇 無錫 214000）

0 引 言

隨著世界經(jīng)濟(jì)一體化和信息全球化進(jìn)程的加快，國際航運(yùn)事業(yè)得到了飛速發(fā)展。海洋經(jīng)濟(jì)已成為國民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，我國沿海省市把海洋經(jīng)濟(jì)作為新的戰(zhàn)略重點(diǎn)。然而，伴生而來的是海上和水上險情和事故多發(fā)，海難事故發(fā)生概率的不斷增加。由于海上事故的突發(fā)性，人員落水后受風(fēng)向、海流、海潮等因素影響，位置隨海浪不斷移動呈動態(tài)分布，且漂流方向無任何規(guī)律可循，同時海難事故大多在惡劣氣象時突發(fā)，夜間能見度更差，搜尋更為困難。因此，海上應(yīng)急救援過程中如何及時、準(zhǔn)確、持續(xù)地將落水人員的位置發(fā)送給救援人員就成為決定海上應(yīng)急救援成功的首要條件。

本設(shè)計旨在面向廣大海洋用戶，解決公務(wù)船、中小型船舶、涉海個體、海上軍隊(duì)在海難發(fā)生時應(yīng)急響應(yīng)速度慢、搜尋效率低、定位精度差、通信困難等問題，提高海上應(yīng)急搜救效率。該設(shè)計實(shí)現(xiàn)“芯片-算法-終端”的完全國產(chǎn)化，使得產(chǎn)品能夠軍民兩用，降低在海難中的生命財產(chǎn)損失。

1 海上應(yīng)急定位呼救裝置設(shè)計

本文研究的海上應(yīng)急定位呼救智能裝置內(nèi)置在救生衣肩膀位置處。當(dāng)穿戴者遇險落水后，該裝置個人終端能夠智能感知到人員落水，第一時間向搜救中心發(fā)送求救信號和位置信息，以便搜救中心在最短時間內(nèi)獲知使用者處于落水狀態(tài)，并及時進(jìn)行救援。海上應(yīng)急定位呼救智能終端在觸發(fā)緊急報警或落水報警后，周期性地向搜救中心返回落水人員的位置信息，引導(dǎo)搜救船及時、準(zhǔn)確地實(shí)施救援。實(shí)現(xiàn)在數(shù)分鐘內(nèi)將報警信息（包括落水人員位置、水流方向、人員信息等內(nèi)容）上傳到后臺服務(wù)器中，為營救組織第一時間組建救援力量并準(zhǔn)確獲知營救方向提供了有力的支持。

項(xiàng)目產(chǎn)品整體框圖如圖1所示。設(shè)計中，使用北斗1代模塊進(jìn)行短報文發(fā)送服務(wù)，北斗2代模塊高精度定位能力，設(shè)計RNSS多模多頻段射頻芯片，確保穩(wěn)定可靠的接收衛(wèi)星信號，即使在接受環(huán)境十分不利的情況下也能保證導(dǎo)航定位的連續(xù)性、可用性和完善性。產(chǎn)品設(shè)計了LoRa組網(wǎng)算法降低區(qū)域內(nèi)落水人員發(fā)送短報文頻率技術(shù)，實(shí)現(xiàn)單終端低頻率、區(qū)域內(nèi)高頻率發(fā)送應(yīng)急呼救信息，72 小時黃金救援時間內(nèi)不間斷。作為海上應(yīng)急定位呼救智能裝置，本產(chǎn)品還設(shè)計了落水智能感知，一鍵呼救等功能，通過多智能體數(shù)據(jù)協(xié)同技術(shù)，使得設(shè)備100%報警成功。本產(chǎn)品根據(jù)在海洋個人應(yīng)急時的使用特點(diǎn)，使用了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的高效防水技術(shù)和小型化輕量化技術(shù)，防水等級達(dá)到IP68最高等級。

圖1 項(xiàng)目產(chǎn)品整體框圖

本文通過LoRa組網(wǎng)算法、低電壓設(shè)計、電源管理設(shè)計、深度睡眠設(shè)計來實(shí)現(xiàn)裝置的低功耗。應(yīng)急呼救智能裝置的一個最為關(guān)鍵的性能指標(biāo)是持續(xù)有效運(yùn)行時間。從事故發(fā)生到人員調(diào)配，準(zhǔn)確定位實(shí)施救援需要有一個過程，終端能夠長時間持續(xù)為搜救中心持續(xù)提供落水人員的位置信息，為高效營救提供切實(shí)可靠的信息保障。作為一款遇險人員可方便穿戴的呼救終端，需要小型化輕型化，所以內(nèi)置電池不宜過大。然而要確保黃金救援72小時的持續(xù)發(fā)送定位信息就對整個裝置提出了低功耗的要求。目前降低終端功耗的措施主要集中在降低基帶芯片、射頻模塊、晶振等單個部件的功耗上。

（1）LoRa組網(wǎng)算法的研發(fā)。對北斗呼救進(jìn)行降頻，實(shí)現(xiàn)單終端低頻率發(fā)送，區(qū)域內(nèi)高頻率發(fā)送報警信息。為了合理節(jié)約設(shè)備電量，裝置引入LoRa組網(wǎng)機(jī)制，在硬件上增加LoRa無線設(shè)備，從軟件算法上進(jìn)行優(yōu)化發(fā)送頻率。深入研究通過區(qū)域內(nèi)通過LoRa組網(wǎng)算法對北斗1代發(fā)送裝置進(jìn)行降頻，區(qū)域范圍內(nèi)只發(fā)送一次呼救信息，節(jié)約因發(fā)送短報文產(chǎn)生的電量損耗。每個設(shè)備啟動后，與周邊區(qū)域通信范圍內(nèi)設(shè)備通過LoRa組網(wǎng)，并推舉一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送北斗短報文數(shù)據(jù)幀，而其他節(jié)點(diǎn)則進(jìn)行休眠以節(jié)約電量。發(fā)送報文的節(jié)點(diǎn)推舉方式采用隨機(jī)數(shù)和隊(duì)列剔除的方式，每個節(jié)點(diǎn)在自動發(fā)送時間間隔上隨機(jī)加入一個1～2 min的隨機(jī)數(shù)。先定時結(jié)束的節(jié)點(diǎn)先發(fā)送報文，并向周圍廣播已發(fā)送信息，其他節(jié)點(diǎn)收到這一信息則取消該次發(fā)送，并且該次發(fā)送的節(jié)點(diǎn)將被剔除出一輪的發(fā)送隊(duì)列，以免某一節(jié)點(diǎn)多次連續(xù)發(fā)送。最終實(shí)現(xiàn)單終端低頻發(fā)送求救信息，區(qū)域范圍內(nèi)高頻率發(fā)送呼救信息。

（2）智能裝置的低電壓設(shè)計。個人終端采用的芯片的核心電壓不超過1.8 V，部分I/O接口工作電壓不超過3.3 V。

（3）智能裝置的電源管理設(shè)計。對主要耗電電路北斗1代模塊的供電采用了專門的電源芯片，在需要發(fā)送信息之前打開北斗1代模塊供電電源，在完成發(fā)射之后立即關(guān)閉電源，將電路的待機(jī)功耗降到最低。

（4）智能裝置的深度睡眠設(shè)計。個人終端在觸發(fā)報警事件前，處于深度睡眠狀態(tài)，控制電路輸入時鐘關(guān)閉，整個終端進(jìn)入功耗極低的待機(jī)水面狀態(tài)，觸發(fā)報警事件之后，控制電路立即喚醒，進(jìn)行定位解算，并將告警信息和位置信息上報指揮機(jī)，之后終端再次進(jìn)入睡眠狀態(tài)，僅部分計時電路處于工作狀態(tài)，直到下一次警情上報時間間隙再次喚醒工作。

海上應(yīng)急定位呼救智能裝置采用分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計、機(jī)構(gòu)防水設(shè)計技術(shù)實(shí)現(xiàn)裝置的可靠性設(shè)計。在海上應(yīng)急過程中，裝置在水下的可靠性運(yùn)行是設(shè)計的重中之重，如何確保裝置的天線對準(zhǔn)北斗衛(wèi)星，有效發(fā)送警報信息是可靠性研究的一個重點(diǎn)。裝置在水下有效工作，整機(jī)防水性能要求實(shí)現(xiàn)最高的防水防塵等級IP68。智能裝置的分體式設(shè)計，整個裝置主要由通信機(jī)與電池盒兩個部分組成，整個模塊外形設(shè)計主題為槍械元素，具有很強(qiáng)視覺沖擊力。通信機(jī)帶有135°夾角，在使用過程中易于固定在人員肩膀位置并可以保證內(nèi)部天線正對準(zhǔn)北斗衛(wèi)星。單獨(dú)的電池盒設(shè)計可以保證整個模塊持續(xù)工作72小時。個人求救終端的殼體材料選用高強(qiáng)度、憎水性、耐腐蝕性塑料，整個模塊殼體基本厚度為3 mm，可以保證殼體具有高強(qiáng)度、耐摔性；在高鹽、高濕環(huán)境下長期使用不會產(chǎn)生變形、開裂等現(xiàn)象，即使受到擠壓、碰撞時也不易發(fā)生形變。產(chǎn)品外觀結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 產(chǎn)品外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計示例圖

2 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種海上應(yīng)急定位呼救智能裝置。海上應(yīng)急定位呼救智能裝置的設(shè)計研發(fā)能夠推動北斗在海上搜救領(lǐng)域的應(yīng)用，既符合國家發(fā)展北斗的戰(zhàn)略，也是響應(yīng)海上應(yīng)急搜救的實(shí)際需求。海上應(yīng)急定位呼救智能裝置的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)是海上遇險搜救手段和技術(shù)的一項(xiàng)重大突破，將在某種意義上極大改變目前拉網(wǎng)式搜救的傳統(tǒng)方法，提高搜救效率，減少國家的搜救損失，具有革命性意義。