人員落水定位裝置硬件設(shè)計(jì)方案與實(shí)現(xiàn)

1、人員落水定位裝置硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)- 設(shè)計(jì)論文人員落水定位裝置硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)何世華，昌攀，張琪，葛程，方志（武漢科技大學(xué)，湖北武漢430081 ）摘要：本文從海上救生的迫切性、重要性出發(fā)，應(yīng)用射頻技術(shù)、GPS 技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)研制出了一種基于GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)研發(fā)的海上救生示位裝置，實(shí)現(xiàn)了落水人員漂移軌跡實(shí)時(shí)跟蹤等功能，解決了一直困擾著我國(guó)海上搜救“聽不見落水人員報(bào)警”和“找不到落水人員位置”的難題。關(guān)鍵詞：GPS；海上搜救；實(shí)時(shí)跟蹤中圖分類號(hào)：V244.21+5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324 （2014 ）49-0075-02人類步入海洋世紀(jì)后，隨著世界經(jīng)濟(jì)一體化和信息全球化進(jìn)程

2、的加快，國(guó)際航運(yùn)事業(yè)得到飛速的發(fā)展，海洋經(jīng)濟(jì)已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，我國(guó)沿海省市都把海洋經(jīng)濟(jì)作為新的戰(zhàn)略重點(diǎn)。然而，伴隨而來的是海上和水上險(xiǎn)情和事故的多發(fā)，海難事故發(fā)生概率也在不斷增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年約有10 萬人在海難事故中喪生。 2011 年，中國(guó)海上搜救中心共接報(bào)、 處置水上險(xiǎn)情2177 起，組織、協(xié)調(diào)船艇8600 艘次、飛機(jī) 402 架次參加海上搜救行動(dòng)，成功搜救海上遇險(xiǎn)船舶1721 艘、人員 18712 人，搜救成功率達(dá)96.7% 。海上救生的成功與否不僅直接關(guān)系到無數(shù)個(gè)家庭的幸福，而且關(guān)系到軍隊(duì)的戰(zhàn)斗力， 甚至?xí)绊懳覈?guó)的國(guó)際形象和國(guó)家海上安全環(huán)境。一、海上救生的難點(diǎn)由

3、于海上事故的突發(fā)性，海上救生存在其獨(dú)有的難點(diǎn)。首先，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(dòng)呈動(dòng)態(tài)分布，且漂流方向無任何規(guī)律可循。其次，由于船只可能要在夜間、大霧等情況下航行，當(dāng)船員落水時(shí)，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(dòng)，即便出動(dòng)也無法迅速、準(zhǔn)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(shí)，人僅能存活15 分鐘；水溫 5 時(shí)，人能存活1 小時(shí)左右。同時(shí)，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(shù)的落水

4、人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.系統(tǒng)及模塊的主要功能。 基于射頻與 GPS 技術(shù)的落水人員定位系統(tǒng)整體上包括用戶終端、 基站、控制臺(tái)三部分組成。 終端主要完成對(duì)佩戴者當(dāng)前安全狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和船員位置信息的獲取和傳輸?；矩?fù)責(zé)對(duì)用戶終端進(jìn)行尋呼，并接收終端傳來的位置信息。同時(shí)，利用基站部分的GPS 模塊，對(duì)基站當(dāng)前信息進(jìn)行實(shí)時(shí)更新并發(fā)送給控制臺(tái)。 當(dāng)基站把基站坐標(biāo)信息和落水人員的坐標(biāo)信息發(fā)到控制臺(tái)后，電子海圖系統(tǒng)軟件將顯示落水人員的識(shí)別號(hào)和狀態(tài)，當(dāng)有事故發(fā)生時(shí)，顯示事故發(fā)生時(shí)的船速、 人員落水時(shí)間長(zhǎng)短、 人員落水點(diǎn)的方位和距離以及本船的運(yùn)動(dòng)軌跡描，以輔助搜救。系統(tǒng)工作流程圖如圖1 所示。2.系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)。用戶終

5、端設(shè)計(jì)。用戶終端主要由GPS 模塊、射頻模塊、控制模塊組成，結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。當(dāng)船員在工作時(shí)，終端的GPS 模塊會(huì)實(shí)時(shí)的獲取當(dāng)前船員的位置坐標(biāo)，并將位置坐標(biāo)通過串口傳送給STM8 單片機(jī)，單片機(jī)接收到GPS 傳來的信息后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，得到所需的信息，并加上相應(yīng)終端的 ID 號(hào)。當(dāng)基站向終端發(fā)出索要船員信息的信息號(hào)時(shí)，終端將與基站建立連接。終端通過nRF224L01 無線收發(fā)模塊接收基站發(fā)來的數(shù)據(jù)，并將自身的 ID 號(hào)與基站要求的 ID 進(jìn)行匹配，如果匹配成功，那么終端將解析好的數(shù)據(jù)包發(fā)送給基站，否則不發(fā)出?；驹O(shè)計(jì)?；驹诖^和船尾各有一個(gè)，兩個(gè)基站能夠同時(shí)接收射頻模塊發(fā)出的數(shù)據(jù)，其構(gòu)造

6、完全相同?；久扛?S 按順序?qū)ず舾鱾€(gè)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(fā)來的信息。由于基站距離控制臺(tái)較遠(yuǎn)，所以STM8 單片機(jī)首先通過 max485 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸， 然后用 485 轉(zhuǎn) 232 模塊將數(shù)據(jù)送入控制臺(tái)主機(jī)?；窘M成框圖如圖3 所示。三、客戶端與基站通訊協(xié)議的設(shè)計(jì)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(xié)議至關(guān)重要。本系統(tǒng)中，協(xié)議工作方式如圖4 所示。整個(gè)裝置工作時(shí)，終端一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，當(dāng)收到基站發(fā)送來的ID 信息時(shí)，終端將自動(dòng)檢測(cè)是否與自身的ID 匹配，如果匹配，則將船員的位置信息發(fā)送給

7、基站，否則一直處于監(jiān)聽狀態(tài)。用戶終端觸發(fā)器是系統(tǒng)最重要的部分，作為手持設(shè)備，應(yīng)做到體量輕、易攜帶、低成本、低功耗等。另外，由于海洋環(huán)境和船舶材質(zhì)的特殊性，通信質(zhì)量不如地面， 因此，選擇器件和電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以保證通信質(zhì)量為前提，減少誤報(bào)警的發(fā)生。四、系統(tǒng)優(yōu)化對(duì)于射頻通信距離的提高在本裝置中至關(guān)重要，當(dāng)船員落水時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)，如果射頻模塊通信距離太近， 則可能發(fā)生船員落水了但是無法獲得船員狀態(tài)信息的情況。本系統(tǒng)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(huán)境很適合在船舶中工作。通過多次測(cè)量，射頻的通信距離最遠(yuǎn)達(dá)1000m 。參考文獻(xiàn)：1 李航，陳后金 .物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用前景 J. 中國(guó)科技論壇，2011 ，（001 ）： 81-85.2 王暖堂，賈向斌，薛進(jìn)慶 .GPS 相對(duì)定位原理探討 J.中國(guó)科技博覽，2012 ，（9 ）： 126-1