Science &Technology Vision 科技视界基于北斗和ZigBee 的海上搜救系统研究 姜景春
(上海海事大学商船学院，中国上海201306)
【摘要】为了对海上落水人员进行快速定位搜救，本文采用北斗与ZigBee 技术的集成，利用北斗精确定位，短报文通信和ZigBee 节点自组网通信的功能，使得搜救船快速得到落水人员的位置，进而开展搜救工作，加快了搜求效率，提高了遇险船员搜救成功率，对完善我国海上搜救系统提供了一种可行性方法。 【关键词】北斗卫星导航系统；ZigBee ；
通信；搜救0引言
随着航运业的不断发展，海上船舶通航密度的增加以及海上航行 环境的复杂多变，海上遇险事故呈逐年上升趋势。由于遇险船员与外
界通信的困难，其所在的位置不能立即确定，大大增加了搜救难度，影
响了搜救效率。
目前，北斗导航系统正在快速发展中，在船舶监控与救援方面得
到了广泛的应用。由于海上环境复杂多变，出事海域广泛，洋流运动以
及海浪、海水温度、海水微生物会对落水人员机体产生影响和损害。这
就要求搜救工作者需以最快速度对落水人员进行救助，从而对落水人
员的持续精确定位就成为关键。本文采用北斗与ZigBee 技术的集成，
通过把北斗定位的数据架设于ZigBee 网络之中，就可以让位置信息 传递起来。理论上只需两艘安装本文系统的搜救船就可以对出事海域
范围内的落水人员进行持续精确定位，这对我国海上搜救具有一定的
参考意义。
1系统简介
1.1北斗卫星导航系统
北斗卫星导航系统是我国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统。目前，该系统可在亚太地区全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具备短报文通信能力[1]。计划到2020年组成全球卫星导航系统，它将由5颗静止轨道卫星（GEO ）和30颗非静止轨道（中轨（MEO ）及倾斜地球同步圆轨道（IGSO ））卫星组成，能保证用户在其服务区内任何时间均
可收到4颗以上卫星的信号，并在全球范围内提供高精度的定位、导航和授时服务，兼具短报文通信能力。1.2ZigBee 技术
ZigBee 是一种新兴的低速率、
短距离、低功耗无线网络通信技术，主要用于近距离无线连接。可工作在2.4GHz （全球流行）、868MHz
（欧洲流行）和915MHz （美国流行）3个频段上，
分别具有最高250kbit/s 、20kbit/s 和40kbit/s 的传输速率，
每个网络节点间的通信距离可以从标准的75m 到通过功放扩展后的几百米甚至几千米。ZigBee 技术由
于其无线自组织、低复杂度、低功耗、低数据率、短时延、高安全、低成
电热炉
本等众多优势特点而备受关注，成为无线传感器网络、自动控制、远程
控制、嵌入式应用等领域的一大热点。
2船舶遇险报警系统
图1基于北斗的船舶应急搜救系统目前，北斗导航系统正在趋于成熟，预计到2020年左右，“北斗”
系统将实现全球导航定位服务，为全球客户提供一定精度的导航和定
位。在我国，拥有自主知识产权的北斗导航系统正被应用到越来越多
的领域当中。目前，在航海上，北斗卫星导航系统在海洋渔业安全生33ri
产、船舶精确定位、应急通信、数字化航标、船舶监控与搜救中实现大
量应用。本文提出的对落水人员搜救系统就是基于北斗导航系统开发
的，船舶应急搜救系统架构如图1所示。
2.1系统硬件组成
当船舶在航行中遇到危险时，需要把遇险信息发送给地面救援中
心，在这个信息发送的过程中，需要完成遇险报警、船舶定位、遇险信
息发送等功能。一方面可以利用AIS 输出遇险求救信息，但是在某些
复杂环境下或VHF 通信距离达不到的地方，就需要通过北斗短消息
向地面控制中心发送遇险求救信息，信息内容应包括遇险类型、遇险
位置、时间、船舶MMSI 号、船舶安全状态等。本文设计的船舶遇险报
警系统其硬件结构以STC12C5A60S2单片机为核心控件，其它由北斗定位模块、北斗短消息通信模块、AIS 、天线模块、电源与一键报警模块等组成，如图2所示：
图2船舶遇险报警系统框图其中单片机作为中心控制模块，采用宏晶科技的STC12C5A60S2
系列单片机作为报警终端的控制芯片。STC12C5A60S2是高速、低功
耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，其除了兼容8051单片机所有
功能之外，速度比之8051快8-12倍。该单片机是单时钟\机器周期，
含有4个16位定时器，两个通用全双工异步串行口（UART ），其RAM
数据存储器为1280字节。
当船舶遇险，报警开关触发，北斗RNSS 提供位置、时间、航行状态等信息，AIS 提供船舶动静态信息，这些报警信息通过串口被传输到单片机模块，再由单片机控制通过北斗短报文通信模块，把报警信息发送给地面控制中心，完成本船报警信息的发送。2.2短消息通信设计
当单片机与北斗短报文通信模块通过串口通信时，这就需要通信双方需要遵循通信协议。所以船舶报警信息通过北斗短报文发送出去之前，需要单片机对其进行处理编码，转化成北斗短信格式。北斗短报文发送信息协议如下：
$TXSQ ，长度，发送方地址，信息类型，接收方地址，电文长度，是否应答，电文内容，校验和，<OX-OD><OXOA>
其中，电文内容由用户自己定义，电文内容的字符与数字用ASC
Ⅱ码表示，
导热油配方汉字用GB2312码表示（2个字节表示1个汉字），电文内容的长度最长不超过200个字节。2.3单片机串口通信
单片机系统与北斗定位通信模块和AIS 之间都是通过串口通信
作者简介：姜景春（1992—），男，上海海事大学商船学院，研究生，
交通信息工程及控制专业。
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科技视界(上接第105页)谱区能够实时显示信号的ADC 速率、DDC 速率、解调速率、音频速率等监测数据。5）
解调频谱用户可通过“DEM BW ”下拉菜单设置解调带宽，在DDC 频谱和解调频谱中的灰区域均表示的是解调带宽。用户应使解调带宽尽可能窄的覆盖所接收信号的频谱，以获得最好信噪比。解调频谱也具有记录功能，但与DDC 频谱记录功能不同，此处记录的是解调后的音频信号，可同时对3个虚拟接收机的接收的信号分别记录。解调频谱区能够实时显示信号的ADC 电平、频偏、调幅度、总谐波失真等参数。6）
宽带频谱WR-G33DDC 型接收机作为中短波接收机，
监测频谱范围达到30MHz ，
但其具有高速模数转换器，频谱范围最大可达到近50MHz ，但接收机的灵敏度在达到45MHz 时会有所降低。宽带频谱中实时显示了带宽内所有信号的频谱，频谱中的灰区域表示的是DDC 带宽。2.2.2运行图配置
软件提供按运行图录音功能，此项功能对能够根据用户需求，通过设置频率、开始时间、结束时间、周期、解调模式、解调带宽、静噪等参数自动对指定的频率信号进行录音，方便后期分析。3WR-G33DDC 型接收机维护WR-G33DDC 型接收机使用中常见的故障有下几种：
3.1故障现象：
接收机软件运行正常，但没有节目声音处理方法：①查看解调频谱中是否有接收信号的电平，
如果没有，查看天线连接头是否可靠；②如果有，
查看软件中“Audio ”标签内的“Mute ”按钮是否按下，并检查音量是否调到中间位置；查看“Gain ”标
签内的“AGC ”是否启用，并调整到“中速”；关闭“Squelch （静噪）”标签内的“squelch ”功能。3.2故障现象：能听到节目声音，但声音失真处理方法：①确定“Gain ”标签内的“AGC ”启用，并调整到“中速”；②调整中“Audio ”标签内的“Gain ”参数值，如果值过大，会造成音频信号失真；③如果信号强度监测表显示“ADC CLP ”，应调整衰减器的衰减参数降低信号电平。
3d陶瓷打印3.3故障现象：能听到节目声音，但软件出现运行速度慢，界面波形显示不流畅的现象处理方法：CPU 负担过大，可通过以下措施降低CPU 使用率。①关闭其它不相关的运行程序。②在
“Option ”菜单中减小“Demodulator Filter Length ”
参数值。增加滤波器长度会改善接收机的选择性，但同时会占用更多的CPU 资源，应适当减小滤波器长度，使CPU 负载低于30%。③适当减小DDC 带宽。
3.4故障现象：
能听到节目声音，但噪音大处理方法：①关闭衰减器，关闭RF 滤波器或设置为自动状态；②检
查天线连接头是否紧固、天线线缆是否破损。如果断开天线接头，噪声
没有明显降低，可能是由于天线引入了周边环境噪声。应改进接收天
线，尽可能的远离计算机，最好架设室外天线。［责任编辑：王楠］的，当报警开关被触发后，单片机负责控制并接收北斗定位信息、船舶状态信息以AIS 传输的船舶动静态信息，完成对北斗定位信息和AIS 数据的读取、解析、处理、编码、打包、封装等；然后单片机控制北斗通信模块，把这些已经处理过的适合北斗终端短信格式的报警信息，以短信的方式发送到地面控制中心，完成船舶报警信息的传送。地面监控中心接收这些信息并按照传输协议进行解码，从中获取船舶位置、遇险类型等相关信息，海上搜救单位根据这些信息进行海上搜救分析评估后，及时采取相应措施进行救援。
3落水人员搜救
近年来，海上事故频发，为了保障海上人命与财产安全，世界各国都在积极研发一种能够快速对出事海域内的落水人员精准定位的一种系统，而且要满足易携带、稳定性高、主动式定位等特点。在实际的海上航行中，由于无法实现对每一位船员都配上卫星定位设备，所以为了实现能够对船舶遇难时而落水的人员进行定位，本文提出了利用北斗导航系统和ZigBee 网络进行集成设计，构建了一个以北斗定位和ZigBee 网络为核心技术的落水人员定位搜救系统。3.1硬件组成
对海上落水人员搜救来说，最主要的是求援人员知道落水者的位置。北斗导航系统可以提供位置信息，却没有信息传递能力，而ZigBee 网络就为这种信息组织提供了一种简便的方式。落水人员搜救系统由北斗定位模块、ZigBee 模块、
北斗通信模块、天线模块以及核心控制模块组成。系统硬件框图如图3所示：
图3落水人员搜救框图
卧式炭化炉
3.2落水人员定位
当人员落水，救生衣上的ZigBee 应用模块就会被唤醒，当配备上述设备的搜救船开进出事海域时，搜救船和落水人员各自的ZigBee 节点自组成网，搜救船的位置由北斗定位模块输出，利用ZigBee 组网之后它们之间互相通信的特性，通过定位算法，搜救船就可以得到落水人员自身的位置，进而展开快
速救援工作，而且搜救船还可以通过单片机作为控制核心把组网区域内所有落水人员的位置信息处理编码通过短报文通信发送给地面控制中心，利于地面人员指挥调度，从而完成搜救任务。
4总结
对于我国目前海上搜救领域来说，一些现有的救生设备有的不能靠知自身位置，有的使用起来受外界因素影响，容易影响宝贵的求援时间。基于北斗导航系统和ZigBee 技术的搜救系统在一定程度上改善了这一缺点。随着北斗导航卫星系统和ZigBee 技术的不断发展，定位精度、通信质量和通信距离将进一步提高，海上搜救成功率也将越来越高。
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［责任编辑：王楠］
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[责任编辑：杨玉洁]
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