人员落水定位装置硬件设计与实现

何世华　昌攀　张琪　葛程　方志

摘要：本文从海上救生的迫切性、重要性出发，应用射频技术、GPS技术和单片机技术研制出了一种基于GPS卫星导航系统研发的海上救生示位装置，实现了落水人员漂移轨迹实时跟踪等功能，解决了一直困扰着我国海上搜救“听不见落水人员报警”和“找不到落水人员位置”的难题。

关键词：GPS；海上搜救；实时跟踪

中图分类号：V244.21+5 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）49-0075-02

人类步入海洋世纪后，随着世界经济一体化和信息全球化进程的加快，国际航运事业得到飞速的发展，海洋经济已经成为国民经济的重要组成部分，我国沿海省市都把海洋经济作为新的战略重点。然而，伴随而来的是海上和水上险情和事故的多发，海难事故发生概率也在不断增加。据统计，全世界每年约有10万人在海难事故中丧生。2011年，中国海上搜救中心共接报、处置水上险情2177起，组织、协调船艇8600艘次、飞机402架次参加海上搜救行动，成功搜救海上遇险船舶1721艘、人员18712人，搜救成功率达96.7%。海上救生的成功与否不仅直接关系到无数个家庭的幸福，而且关系到军队的战斗力，甚至会影响我国的国际形象和国家海上安全环境。

一、海上救生的难点

由于海上事故的突发性，海上救生存在其独有的难点。首先，人员落水后受风向、海流、海潮等因素影响，位置随海浪不断移动呈动态分布，且漂流方向无任何规律可循。其次，由于船只可能要在夜间、大雾等情况下航行，当船员落水时，很难用肉眼搜寻到落水人员。再次，受气象、海况等影响，普通搜救船只难于出动，即便出动也无法迅速、准确地找到落水人员的位置。最后，海上受多种因素影响，落水人员生存能力有限。在低温海水中浸泡易造成冻僵。如水温0℃时，人仅能存活15分钟；水温5℃时，人能存活1小时左右。同时，在海洋中极易受某些生物伤害，如鲨鱼、蛇、水母、章鱼、有毒鱼类等，造成落水人员伤亡。

二、基于射频与GPS技术的落水人员定位系统设计

1.系统及模块的主要功能。基于射频与GPS技术的落水人员定位系统整体上包括用户终端、基站、控制台三部分组成。终端主要完成对佩戴者当前安全状态的监测和船员位置信息的获取和传输。基站负责对用户终端进行寻呼，并接收终端传来的位置信息。同时，利用基站部分的GPS模块，对基站当前信息进行实时更新并发送给控制台。当基站把基站坐标信息和落水人员的坐标信息发到控制台后，电子海图系统软件将显示落水人员的识别号和状态，当有事故发生时，显示事故发生时的船速、人员落水时间长短、人员落水点的方位和距离以及本船的运动轨迹描，以辅助搜救。系统工作流程图如图1所示。

2.系统模块设计。①用户终端设计。用户终端主要由GPS模块、射频模块、控制模块组成，结构图如图2所示。当船员在工作时，终端的GPS模块会实时的获取当前船员的位置坐标，并将位置坐标通过串口传送给STM8单片机，单片机接收到GPS传来的信息后，对数据进行解析，得到所需的信息，并加上相应终端的ID号。当基站向终端发出索要船员信息的信息号时，终端将与基站建立连接。终端通过nRF224L01无线收发模块接收基站发来的数据，并将自身的ID号与基站要求的ID进行匹配，如果匹配成功，那么终端将解析好的数据包发送给基站，否则不发出。②基站设计。基站在船头和船尾各有一个，两个基站能够同时接收射频模块发出的数据，其构造完全相同。基站每隔5S按顺序寻呼各个终端，便于与终端建立连接，终端和基站建立连接后，基站通过无线接收模块接收终端发来的信息。由于基站距离控制台较远，所以STM8单片机首先通过max485实现数据的远距离传输，然后用485转232模块将数据送入控制台主机。基站组成框图如图3所示。

三、客户端与基站通讯协议的设计

基站与客户端通信采用的是基站寻呼客户端的方式，因此，客户端与基站之间的通信协议至关重要。本系统中，协议工作方式如图4所示。

整个装置工作时，终端一直处于监听状态，当收到基站发送来的ID信息时，终端将自动检测是否与自身的ID匹配，如果匹配，则将船员的位置信息发送给基站，否则一直处于监听状态。

用户终端触发器是系统最重要的部分，作为手持设备，应做到体量轻、易携带、低成本、低功耗等。另外，由于海洋环境和船舶材质的特殊性，通信质量不如地面，因此，选择器件和电路设计时应以保证通信质量为前提，减少误报警的发生。

四、系统优化

对于射频通信距离的提高在本装置中至关重要，当船员落水时间相对较长时，如果射频模块通信距离太近，则可能发生船员落水了但是无法获得船员状态信息的情况。本系统斯普莱WFS-5800SPL9栅格室外天线（如图5）为全向天线，工作带宽125MHz，频率范围5725～5850MHz，最大功率100W，工作温度-30℃～50℃，工作湿度10%～95%，天线的工作环境很适合在船舶中工作。通过多次测量，射频的通信距离最远达1000m。

参考文献：

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