AIS与ZigBee融合的水上救援系统设计与实现

［李博雅　刘恒］



AIS与ZigBee融合的水上救援系统设计与实现

［李博雅刘恒］

摘要随着水上交通情况愈发复杂，有效可靠的救援通信系统变得必不可少；本系统采用AIS与ZigBee双网融合通信的方式，设计实现以网内从节点为个人携带的救援终端，主节点完成与AIS救援中心信息交互的救援通信系统，并制作从节点与主节点的样板实物在水上真实环境下测试其在救援方面的应用。结果表明：该救援系统能够有效可靠的完成水上救援工作，并且相比于传统AIS个人救援终端，其采用ZigBee从节点代替，极大地降低了功耗和体积，为后续救援工作争取更多的时间并且增加了个人救援终端的可携带性。

关键词：AIS ZigBee 融合 水上救援系统

李博雅

重庆邮电大学，重庆市移动通信技术重点实验室。

刘恒

重庆邮电大学，重庆市移动通信技术重点实验室。

引言

随着水上运输业、旅游业、捕捞业等行业的发展，使得水上交通变得越来越复杂，搁浅、碰撞、沉船等水上事故愈加频繁，尤其是去年的“东方之星”沉船事件更是造成了大量的人员伤亡和经济损失；近几年兴起的 AIS （Automatic Identification System）技术在水上救援工作中发挥着非常关键的作用，但传统的AIS设备多是船载设备，且现有的针对个人携带的AIS设备也由于功耗高、体积大而缺乏实用性。因此设计实现适用于个人携带的AIS救救终端对于保障水上作业人员及游客的生命安全具有非常重要和长远的意义。

本文将AIS技术与近年来工业应用较为成熟的ZigBee技术进行融合组网，设计实现以网内从节点为个人携带的救援终端，主节点接收处理求救信号并完成与周边AIS接收中心通信的救援通信系统；该系统内从节点仅由GPS模块与ZigBee模块组成，具有体积小、功耗低、便于携带的优点；主节点由ZigBee模块、AIS基带处理模块及发射电路组成，具有通信距离远、成本低可大量分布的优点，保证了救援系统的可靠性。

1　系统方案设计

水上救援系统包括3个部分：个人救援终端、AIS中心节点及AIS救援接收中心；其中个人救援终端用于发送求救信号和位置信息至区域内AIS中心节点；AIS中心节点用于接收求救信号和位置信息并将其完成AIS消息编码发送至AIS网络；AIS救援中心用于接收AIS网络内的求救信号，并根据位置信息展开救援工作，系统整体框架图如图1所示。

图1　系统整体框图

1.1AIS中心节点架构

AIS中心节点包括ZigBee模块、基带处理模块及发射通路，其硬件架构如图2所示。其中ZigBee模块用于接收ZigBee网内个人救援终端的求救信号和位置信息，充当协调器即中心节点的作用；基带处理模块主要由CPU模块、调制编码模块和D/A模块组成，完成AIS消息编码及GMSK调制，发射通路由VCO调制电路、放大滤波模块及VHF天线组成。

图2　AIS中心节点硬件架构

1.2个人救援终端架构

个人救援终端包括GPS模块、ZigBee模块及电源模块组成，其硬件架构如图3所示。

当落水人员开启个人救援终端电源后GPS模块完成定位，将求救信号和自身位置信息通过ZigBee模块发送至ZigBee网内邻近的AIS中心节点，通过中心节点的AIS消息编码及GMSK调制最终发送至AIS救援中心，实现系统水上救援的目的，保障水上作业人员及游客的生命安全。

传统的AIS救援设备采用将落水者的位置信息直接发送至AIS救援接收中心，但这样AIS救援设备就需要较高的发射功率、较多的电路模块，同时由于救援设备需要实时发送位置信息，高功耗下的AIS救援设备一直保持工作状态导致电池不足以维持较长时间，不利于救援工作的展开；本文采用AIS与ZigBee双网融合的方案，系统内个人救援终端体积小、功耗低、便于携带，而AIS中心节点通信距离远、成本低可大量分布，在保证救援系统可靠性的同时，极大地提高了AIS个人救援终端的便携性和实用性。

图3　个人救援终端硬件架构

2　硬件设计与实现

2.1AIS中心节点电路设计

根据图2所示的AIS中心节点硬件架构，ZigBee模块选用TI公司的CC2530芯片作为微处理器和RF射频芯片，而CPU模块、调制编码模块和D/A模块的功能则均在STM32微处理器中完成，型号为STM32F103，该芯片将ZigBee模块接收的GPS信息解析出来构造AIS数据帧，之后进行HDLC编码、NRZI编码和高斯滤波器完成GMSK调制，最终通过内部两个DAC输出模拟调制信号对之后VCO载波模块进行调制。

VCO载波调制模块及放大模块是AIS中心节点电路设计的重点和难点；VCO电路的核心是振荡电路，本系统中AIS中心节点硬件板卡设计的振荡电路如图4所示，其中场效应管Q1的直流偏置电压受STM32串口控制，变容二极管D1、D2与D3用以调整回路总电容与电压u之间的特性。考虑到回路的Q值大时，相频特性斜率大，相位就越稳定，根据相位与频率之间的关系，所以频率也就越稳定，故选取的电感为线艺公司的22nH的高Q值电感。

晶体管的ft高可以保证在工作频率范围内具有较高的跨导，ft＞（3− 10）fmax（本研究中为fmax为324.05MHz）时，VCO易于起振，而且ft越高，MOS管内部的相移越小，故选取的场效应管Q1为UTC公司的2SK508。电源电压的波动，也会降低VCO的频率稳定度，为了减少其影响，使用专门的稳压芯片及三极管开关电路对VCO进行供电，并且供电受STM32的控制。

图4　VCO振荡电路

AIS中心节点硬件板卡设计的功放PA模块电路如图5所示。

图5　功放PA模块电路

功率放大器选用 RFMD 公司的 RF5110G芯片，RF5110G 是一款高功率，高增益，高效率的功率放大器，无线应用的频段从 150MHz 到 960MHz，并且可以工作在低功耗模式下，而AIS中心节点的发射频点为161.975MHz、162.025MHz，符合该功放芯片的频段范围。

从图中可知，VCCPA为供电电压，VAPC1、VAPC2为功率增益控制电压，RF5110G 内部存在电压增益控制，可以通过改变 VAPC 的电压值控制 PA 的输出功率，参考 RF5110G 数据手册的建议，在开环模式下，VAPC 的电压值应设置大于 2V 用以确保较好的输出功率，本系统VAPC电压为2.6V，输出功率可达33dBm。

在RF5110G各工作电压设定好之后，其输入输出是否50欧阻抗匹配也是决定其能否正常工作的关键因素，该芯片输入端RFIN已经在芯片内部完成了50欧阻抗匹配，而输出匹配则需要用户设计相关电路调试完成，本系统硬件设计中源阻抗与负载阻抗的匹配，是通过一个π形匹配网络来实现的，具体电路如图6所示。

图6　π形匹配网络电路图

用ADS仿真软件对此匹配网络进行 S 参数仿真并观察其传输特性，得到图 7所示结果，仿真结果显示该匹配网络在频率 162MHz 时S11回波损耗参数值较小，信号反射较小；S21插入损耗较大，即信号正向传输较好，仿真证明本系统AIS中心节点硬件板卡所设计的功放输出阻抗匹配网络在输出频点上通过性良好，信号基本不产生反射。

图7　匹配网络S参数仿真

2.2个人救援终端电路设计

根据图3所示的个人救援终端硬件架构，该模块硬件电路的设计重点在于GPS模块与ZigBee模块的接口连接，本系统设计的具体电路如图8所示。

图8　个人救援终端接口电路

从图8可知，GPS模块GT-1612的TXD、RXD引脚分别与ZigBee模块芯片CC2530的UART1_RX （PIN15）、UART1_TX（PIN14）相连，完成定位信息的交互，最后通过RF_N、RF_P引脚经发射电路将位置信息发送至整个救援系统的ZigBee网络内。

3　测试与结论

测试平台选用实验室设计实现的水上救援系统硬件平台，包括个人救援终端硬件板、AIS中心节点硬件板和成都天奥公司生产的型号为SPAT-1000B-II的B类AIS船舶自动识别系统接收设备，如图9所示。

图9　水上救援系统硬件平台

3.1测试内容及方法

测试内容分为两个步骤：个人救援终端与AIS中心节点间的通信、AIS中心节点与AIS接收设备间的通信。

本次测试时间为2015年10月30 日，测试地点选择在重庆长江朝天门至洋人街水段，测试方法为：

①先将接收机设备固定在岸边空旷位置较高处；

②将AIS中心节点设备固定在一岸边开阔位置，然后在测试水域移动个人救援终端设备，查看个人救援终端在各个测试点与AIS中心节点的通信情况并同时启动AIS中心节点，查看最终在各个测试点与接收机的通信情况；

③移动AIS中心节点至另一个岸边位置，继续在之前的个人救援终端测试点上测试与岸上中心节点的通信情况及最终与接收机的通信情况，具体测试位置如图10所示，测试结果如表1及图11所示。

图10　系统各测试点位置

表1　系统测试结果

图11　个人救援终端通信测试

由于当天在测试水域内存在较多其他AIS设备，只能通过精确查找本AIS中心节点的MMSI号来确认是否完成接收，同时由于测试点较多，论文篇幅所限，此处只列举在个人救援终端 、AIS中心节点位置一处的测试结果如图11所示，图中左上角经纬度显示个人救援终端的GPS位置，同时5.16nm（海里）为个人救援终端 处与接收机的距离。

3.2结论

由表1可知：在个人救援终端2处，AIS中心节点在位置一和二上接收次数均为0，原因是个人救援终端位置2位于朝天门大桥正下方，桥墩及过往船只的遮挡影响了通信信号；

①在个人救援终端5与AIS中心节点一、个人救援终端4与AIS中心节点二之间的通信过程中，接收情况较为良好，原因是组内两位置间距离近，基本无遮挡；

②在AIS中心节点与接收机的通信过程中，AIS中心节点一处的接收情况明显优于AIS中心节点二处，原因也很可能是朝天门大桥及过往船只的遮挡情况。

通过以上对测试结果的分析可知，本文设计实现的AIS与ZigBee融合的水上救援系统在宽阔无遮挡的近海水域及内河航段，具有较好的通信互连情况，能够有效保障落水者的生命安全，在水上救援工作中，该系统具有一定的实用价值。

4　结束语

本文通过对水上落水者救援通信设备的研究，提出了一种AIS与ZigBee双网融合通信的水上救援系统方案，系统内从节点体积小、功耗低、便于携带；而主节点又具有通信距离远、成本低可大量分布优点，克服了传统水上个人救援设备体积大、功耗高的缺点，之后本文又完成了系统内个人救援终端及AIS中心节点的硬件设计实现，通过在实际应用环境下测试，验证了AIS与ZigBee融合通信水上救援系统方案的可行性，具有一定的工程应用价值，并且现已成功用于实际项目。

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简讯

DOI：10.3969/j.issn.1006-6403.2016.04.012

收稿日期：（2016-03-22）