海上自救装置的设计

吴国望，侯 平，刘宏波，杨尧尧

（1.海军工程大学 电子工程学院，湖北 武汉 430033；2.国防信息学院 二系，湖北 武汉 430033；3.海军航空工程学院 山东 青岛264001）

海上自救装置的设计

吴国望1，侯 平2，刘宏波1，杨尧尧3

（1.海军工程大学 电子工程学院，湖北 武汉 430033；2.国防信息学院 二系，湖北 武汉 430033；3.海军航空工程学院 山东 青岛264001）

为了提高海上搜救的速度与效率，提出一种海上自救装置的设计。装置以MSP430F149微处理器为主控，结合卫星定位、低功耗、传感器等技术，实现自主定位、发送求救信息的功能。同时为了简化操作，装置具有遇水自启动的功能，在人员昏迷等情况下能自动工作，提高了遇难者生存概率。

海上救援；MSP430；北斗；低功耗

海上遇险事件基本上都是突发事件，由于受到海洋气候、出事地点至海岸的距离、环境等因素的影响，开展海上搜索救援工作面临巨大的挑战。海上搜救大体上沿着视觉搜索定位、无线电定位引导和基于卫星系统的海上搜救的方向发展。视觉搜索定位[1]是一种比较落后的方式，它主要依靠搜救船舶或飞机上的搜救人员进行肉眼查找。无线定位[2]多采用单工模式，不能实施和遇险人员建立通信，而且无线通信还受到多径干扰和衰落等影响，信息可靠性得不到保证。卫星系统是当下运用范围最广的一种方式，但是该方案实现复杂，相关救生系统要求人员具备一定技术。现在较为成熟的是全球卫星搜救系统（COAS-SARSAT）[3-4]，该系统是由美国、前苏联、法国和加拿大4个国家联合开发。我国现在有自主产权的北斗卫星系统，但没有与之对应的救生系统。本文提出了基于MSP430的海上自救装置的设计，装置用于遇难者求救，是救生系统用户端的重要组成部分。装置可以根据设定的模式，发送人员的位置信息，提高搜救效率。同时也可以由遇难者发送报文信息，方便遇难者与外界即使取得联系。

1 总体设计

装置由北斗模块、主控模块、遇水监测模块和显示按键模块组成。为了进一步提高效率，装置有主动被动两种启动方法。主动启动利用按键，人员通过按键发送指令。被动启动在人员落水后，遇水监测模块自动运行，启动整个装置。

当接收到按键过着遇水监测模块命令后，主控模块通过UART方式向北斗模块发送指令。北斗模块获取定位信息后，利用UART方式将定位信息会传到主控模块。主控模块也可以发送指令，利用北斗的通信功能向外界发送求救信号。显示按键模块用于对系统参数的设置，使用者可以根据需求发送报文信息，同时可以显示定位信息、系统电量等信息。总体设计框图如图1所示。

图1 总体设计框图

2 硬件平台设计

2.1 主控模块

海上搜救的黄金时间最长为72小时[5]，这对装置的续航性能提出了要求。一个低功耗的主控模块对提高装置整体功耗十分重要。设计中选取MSP430F149作为主控，尽可能地降低系统功耗，从而满足海上搜救的需求。

MSP430系列微处理器是TI（德州仪器）的一种混合信号处理器[6]，具有如下特点：1）极低功耗。该系列单片机的电源电压一般采用1.8～3.6 V低电压，在RAM数据保持方式是耗电约为0.1 μA。系统共有1种活动模式（AM）以及多达7种低功耗模式（LPM）。2）处理能力强大。MSP430系列单片机采用高效的精简指令集（RISC）结构，一个时钟周期可以执行一条指令[7]。3）外设资源丰富。内部集成看门狗（WDT）、16位定时器、ADC等丰富的外设供用户使用[8]。

2.2 遇水检测模块

在海上的遇难者往往会处于昏迷、受伤、和活动受限等情况，为了简化操作，及时发送遇难者位置信息，设计中包含遇水检测模块。该模块与水接触后自动唤醒装置，并且根据预先设置的指令，自动发出求救信息。因此，人员无法使用装置，自救装置也能及时启动，减少救援难度，增加生存概率。

遇水模块具体电路如图2。遇水时，触点A、B短接，两端电压变为下降，放大电路对电压信号适当放大送给微处理器自带的ADC单元。微处理器通过ADC对电压信号进行采集，电压达到预设值时，触发中断，整个装置自动运行。

为了提高测量压值的抗干扰能力，设计中采用了以下几种措施[9]：

1）电极 A和B到ADC频率转换电路的电缆长度应尽量短，同时电缆采用双绞屏蔽线来提高信号的抗干扰能力。

2）电路中选用的电阻电容等元器件，应选温度系数好金属膜精密电阻，电容应选温度特性好的陶瓷电容[10]抑制温度对测量精度的影响。

3）初始电压的抵消，采用实测电压和初始电压只差进行抵消。

4）根据多次试验结果选择合适的阈值电压。

图2 遇水监测模块原理图

2.3 北斗模块

海上通信可分常规通信和遇险与安全通信，搜救使用的主要是安全通信。海上搜救通信的基本功能是遇险报警、搜救协调和帮助定位。海洋通信与陆地通信有很大不同：

1）海洋地域辽阔，要求海上搜救通信具备跨地区和跨国家通信的能力；

2）海上航行的船舶是一个运动载体，海上又没有条件建立永久性通讯基站，因此，海上搜救通信只能采用无线的、移动的通讯方式；

3）海上通信条件恶劣，为了保证通信的可靠性，必须使用多种通讯方式和配备多种通信系统；

4）船舶遇险报警和搜救通常是一种紧急呼叫和一些简单语言命令传递。

现代海上通信常用有三种手段：甚高频（VHF）通信、中/高频（MF/HF）通信、卫星通信。由于海上环境的特殊性，要求通信手段可靠简单，并且传输距离远[11]。因此，装置定位和通信功能通过北斗卫星系统实现。

北斗卫星系统具有以下特点：

1）定位精度高。北斗三维定位可以精确到几十米，授时精度可以达到100ns。结合激光反射器，同时参照其他卫星，可以把定位位置精度确定在几个厘米之内[12]。

2）具有发送短信功能。GPS只能被动获得位置信息，发送定位信息仍然需要借助别的通信设备。北斗系统自身具有短信功能，便于求救者及时发送自身状态。

3）自主研发。北斗是我国自主研发，具有独立知识产权的卫星系统。特别是在战时，装置对战场伤员的救助和搜索可以发挥作用。

2.4 电源管理

随着时代的进步，人们对绿色、环保呼声越来越高，低功耗已成为现代电子系统的普遍追求。低功耗设计不仅可以提高产品的综合性能，而且可以提升产品的市场竞争力，具有重大的社会和经济效益。近些年一些世界性的仪器仪表展览会及各大公司竞相推出低功耗、微功耗以至零功耗产品，从这个现象上可以看出，低功耗设计在电子系统中运用已经成为电子产品设计的主潮流。

装置设计也采用了低功耗技术，为了提高装置续航能力，除了选取低功耗器件，设计中在电源管理中采用低功耗技术[13]。MSP430具有多种节能模式，同时结合深度睡眠技术，整个硬件平台功耗降低。低功耗设计具体采取如下措施：

1）各模块电源由MSP430进行控制，根据系统需要接通对应功能模块的电源，从而降低功耗。

2）充分利用MSP430提供的低功耗模式，当不进行数据处理、不需要管理北斗模块等工作时MSP430均处于LMP3模式下[14]。

这种高效的电源管理和深度睡眠技术设计[15]，使得设备仅需要进行定位和报警时进入工作状态，除此之外，设备均处于深度睡眠的待机状态。仅有遇水检测电路以及定时器等极少数部分电路处于活跃状态，终端每完成一次报警或者示位后，均进入睡眠状态。从而降低装置的待机功耗，有效延长了设备的续航时间。

3 软件系统流程

软件设计采用中断方式进行程序设计[16]。主程序完成相应的设置和初始化后，其他任务都由中断服务程序去完成[17]。装置共有两个状态：休眠状态和工作状态。软件流程如图3所示。

图3 系统软件流程图

开机以后，系统先进入休眠状态，在休眠状态，主控处LM3模式。此时，只有按键和遇水监测模块工作。当按键或者遇水监测模块触发中断时，装置进入工作状态。

在工作状态，装置实现定位与通信。触发中断以后，开始搜索卫星信号，信号强度达到要求时，可以获取位置信息，即定位成功。利用北斗卫星的通信功能，把获取的位置信息和预设的求救信息发送到指定终端，之后进入休眠状态，保证装置的续航能力。

4 结束语

海上自救装置通过北斗卫星实现自主定位，远距离海上通信等功能，提高了遇难者的生存概率。装置中包含遇水监测模块，实现自启动，简化操作，为海上搜救工作提供便利。由于实验条件有限，装置的实际表现，有待评估。

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Design of sea self-help device

WU Guo-wang1，HOU Ping2，LIU Hong-bo1，YANG Yao-yao3
（1.College of Electronic Engineering，Naval Univ.of Engineering，Wuhan 430033，China；2.Department Two，National Defense Information Institute，Wuhan 430033，China；3.Naval Aeronautical Engineering Institute，Qingdao 264001，China）

For the speed and efficiency of maritime search and rescue，a kind of marine rescue device is proposed.Device is based on MSP430F149 microprocessor，combined with the Beidou satellite，low power，sensors and other technologies to achieve positioning.It can send information and get position.In order to promote facilitate of victims，simplify operation，the device has the function of auto-start.Device can still work properly，in the case of personnel in a coma and so on.

salvage；MSP430；Beidou Satellite；low power consumption

TN8

：A

：1674－6236（2017）13-0156-03

2016-05-30稿件编号：201605294

吴国望（1993—），男，江苏海门人。研究方向：数学通信。