一种基于北斗系统的落水求救终端的设计

李 和 汪淑贤

（1.桂林师范高等专科学校，广西 桂林541199；2.桂林电子科技大学信息科技学院，广西 桂林541004）

中国约有3×106km2的辽阔海域面积，近年来，随着我国经济的快速发展，对海洋资源的开发利用也不断增加，投入海洋矿产资源勘探与开发、海洋工程、渔业工程、海上空间资源等海上作业人员的也逐渐增多。与此同时，由于海洋环境恶劣多变，各种海上突发落水事件经常发生，严重威胁到各类海上作业人员的生命安全[1]。对于海上落水人员的救援，及时、准确地对其定位是搜救取得成功的关键。传统的技术手段主要依靠搜救人员的肉眼定位方式以及落水人员飘流预测模型、航线预测模型等方式对落水人员进行定位，这种救援方式的实时性和准确性都较低，不能在第一时间对遇险人员进行定位并开展救援。北斗卫星导航系统是我国自主研发的全球卫星导航系统，可在全球范围内为各类用户提供全天候的高精度定位、导航和授时服务，同时具备短报文通信的能力[2]。本文基于北斗卫星导航系统定位及短报文功能应用，设计一款小型落水求救终端设备。设备适合救生衣穿戴并具有跌落或遇水自启动的功能，当人员突发落水事故时，设备自动开机并把包含落水人员位置的求救信息发送至救援中心，从而进行精准快速的救援。

1 落水求救终端的总体结构

基于北斗系统的落水求救终端设备主要包括核心微处理器、北斗RNSS定位模块、北斗RDSS通信模块、落水监测模块、电源模块、OLED显示模块和触摸按键等，其终端总体结构如图1所示。

图1 基于北斗系统的落水求救终端总体结构

为提高效率，当用户在非遇险情况下，终端处于休眠待机状态，并可通过OLED液晶显示屏查看用户当前的位置信息；当用户遇险求救时，终端设有人工一键呼救按键和落水自启动两种求救方式，当接收到一键呼救按键或落水监测模块启动命令后，终端将包含自身位置的求救信息以北斗短报文的形式发送出去，然后卫星将接收到的遇险求救信号转发到地面搜救中心，实现报警求救。

2 落水求救终端的硬件设计

2.1 北斗RNSS定位模块

北斗RNSS（Radio Navigation Satellite System）定位模块，是用来接收卫星无线电导航信号，自主完成最少与4颗卫星的距离测量，并进行用户位置、速度及航行参数的计算，实现用户位置、时间、速度等信息的获取。本次设计北斗定位模块采用的是和芯星通公司的UM220-IV模块，该模块支持BDSB1+GPSL1双系统联合定位或单系统独立定位，在双系统水平下定位精度能达到2.5 m CEP，测速精度为0.1 m/s，垂直定位精度为5 m CEP，跟踪灵敏度可达-161 dBm。UM220-IV模块输入/输出信号类型为LVTTL电平，与单片机配合使用无须进行电平转换。

2.2 终端主控处理器（MCU）

终端采用STC15F2K60S2单片机为主控处理器，控制北斗RNSS定位模块、落水检测模块、触摸按键一键呼救模块、北斗RDSS通信模块及电源模块、OLED显示模块等重要模块。单片机系统一方面对北斗RNSS定位模块送过来的卫星无线电导航信号进行读取、解析及综合处理后，确定用户的位置、时间等定位信息并在OLED液晶屏上显示出来；另一方面，当接收到一键呼救按键或落水监测模块启动命令后，单片机负责对包含自身位置的求救信息按照标准的北斗短报文格式进行封装和打包，并将打包和封装好的求救信息传送至北斗RDSS通信模块。

2.3 落水检测模块

本终端落水检测模块采用两种传感器的联合检测，即分别检测用户加速度和湿度，相对于各种单类型传感器检测，联合检测可有效地降低误报警率，从而实现精准快速的救援。

2.3.1 加速度传感器

人在正常活动时与落水过程中，有不同的加速度。人在静止不动时的总加速度约为1g（其中g为重力加速度取，值为9.8 m/s2）；人在正常行走时的总加速度则以1g为中心，在正负1g范围内波动；当人在跑步或在一定高度跌倒时，总加速度一般在4g以上。因此，通过设置总加速度的临界值可以判断海上人员是否落水，考虑到海上落水情况有一定的差异性，结合实验结果，本落水检测模块中总加速度的临界值设置为大于3g时触发单片机启动发射程序报警。

落水检测模块中采用小巧轻薄的ADXL345加速度传感器，ADXL345是ADI公司推出的基于MEMS技术的3轴数字输出加速度传感器。其分辨率高达13位；灵敏度高达3.9 mg/LSB，能测量到最小1.0°的倾斜角度变化； 具有±2g、±4g、±8g、±16g可变的测量范围；具有40~145uA的超低功耗，待机模式只有0.1 uA；采用LGA封装，整个IC的尺寸只有3 mm×5 mm×1 mm；支持标准的I2C或SPI数字接口，自带32级FIFO存储，中断方式灵活并且内部有多种运动状态检测特性，包括非活动或活动检测、敲击检测或自由落体检测，可测量静态加速度、运动或冲击引起的动态加速度。

2.3.2 遇水检测传感器

当水上作业人员发生落水事故时，落水者配戴的求救终端势必会被水沾湿。基于此，研究人员考虑采用通过温湿度传感器检测终端湿度来判断人员是否落水，并配合加速度传感器的检测，来提高整个落水检测模块的准确性。本设计选用的是HDS10温湿度传感器，HDS10是正特性开关型元件，仅对高湿度敏感，对低湿度不敏感，其结露测试范围为94%~100%RH，供电电压为0.8 V；当湿度超过95%时，HDS10的输出电阻从100 kΩ迅速增大。当用户遇水时可以触发落水检测模块中的结露传感器HDS10，并利用LM393电压比较器电路，输出的开关量接至单片机启动北斗RDSS通信模块，以实现落水自动报警求救功能。可以通过设定不同湿度下，电压比较器输出电平的高低来触发报警。

2.4 北斗RDSS通信模块

北斗RDSS（Radio Determination Satellite Service）是另一种卫星无线电测定业务，其特点是在完成定位的同时，通过用户应答完成用户位置向外部系统的报告，这是北斗系统的重要特色，即北斗短报文服务功能。当单片机接收到一键呼救按键或落水监测模块启动命令后，北斗RDSS通信模块受单片机控制启动，并将接收到单片机送过来的打包和封装好的短报文用户求救信息进行扩频、低中频调制，然后转换成大功率射频信号传输到北斗卫星上去，再通过北斗卫星转发到地面救援中心，实现报警求救。本设计采用的是一款泰斗TD3201单模模块，其内部集成了北斗RDSS基带芯片TD1100A、RDSS射频收发芯片DT-A6、5W功放芯片LXK6618等电路，通过外接无源天线，即可实现北斗系统的短报文通信功能。

3 求救终端的软件设计

北斗RNSS定位信息格式采用的是NMEA-0183标准协议，通常情况下，我们关心的定位信息如经纬度、海拔、时间等数据均可以从“$XXRMC”帧中获得[3]。北斗短报文协议，简称“RDSS协议”，在2015年前后推出了易用完善的2.1协议。RDSS 2.1协议的语句是以美元符号$开始，以英文字符“，”和“*”作为分隔符，以回车换行符 作为结束。RDSS 2.1协议的收发信息指令一般使用混合编码模式和代码编码模式[4]。以混合编码模式为例，电文首字母固定为“A4”，按照先后顺序将每个字符转换成16进制数大写，如果16进制数不大于16，就在高位补0，英文用一个字节表示，汉字用两个字节表示，北斗系统全球短报文通信服务的单次通信能力为40汉字（560比特）。

该软件主要用C语言编写，当电源打开时，单片机对北斗RNSS定位模块信息进行读取、解析及综合处理后，得到用户的位置、时间等定位信息存入指定的寄存器，并驱动OLED显示模块把坐标信息显示出来；当接收到一键呼救按键或落水监测模块启动命令后，单片机发射程序启动，控制北斗RDSS通信模块以北斗短报文格式间隔30 s发射一次包含用户位置的求救信息。

4 结语

以上是基于北斗RNSS定位技术及RDSS短报文通信功能应用设计的一款落水求救终端设备。当用户在非遇险情况下，可通过OLED液晶显示屏查看当前的位置信息；当接收到一键呼救按键或落水检测模块启动命令后，终端将包含自身位置的求救信息以北斗短报文的形式发送出至搜救中心，得到精准快速的救援，从而有效保障各类水上作业人员的生命财产安全。