基于北斗和ZigBee的海上搜救系统研究

姜景春

【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。

1.2 ZigBee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

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：

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，

其中，电文内容由用户自己定义，电文内容的字符与数字用ASCⅡ码表示，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。

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。

【参考文献】

[1]王艳军，王晓峰.AIS和北斗终端组合在船舶动态监控中的应用[J].上海海事大学学报，2011，32（4）.

[2]孙强，洪剑，顾海超.基于北斗的船舶应急搜救系统设计[J].数字通信世界，2014（12）.

[3]高婷，陈洪武，张帅.基于北斗定位的落水人员报警终端的设计[J].计算机工程与设计，2013，34（10）.

[4]于飞，张鹏，贺瑞.渔业执法系统中长距离zigbee设计与实现[J].电子测量技术，2015，38（8）.

[5]黄晓霞.无线传感器网络与外网通信的研究[J].电子测量技术，2006，29（6）.

[6]谷溪，李军.船舶自动识别系统（AIS）的研究和应用[J].南通航运职业技术学院学报，2003，2（1）.

[7]沙琨，谢泰，胡晓媛.基于北斗和ZigBee的海上伤员定位系统研究[J].医疗卫生装备，2013，34（10）.

[8]仝洁.基于北斗的船舶遇险应急报警终端的研究与开发[D].上海：集美大学，2014.

[责任编辑：王楠]