［李博雅　劉恒］

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AIS與ZigBee融合的水上救援系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

［李博雅劉恒］

摘要隨著水上交通情況愈發(fā)復雜，有效可靠的救援通信系統(tǒng)變得必不可少；本系統(tǒng)采用AIS與ZigBee雙網(wǎng)融合通信的方式，設計實現(xiàn)以網(wǎng)內(nèi)從節(jié)點為個人攜帶的救援終端，主節(jié)點完成與AIS救援中心信息交互的救援通信系統(tǒng)，并制作從節(jié)點與主節(jié)點的樣板實物在水上真實環(huán)境下測試其在救援方面的應用。結(jié)果表明：該救援系統(tǒng)能夠有效可靠的完成水上救援工作，并且相比于傳統(tǒng)AIS個人救援終端，其采用ZigBee從節(jié)點代替，極大地降低了功耗和體積，為后續(xù)救援工作爭取更多的時間并且增加了個人救援終端的可攜帶性。

關(guān)鍵詞：AIS ZigBee 融合 水上救援系統(tǒng)

李博雅

重慶郵電大學，重慶市移動通信技術(shù)重點實驗室。

劉恒

重慶郵電大學，重慶市移動通信技術(shù)重點實驗室。

引言

隨著水上運輸業(yè)、旅游業(yè)、捕撈業(yè)等行業(yè)的發(fā)展，使得水上交通變得越來越復雜，擱淺、碰撞、沉船等水上事故愈加頻繁，尤其是去年的“東方之星”沉船事件更是造成了大量的人員傷亡和經(jīng)濟損失；近幾年興起的 AIS （Automatic Identification System）技術(shù)在水上救援工作中發(fā)揮著非常關(guān)鍵的作用，但傳統(tǒng)的AIS設備多是船載設備，且現(xiàn)有的針對個人攜帶的AIS設備也由于功耗高、體積大而缺乏實用性。因此設計實現(xiàn)適用于個人攜帶的AIS救救終端對于保障水上作業(yè)人員及游客的生命安全具有非常重要和長遠的意義。

本文將AIS技術(shù)與近年來工業(yè)應用較為成熟的ZigBee技術(shù)進行融合組網(wǎng)，設計實現(xiàn)以網(wǎng)內(nèi)從節(jié)點為個人攜帶的救援終端，主節(jié)點接收處理求救信號并完成與周邊AIS接收中心通信的救援通信系統(tǒng)；該系統(tǒng)內(nèi)從節(jié)點僅由GPS模塊與ZigBee模塊組成，具有體積小、功耗低、便于攜帶的優(yōu)點；主節(jié)點由ZigBee模塊、AIS基帶處理模塊及發(fā)射電路組成，具有通信距離遠、成本低可大量分布的優(yōu)點，保證了救援系統(tǒng)的可靠性。

1　系統(tǒng)方案設計

水上救援系統(tǒng)包括3個部分：個人救援終端、AIS中心節(jié)點及AIS救援接收中心；其中個人救援終端用于發(fā)送求救信號和位置信息至區(qū)域內(nèi)AIS中心節(jié)點；AIS中心節(jié)點用于接收求救信號和位置信息并將其完成AIS消息編碼發(fā)送至AIS網(wǎng)絡；AIS救援中心用于接收AIS網(wǎng)絡內(nèi)的求救信號，并根據(jù)位置信息展開救援工作，系統(tǒng)整體框架圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)整體框圖

1.1AIS中心節(jié)點架構(gòu)

AIS中心節(jié)點包括ZigBee模塊、基帶處理模塊及發(fā)射通路，其硬件架構(gòu)如圖2所示。其中ZigBee模塊用于接收ZigBee網(wǎng)內(nèi)個人救援終端的求救信號和位置信息，充當協(xié)調(diào)器即中心節(jié)點的作用；基帶處理模塊主要由CPU模塊、調(diào)制編碼模塊和D/A模塊組成，完成AIS消息編碼及GMSK調(diào)制，發(fā)射通路由VCO調(diào)制電路、放大濾波模塊及VHF天線組成。

圖2　AIS中心節(jié)點硬件架構(gòu)

1.2個人救援終端架構(gòu)

個人救援終端包括GPS模塊、ZigBee模塊及電源模塊組成，其硬件架構(gòu)如圖3所示。

當落水人員開啟個人救援終端電源后GPS模塊完成定位，將求救信號和自身位置信息通過ZigBee模塊發(fā)送至ZigBee網(wǎng)內(nèi)鄰近的AIS中心節(jié)點，通過中心節(jié)點的AIS消息編碼及GMSK調(diào)制最終發(fā)送至AIS救援中心，實現(xiàn)系統(tǒng)水上救援的目的，保障水上作業(yè)人員及游客的生命安全。

傳統(tǒng)的AIS救援設備采用將落水者的位置信息直接發(fā)送至AIS救援接收中心，但這樣AIS救援設備就需要較高的發(fā)射功率、較多的電路模塊，同時由于救援設備需要實時發(fā)送位置信息，高功耗下的AIS救援設備一直保持工作狀態(tài)導致電池不足以維持較長時間，不利于救援工作的展開；本文采用AIS與ZigBee雙網(wǎng)融合的方案，系統(tǒng)內(nèi)個人救援終端體積小、功耗低、便于攜帶，而AIS中心節(jié)點通信距離遠、成本低可大量分布，在保證救援系統(tǒng)可靠性的同時，極大地提高了AIS個人救援終端的便攜性和實用性。

圖3　個人救援終端硬件架構(gòu)

2　硬件設計與實現(xiàn)

2.1AIS中心節(jié)點電路設計

根據(jù)圖2所示的AIS中心節(jié)點硬件架構(gòu)，ZigBee模塊選用TI公司的CC2530芯片作為微處理器和RF射頻芯片，而CPU模塊、調(diào)制編碼模塊和D/A模塊的功能則均在STM32微處理器中完成，型號為STM32F103，該芯片將ZigBee模塊接收的GPS信息解析出來構(gòu)造AIS數(shù)據(jù)幀，之后進行HDLC編碼、NRZI編碼和高斯濾波器完成GMSK調(diào)制，最終通過內(nèi)部兩個DAC輸出模擬調(diào)制信號對之后VCO載波模塊進行調(diào)制。

VCO載波調(diào)制模塊及放大模塊是AIS中心節(jié)點電路設計的重點和難點；VCO電路的核心是振蕩電路，本系統(tǒng)中AIS中心節(jié)點硬件板卡設計的振蕩電路如圖4所示，其中場效應管Q1的直流偏置電壓受STM32串口控制，變?nèi)荻O管D1、D2與D3用以調(diào)整回路總電容與電壓u之間的特性?？紤]到回路的Q值大時，相頻特性斜率大，相位就越穩(wěn)定，根據(jù)相位與頻率之間的關(guān)系，所以頻率也就越穩(wěn)定，故選取的電感為線藝公司的22nH的高Q值電感。

晶體管的ft高可以保證在工作頻率范圍內(nèi)具有較高的跨導，ft＞（3? 10）fmax（本研究中為fmax為324.05MHz）時，VCO易于起振，而且ft越高，MOS管內(nèi)部的相移越小，故選取的場效應管Q1為UTC公司的2SK508。電源電壓的波動，也會降低VCO的頻率穩(wěn)定度，為了減少其影響，使用專門的穩(wěn)壓芯片及三極管開關(guān)電路對VCO進行供電，并且供電受STM32的控制。

圖4　VCO振蕩電路

AIS中心節(jié)點硬件板卡設計的功放PA模塊電路如圖5所示。

圖5　功放PA模塊電路

功率放大器選用 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，無線應用的頻段從 150MHz 到 960MHz，并且可以工作在低功耗模式下，而AIS中心節(jié)點的發(fā)射頻點為161.975MHz、162.025MHz，符合該功放芯片的頻段范圍。

從圖中可知，VCCPA為供電電壓，VAPC1、VAPC2為功率增益控制電壓，RF5110G 內(nèi)部存在電壓增益控制，可以通過改變 VAPC 的電壓值控制 PA 的輸出功率，參考 RF5110G 數(shù)據(jù)手冊的建議，在開環(huán)模式下，VAPC 的電壓值應設置大于 2V 用以確保較好的輸出功率，本系統(tǒng)VAPC電壓為2.6V，輸出功率可達33dBm。

在RF5110G各工作電壓設定好之后，其輸入輸出是否50歐阻抗匹配也是決定其能否正常工作的關(guān)鍵因素，該芯片輸入端RFIN已經(jīng)在芯片內(nèi)部完成了50歐阻抗匹配，而輸出匹配則需要用戶設計相關(guān)電路調(diào)試完成，本系統(tǒng)硬件設計中源阻抗與負載阻抗的匹配，是通過一個π形匹配網(wǎng)絡來實現(xiàn)的，具體電路如圖6所示。

圖6　π形匹配網(wǎng)絡電路圖

用ADS仿真軟件對此匹配網(wǎng)絡進行 S 參數(shù)仿真并觀察其傳輸特性，得到圖 7所示結(jié)果，仿真結(jié)果顯示該匹配網(wǎng)絡在頻率 162MHz 時S11回波損耗參數(shù)值較小，信號反射較??；S21插入損耗較大，即信號正向傳輸較好，仿真證明本系統(tǒng)AIS中心節(jié)點硬件板卡所設計的功放輸出阻抗匹配網(wǎng)絡在輸出頻點上通過性良好，信號基本不產(chǎn)生反射。

圖7　匹配網(wǎng)絡S參數(shù)仿真

2.2個人救援終端電路設計

根據(jù)圖3所示的個人救援終端硬件架構(gòu)，該模塊硬件電路的設計重點在于GPS模塊與ZigBee模塊的接口連接，本系統(tǒng)設計的具體電路如圖8所示。

圖8　個人救援終端接口電路

從圖8可知，GPS模塊GT-1612的TXD、RXD引腳分別與ZigBee模塊芯片CC2530的UART1_RX （PIN15）、UART1_TX（PIN14）相連，完成定位信息的交互，最后通過RF_N、RF_P引腳經(jīng)發(fā)射電路將位置信息發(fā)送至整個救援系統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡內(nèi)。

3　測試與結(jié)論

測試平臺選用實驗室設計實現(xiàn)的水上救援系統(tǒng)硬件平臺，包括個人救援終端硬件板、AIS中心節(jié)點硬件板和成都天奧公司生產(chǎn)的型號為SPAT-1000B-II的B類AIS船舶自動識別系統(tǒng)接收設備，如圖9所示。

圖9　水上救援系統(tǒng)硬件平臺

3.1測試內(nèi)容及方法

測試內(nèi)容分為兩個步驟：個人救援終端與AIS中心節(jié)點間的通信、AIS中心節(jié)點與AIS接收設備間的通信。

本次測試時間為2015年10月30 日，測試地點選擇在重慶長江朝天門至洋人街水段，測試方法為：

①先將接收機設備固定在岸邊空曠位置較高處；

②將AIS中心節(jié)點設備固定在一岸邊開闊位置，然后在測試水域移動個人救援終端設備，查看個人救援終端在各個測試點與AIS中心節(jié)點的通信情況并同時啟動AIS中心節(jié)點，查看最終在各個測試點與接收機的通信情況；

③移動AIS中心節(jié)點至另一個岸邊位置，繼續(xù)在之前的個人救援終端測試點上測試與岸上中心節(jié)點的通信情況及最終與接收機的通信情況，具體測試位置如圖10所示，測試結(jié)果如表1及圖11所示。

圖10　系統(tǒng)各測試點位置

表1　系統(tǒng)測試結(jié)果

圖11　個人救援終端通信測試

由于當天在測試水域內(nèi)存在較多其他AIS設備，只能通過精確查找本AIS中心節(jié)點的MMSI號來確認是否完成接收，同時由于測試點較多，論文篇幅所限，此處只列舉在個人救援終端 、AIS中心節(jié)點位置一處的測試結(jié)果如圖11所示，圖中左上角經(jīng)緯度顯示個人救援終端的GPS位置，同時5.16nm（海里）為個人救援終端 處與接收機的距離。

3.2結(jié)論

由表1可知：在個人救援終端2處，AIS中心節(jié)點在位置一和二上接收次數(shù)均為0，原因是個人救援終端位置2位于朝天門大橋正下方，橋墩及過往船只的遮擋影響了通信信號；

①在個人救援終端5與AIS中心節(jié)點一、個人救援終端4與AIS中心節(jié)點二之間的通信過程中，接收情況較為良好，原因是組內(nèi)兩位置間距離近，基本無遮擋；

②在AIS中心節(jié)點與接收機的通信過程中，AIS中心節(jié)點一處的接收情況明顯優(yōu)于AIS中心節(jié)點二處，原因也很可能是朝天門大橋及過往船只的遮擋情況。

通過以上對測試結(jié)果的分析可知，本文設計實現(xiàn)的AIS與ZigBee融合的水上救援系統(tǒng)在寬闊無遮擋的近海水域及內(nèi)河航段，具有較好的通信互連情況，能夠有效保障落水者的生命安全，在水上救援工作中，該系統(tǒng)具有一定的實用價值。

4　結(jié)束語

本文通過對水上落水者救援通信設備的研究，提出了一種AIS與ZigBee雙網(wǎng)融合通信的水上救援系統(tǒng)方案，系統(tǒng)內(nèi)從節(jié)點體積小、功耗低、便于攜帶；而主節(jié)點又具有通信距離遠、成本低可大量分布優(yōu)點，克服了傳統(tǒng)水上個人救援設備體積大、功耗高的缺點，之后本文又完成了系統(tǒng)內(nèi)個人救援終端及AIS中心節(jié)點的硬件設計實現(xiàn)，通過在實際應用環(huán)境下測試，驗證了AIS與ZigBee融合通信水上救援系統(tǒng)方案的可行性，具有一定的工程應用價值，并且現(xiàn)已成功用于實際項目。

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簡訊

DOI：10.3969/j.issn.1006-6403.2016.04.012

收稿日期：（2016-03-22）