吳國望，侯 平，劉宏波，楊堯堯

（1.海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢 430033；2.國防信息學院 二系，湖北 武漢 430033；3.海軍航空工程學院 山東 青島264001）

海上自救裝置的設計

吳國望1，侯 平2，劉宏波1，楊堯堯3

（1.海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢 430033；2.國防信息學院 二系，湖北 武漢 430033；3.海軍航空工程學院 山東 青島264001）

為了提高海上搜救的速度與效率，提出一種海上自救裝置的設計。裝置以MSP430F149微處理器為主控，結合衛(wèi)星定位、低功耗、傳感器等技術，實現(xiàn)自主定位、發(fā)送求救信息的功能。同時為了簡化操作，裝置具有遇水自啟動的功能，在人員昏迷等情況下能自動工作，提高了遇難者生存概率。

海上救援；MSP430；北斗；低功耗

海上遇險事件基本上都是突發(fā)事件，由于受到海洋氣候、出事地點至海岸的距離、環(huán)境等因素的影響，開展海上搜索救援工作面臨巨大的挑戰(zhàn)。海上搜救大體上沿著視覺搜索定位、無線電定位引導和基于衛(wèi)星系統(tǒng)的海上搜救的方向發(fā)展。視覺搜索定位[1]是一種比較落后的方式，它主要依靠搜救船舶或飛機上的搜救人員進行肉眼查找。無線定位[2]多采用單工模式，不能實施和遇險人員建立通信，而且無線通信還受到多徑干擾和衰落等影響，信息可靠性得不到保證。衛(wèi)星系統(tǒng)是當下運用范圍最廣的一種方式，但是該方案實現(xiàn)復雜，相關救生系統(tǒng)要求人員具備一定技術?，F(xiàn)在較為成熟的是全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)（COAS-SARSAT）[3-4]，該系統(tǒng)是由美國、前蘇聯(lián)、法國和加拿大4個國家聯(lián)合開發(fā)。我國現(xiàn)在有自主產(chǎn)權的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)，但沒有與之對應的救生系統(tǒng)。本文提出了基于MSP430的海上自救裝置的設計，裝置用于遇難者求救，是救生系統(tǒng)用戶端的重要組成部分。裝置可以根據(jù)設定的模式，發(fā)送人員的位置信息，提高搜救效率。同時也可以由遇難者發(fā)送報文信息，方便遇難者與外界即使取得聯(lián)系。

1 總體設計

裝置由北斗模塊、主控模塊、遇水監(jiān)測模塊和顯示按鍵模塊組成。為了進一步提高效率，裝置有主動被動兩種啟動方法。主動啟動利用按鍵，人員通過按鍵發(fā)送指令。被動啟動在人員落水后，遇水監(jiān)測模塊自動運行，啟動整個裝置。

當接收到按鍵過著遇水監(jiān)測模塊命令后，主控模塊通過UART方式向北斗模塊發(fā)送指令。北斗模塊獲取定位信息后，利用UART方式將定位信息會傳到主控模塊。主控模塊也可以發(fā)送指令，利用北斗的通信功能向外界發(fā)送求救信號。顯示按鍵模塊用于對系統(tǒng)參數(shù)的設置，使用者可以根據(jù)需求發(fā)送報文信息，同時可以顯示定位信息、系統(tǒng)電量等信息?？傮w設計框圖如圖1所示。

圖1 總體設計框圖

2 硬件平臺設計

2.1 主控模塊

海上搜救的黃金時間最長為72小時[5]，這對裝置的續(xù)航性能提出了要求。一個低功耗的主控模塊對提高裝置整體功耗十分重要。設計中選取MSP430F149作為主控，盡可能地降低系統(tǒng)功耗，從而滿足海上搜救的需求。

MSP430系列微處理器是TI（德州儀器）的一種混合信號處理器[6]，具有如下特點：1）極低功耗。該系列單片機的電源電壓一般采用1.8～3.6 V低電壓，在RAM數(shù)據(jù)保持方式是耗電約為0.1 μA。系統(tǒng)共有1種活動模式（AM）以及多達7種低功耗模式（LPM）。2）處理能力強大。MSP430系列單片機采用高效的精簡指令集（RISC）結構，一個時鐘周期可以執(zhí)行一條指令[7]。3）外設資源豐富。內(nèi)部集成看門狗（WDT）、16位定時器、ADC等豐富的外設供用戶使用[8]。

2.2 遇水檢測模塊

在海上的遇難者往往會處于昏迷、受傷、和活動受限等情況，為了簡化操作，及時發(fā)送遇難者位置信息，設計中包含遇水檢測模塊。該模塊與水接觸后自動喚醒裝置，并且根據(jù)預先設置的指令，自動發(fā)出求救信息。因此，人員無法使用裝置，自救裝置也能及時啟動，減少救援難度，增加生存概率。

遇水模塊具體電路如圖2。遇水時，觸點A、B短接，兩端電壓變?yōu)橄陆?，放大電路對電壓信號適當放大送給微處理器自帶的ADC單元。微處理器通過ADC對電壓信號進行采集，電壓達到預設值時，觸發(fā)中斷，整個裝置自動運行。

為了提高測量壓值的抗干擾能力，設計中采用了以下幾種措施[9]：

1）電極 A和B到ADC頻率轉(zhuǎn)換電路的電纜長度應盡量短，同時電纜采用雙絞屏蔽線來提高信號的抗干擾能力。

2）電路中選用的電阻電容等元器件，應選溫度系數(shù)好金屬膜精密電阻，電容應選溫度特性好的陶瓷電容[10]抑制溫度對測量精度的影響。

3）初始電壓的抵消，采用實測電壓和初始電壓只差進行抵消。

4）根據(jù)多次試驗結果選擇合適的閾值電壓。

圖2 遇水監(jiān)測模塊原理圖

2.3 北斗模塊

海上通信可分常規(guī)通信和遇險與安全通信，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險報警、搜救協(xié)調(diào)和幫助定位。海洋通信與陸地通信有很大不同：

1）海洋地域遼闊，要求海上搜救通信具備跨地區(qū)和跨國家通信的能力；

2）海上航行的船舶是一個運動載體，海上又沒有條件建立永久性通訊基站，因此，海上搜救通信只能采用無線的、移動的通訊方式；

3）海上通信條件惡劣，為了保證通信的可靠性，必須使用多種通訊方式和配備多種通信系統(tǒng)；

4）船舶遇險報警和搜救通常是一種緊急呼叫和一些簡單語言命令傳遞。

現(xiàn)代海上通信常用有三種手段：甚高頻（VHF）通信、中/高頻（MF/HF）通信、衛(wèi)星通信。由于海上環(huán)境的特殊性，要求通信手段可靠簡單，并且傳輸距離遠[11]。因此，裝置定位和通信功能通過北斗衛(wèi)星系統(tǒng)實現(xiàn)。

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)具有以下特點：

1）定位精度高。北斗三維定位可以精確到幾十米，授時精度可以達到100ns。結合激光反射器，同時參照其他衛(wèi)星，可以把定位位置精度確定在幾個厘米之內(nèi)[12]。

2）具有發(fā)送短信功能。GPS只能被動獲得位置信息，發(fā)送定位信息仍然需要借助別的通信設備。北斗系統(tǒng)自身具有短信功能，便于求救者及時發(fā)送自身狀態(tài)。

3）自主研發(fā)。北斗是我國自主研發(fā)，具有獨立知識產(chǎn)權的衛(wèi)星系統(tǒng)。特別是在戰(zhàn)時，裝置對戰(zhàn)場傷員的救助和搜索可以發(fā)揮作用。

2.4 電源管理

隨著時代的進步，人們對綠色、環(huán)保呼聲越來越高，低功耗已成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)的普遍追求。低功耗設計不僅可以提高產(chǎn)品的綜合性能，而且可以提升產(chǎn)品的市場競爭力，具有重大的社會和經(jīng)濟效益。近些年一些世界性的儀器儀表展覽會及各大公司競相推出低功耗、微功耗以至零功耗產(chǎn)品，從這個現(xiàn)象上可以看出，低功耗設計在電子系統(tǒng)中運用已經(jīng)成為電子產(chǎn)品設計的主潮流。

裝置設計也采用了低功耗技術，為了提高裝置續(xù)航能力，除了選取低功耗器件，設計中在電源管理中采用低功耗技術[13]。MSP430具有多種節(jié)能模式，同時結合深度睡眠技術，整個硬件平臺功耗降低。低功耗設計具體采取如下措施：

1）各模塊電源由MSP430進行控制，根據(jù)系統(tǒng)需要接通對應功能模塊的電源，從而降低功耗。

2）充分利用MSP430提供的低功耗模式，當不進行數(shù)據(jù)處理、不需要管理北斗模塊等工作時MSP430均處于LMP3模式下[14]。

這種高效的電源管理和深度睡眠技術設計[15]，使得設備僅需要進行定位和報警時進入工作狀態(tài)，除此之外，設備均處于深度睡眠的待機狀態(tài)。僅有遇水檢測電路以及定時器等極少數(shù)部分電路處于活躍狀態(tài)，終端每完成一次報警或者示位后，均進入睡眠狀態(tài)。從而降低裝置的待機功耗，有效延長了設備的續(xù)航時間。

3 軟件系統(tǒng)流程

軟件設計采用中斷方式進行程序設計[16]。主程序完成相應的設置和初始化后，其他任務都由中斷服務程序去完成[17]。裝置共有兩個狀態(tài)：休眠狀態(tài)和工作狀態(tài)。軟件流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

開機以后，系統(tǒng)先進入休眠狀態(tài)，在休眠狀態(tài)，主控處LM3模式。此時，只有按鍵和遇水監(jiān)測模塊工作。當按鍵或者遇水監(jiān)測模塊觸發(fā)中斷時，裝置進入工作狀態(tài)。

在工作狀態(tài)，裝置實現(xiàn)定位與通信。觸發(fā)中斷以后，開始搜索衛(wèi)星信號，信號強度達到要求時，可以獲取位置信息，即定位成功。利用北斗衛(wèi)星的通信功能，把獲取的位置信息和預設的求救信息發(fā)送到指定終端，之后進入休眠狀態(tài)，保證裝置的續(xù)航能力。

4 結束語

海上自救裝置通過北斗衛(wèi)星實現(xiàn)自主定位，遠距離海上通信等功能，提高了遇難者的生存概率。裝置中包含遇水監(jiān)測模塊，實現(xiàn)自啟動，簡化操作，為海上搜救工作提供便利。由于實驗條件有限，裝置的實際表現(xiàn)，有待評估。

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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稿件編號：201605294

吳國望（1993—），男，江蘇海門人。研究方向：數(shù)學通信。