楊志鵬 李海瀾 劉發(fā)銘

(北部灣大學 廣西欽州 535000)

在我國“海洋強國”方針的指導下，隨著海洋經濟的發(fā)展和海員人數的增加，海上人員安全問題變得越來越重要。智能救生衣等智能救生設備在提高人們的救援效率和急救能力方面發(fā)揮著重要作用。同時，隨著北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)和5G網絡通信技術的發(fā)展，利用新型科技手段實現了對救生裝備與人員的遠程監(jiān)控與管理是具有重要意義和廣闊前景。本文旨在設計開發(fā)一款內置北斗定位系統(tǒng)、5G 芯片的高精度、低時延的定位救生馬甲，讓海難逃生者在12 h 黃金救援時間內盡早地獲得救援[1]。

1 項目背景

1.1 國際海難事故統(tǒng)計

據歐洲海事安全局（EMSA）統(tǒng)計，2006年，歐洲水域共發(fā)生505 起意外，涉及535 艘船只。2007 年，共有715 起意外，涉及762 艘船只。2007 年與2006 年相比的船舶事故這一比例顯著上升，在上升率超過40%。2014年，一豪華游輪與韓國觸礁，造成至少32人死亡；同年，“歲月”號在一次侵水事故中沉沒，造成296人死亡。2015年，我國一艘貨輪在長江中部湖北附近監(jiān)利海域沉沒，船上有454名乘客只有12人獲救，442人遇難。2018年，僅中國籍船舶發(fā)生失事船只數目達到83艘，數量達到237 家，較上年同比增長24.7%。上述案例可以顯示，世界海難救生問題是一個亟需解決的難題[2]。

1.2 國內現狀

在我國航運業(yè)快速發(fā)展的同時，從事海上運輸的船舶數量不斷增加，如貿易、勘探、深海捕撈、游覽等各種形式的海上活動都在開展，隨之而來的是海上事故頻發(fā)，船舶碰撞、進水、沉船、翻船等情況時有發(fā)生。例如：2015 年東方之星沉船事故，442 人遇難；2018 年上海吳淞口沉船事故，搜救82 h 仍有8 人失蹤；2018 年1月桑格輪碰撞事故中桑格輪3 名船員死亡，29 名船員失蹤。這種性質的航運災難增加了對海上安全和人身安全的需求。由于海上救援設備越來越先進，在遇險率越來越高的情況下，逃生率也越來越高，但仍然無法進一步減少死亡人數。

因此，該項目是有效保護海上生命的起點，是海上救援的創(chuàng)新技術和設備的起點，為海上作業(yè)人員提供多功能和高度安全的生存設備。通過利用信標技術、自釋放充氣技術和水開關，實現多功能一體化，為遇險人員提供多重保護，提高海上作業(yè)人員的生存率。

該設計采用NEOPRENE 氯丁橡膠作為馬甲的主要外在材料，耐磨、環(huán)保、輕便，并集成了便攜式個人報警標簽。這種自動充氣裝置可以裝入一件馬甲，在水中保護人，防止人落水后沒有及時反應而發(fā)生意外。便攜式應急信標體積小、重量輕，信號傳輸穩(wěn)定，定位準確。它具有非常重要的實際意義，因為正常佩戴時對海上各種活動的開展影響不大，在海上工作的人容易攜帶，在發(fā)生過特殊情況時可以快速、有效地使用。

2 整體設計

本團隊設計研發(fā)的多功能集成馬甲其應用了北斗定位技術、自動充氣技術[3]、無線通信技術和后備供電技術。主要的控制模塊是STM32F103 系統(tǒng)，受北斗定位模塊控制，獲取經緯度信息。北斗定位技術用于發(fā)送、傳輸和接收被救者的重要數據。救援組織是接收終端，將信息傳輸給距離最近的救援組織，以便救援人員根據當前情況制訂計劃和采取救援措施。其設計的多功能集成馬甲的能量來源為馬甲配備的供電裝置，當水源注滿足特殊開關時，供電系統(tǒng)將形成通路，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)關聯圖

2.1 實體件設計

2.1.1 原材選取本產品設計主要采用了STM32F103 控制系統(tǒng)、充氣式救生馬甲、北斗定位模塊、感應開關、5G芯片。

2.1.2 充氣式救生馬甲

該救生馬甲的選擇是基于目前國內外救生衣研究現狀之上的，滿足IMO國際海事組織的標準，同時達到“隨身穿戴，落水即發(fā)”的要求，最大程度地保護意外落水人員。與普通的救生馬甲不同，本項目為內外兩穿式的馬甲，運用NEOPRENE氯丁橡膠布料，質量堅韌，耐溫變、耐磨損，不管是內穿還是外穿皆不累贅，內穿更不會影響海上工作者穿著工作服[4]。

2.1.3 自動充氣氣囊

前后共4 個充氣包，兩個帶傳感裝置的衣下充氣包，涂有密封套的充氣嘴，三層保護，即耐磨的外層（防止日常磨損）、中間絕緣層（防止其他物體進入，減少風險）和一個內襯層（用于保護），設定的空氣壓差，在一個回路中同時串聯運行。其中最外層與柔性壓力傳感器結合[5]，當它落入水中時，啟動整個系統(tǒng)，第三層氣囊左右兩邊同時充氣，降低充氣時間。

2.1.4 感應開關

為了避免人掉進水里時的恐慌和混亂，該團隊開發(fā)了一種特殊的先進的智能開關，能對遇到水時立即進入的要求做出反應。水開關的設計取代了水滴傳感器，減輕了自身的重量，提高了承受背部撞擊的能力，能夠在液體充滿到一定程度時啟動裝置，及時為人員提供保護，減輕了海浪的沖擊，減緩了墜落者的情緒困擾。此外，該團隊還保留了一個物理按鈕開關，以便在緊急情況下手動打開，提供雙重保護。

2.1.5 STM32F103控制系統(tǒng)

STM32F103是STM32單片機的F1系列產品，是意法半導體ST公司生產的一種基于ARM 7架構的32位、支持實時仿真和跟蹤的微控制器[6-7]，如圖2所示。它搭載了最新、最先進的ARM Cortex-M3核心架構，具有出色的實時性能、優(yōu)秀的電源管理和創(chuàng)新的外設，以及最大的集成度，使其非常容易開發(fā)，并提供許多外設擴展，以便在系統(tǒng)中實現。它還能夠快速處理信息并控制北斗定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)與5G移動信號一起提供連續(xù)的定位信息，最重要的是，在所有類似的控制系統(tǒng)中，它的功耗最低，從而減少了電源在功率輸出方面的重量。

圖2 STM32F103控制芯片

2.1.6 北斗定位模塊

對救生馬甲進行準確定位，需要測量4顆已知坐標的北斗定位衛(wèi)星到救生馬甲北斗定位模塊之間的距離。定位模塊到衛(wèi)星的距離可由真空中的光速乘以衛(wèi)星信號傳播到定位模塊接收機的時間得到[8]。北斗RNSS是我國自主研發(fā)的，在技術上可以不受海外壟斷。

2.2 北斗定位模塊的硬件設計

2.2.1 電池部分

電池電壓VCC的輸入的范圍是2.8～4.3 V，電源需要是清潔的、穩(wěn)定的電壓，輸出電壓應在100 mA以上。

2.2.2 通信口

SIM68VB有兩個串行通信端口（UART和UART1），主串行端口（UART）被用作NMEA通信端口，其詳情如表1所示。

表1 通信口詳情

PMTK命令的數據輸出和輸入。主要的串行數據接收（RXD）和傳送（TXD）的端口包含了一個16 位的FIFO和256字節(jié)的URAM。由Core Builder工具設置波特率，范圍從4.8～921.6 kB。UART1被用作RTCM。

2.2.3 A-GPS

協同定位（A-GPS）可以在特定的條件下提升初次定位的時間。SIM68VB 支持的A-GPS Mode 有EASY Mode、EPO file和SBAS/RTCM。

2.2.4 北斗信號天線

當北斗和GPS 信號相對較弱時，天線參考數據格外重要，具體參數如表2 所示。關于天線的選擇和定位對衛(wèi)星信號的接收有很大影響，甚至會影響到定位的準確性和速度。提倡使用能夠同時接收北斗和GPS信號的有源天線。

表2 北斗天線參數

有源天線的靈敏度一般比無源電源高大約3 dB。

2.3 硬件開發(fā)

2.3.1 充氣氣囊的設計

前后共4個充氣袋，衣服下面有2個帶感應裝置的充氣袋，充氣嘴有重疊的密封袖口，三層保護，外層耐磨層（防止日常磨損）、中間絕緣層（防止其他物體進入，降低風險）和內襯層（用于保護），安裝的氣壓降同時工作，串聯在電路中，落水時氣泵。

2.3.2 整體電路、水開關的設計

落水后，氣壓泵首先應急，檢測到氣壓及水源（檢測到其一即啟動）變化，氣壓泵工作，迅速充氣（設置4個充氣泵，前后各2個保證充氣的迅速）同時自動求救，與定位系統(tǒng)相結合，發(fā)出求救以及定位，直到得到救援。

2.3.3 北斗信標的功能實現

該信標由兩部分組成,分別分布于水上和水下。水下部分由控制模塊、電纜和水開關構成，通過柔性防水電纜連接水上部分；天線、信號模塊、LED 指示燈和一個按鍵組成其水上部分的結構。北斗信標的水上部分和水下部分都有水密外殼，以滿足防水要求，以便在人員落水的情況下信標能可靠運行。北斗信標運作邏輯如圖3所示，北斗信標各組成部分的功能如下。

圖3 北斗信標運作邏輯

（1）北斗天線：用于接收S頻（2.5 GHz）北斗定位信號和發(fā)射L頻（1.6 GHz）北斗定位信號。

（2）北斗模塊：收發(fā)北斗信號，啟動北斗定位，并翻譯短信息。

（3）LED 指示燈：標示裝備各種工作狀態(tài)指示燈，且有近距離示位作用。

（4）按鈕：人工緊急主動報警或誤報主動恢復報警。

（5）電源模塊：根據控制模塊的要求，調整供電電壓。

（6）控制模塊：軟件檢測水位的變化并自動觸發(fā)報警；報警的手動啟動和一鍵復位；北斗模塊的電源管理和短信息的收發(fā)；短信息的打包；LED狀態(tài)指示燈的控制。

（7）水開關：自動啟動加熱器，使其打開并運行。

（8）電池：供電。

3 軟件設計

3.1 整體功能的實現

在發(fā)生事故時，應急裝置自發(fā)打開，信標向當地海洋救援中心發(fā)出警報，信標被移到位置上，這時自動充氣泵開始工作，救生衣迅速充氣膨脹，為幸存者提供足夠的浮力（如果自動開關失效，可以手動強制開關），救生位置指示燈自動亮起，具體原理如圖4所示。

圖4 整體功能實現原理

3.2 功能說明

3.2.1 啟用開關

當船上人員不幸遇險，可以通過手動開啟按鈕觸發(fā)信標，或在人員落水后自動啟動水上開關，通過軟件判斷其連續(xù)啟動時間，氣囊迅速充氣，確認信標運行，亮起報警指示燈。

3.2.2 傳輸遇險信息

控制模塊的軟件通過識別和檢測到報警后，即啟動北斗定位模塊獲取位置信息，成功獲取后，北斗信標向操作者發(fā)出10 s 的快速間歇提醒，并向SAR 衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)送短消息，短消息內容包括北斗信標號（與操作者唯一對應）、操作者的遇險信號時間、遇險點坐標。

(1)土壤水中離子濃度。離子濃度越低，潛在破壞風險越高。分散性土在離子濃度很低時，是最容易被水侵蝕的，如雨水。

3.2.3 SOS響應

在收到SOS 短信息后，SAR 系統(tǒng)應該回復一條短信息。信標收到響應后，會以30 s 的間隔慢慢提醒操作者，報警成功了。

3.2.4 報警處理失敗

如果在60 s 內沒有收到對求救信號的響應，控制模塊在60 s 后自動重復簡短的求救信息，直到成功收到求救信號。

3.2.5 報警取消

在成功清除報警后，如果水斷路器誤跳閘和其他誤報警的情形下，或險情已經排除，不再需要援助，則可通過按鍵發(fā)送短消息，且回憶報警信息，而后報警指示燈可以接收到大約10 s的快速閃爍提示。

3.2.6 回顧警報反應

搜救系統(tǒng)在收到短促的求救信號時，應做出回應，無線電信標在收到回應時，應在報警指示器上發(fā)出30 s的慢閃提醒，以示成功報警。

3.2.7 召回警報處理失敗

假設在60 s 內沒有收到對求救信號的回應，控制面板在60 s 后自動重復簡短的警報召回信息，直到警報召回成功。

3.2.8 基于時間的傳輸

當人員落入水中時，往往會隨著水流移動。該信標定期向搜救系統(tǒng)發(fā)送遇險信號，以更新落水者的位置。

3.2.9 低電池提醒

信標在每次啟動信標模塊前需要檢查電池電壓。假設電壓不足以開始定位信標模塊和發(fā)送短信息，報警指示燈就會發(fā)出連續(xù)的高速閃爍提醒，表明電池電量不足。

3.3 定位功能的實現原理

地面站首先向一號和二號衛(wèi)星發(fā)出請求，然后通過衛(wèi)星轉發(fā)器傳送到覆蓋區(qū)域內的用戶計算機。用戶對來自一顆衛(wèi)星的請求信號做出反應，并同時向兩顆衛(wèi)星發(fā)送響應信號，該信號通過衛(wèi)星轉發(fā)器返回地面站。地面站接收并解調用戶的信號，并根據用戶的服務應用內容對數據進行處理。

關于定位請求，地面站需要測量兩個時間延遲：地面站可以通過其中一顆衛(wèi)星向用戶發(fā)送的請求信號到達、用戶定位響應信號傳輸和用戶響應信號通過同一衛(wèi)星返回地面站之間的延遲；地面站通過上述同一衛(wèi)星向用戶發(fā)送的請求信號到達、用戶響應信號傳輸和返回地面站之間的延遲。已知地面站和兩顆衛(wèi)星的位置，從用戶到第一顆衛(wèi)星的距離和從用戶到兩顆衛(wèi)星的距離之和可以從上述兩個延遲值計算出來，以便用戶處于以第一顆衛(wèi)星為中心的球體和以兩顆衛(wèi)星為焦點的橢圓體的交點。此外，地面站能由存儲在計算機中的數字地形圖確認用戶的高度，這說明用戶處于與地球參考橢圓體平行的橢圓體中，使地面站最終能夠計算出用戶位置的三維坐標，并將其加密，作為輸出信號發(fā)送給用戶。

4 結語

本設計是基于現有的先進通信技術對海上救援定位救生衣提供的一種新的選擇方案，在定位、材料組成、控制系統(tǒng)等做了較為詳細的設計，項目在未來還會繼續(xù)發(fā)展，團隊會向著創(chuàng)新、智能、便捷的方向對這一款順應時代科技潮流的現代化海上求生產品進行完善。