楊志鵬 李海瀾 劉發(fā)銘

(北部灣大學(xué) 廣西欽州 535000)

在我國(guó)“海洋強(qiáng)國(guó)”方針的指導(dǎo)下，隨著海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和海員人數(shù)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(shè)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(shí)，隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，利用新型科技手段實(shí)現(xiàn)了對(duì)救生裝備與人員的遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理是具有重要意義和廣闊前景。本文旨在設(shè)計(jì)開發(fā)一款內(nèi)置北斗定位系統(tǒng)、5G 芯片的高精度、低時(shí)延的定位救生馬甲，讓海難逃生者在12 h 黃金救援時(shí)間內(nèi)盡早地獲得救援[1]。

1 項(xiàng)目背景

1.1 國(guó)際海難事故統(tǒng)計(jì)

據(jù)歐洲海事安全局（EMSA）統(tǒng)計(jì)，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(guó)觸礁，造成至少32人死亡；同年，“歲月”號(hào)在一次侵水事故中沉沒，造成296人死亡。2015年，我國(guó)一艘貨輪在長(zhǎng)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(guó)籍船舶發(fā)生失事船只數(shù)目達(dá)到83艘，數(shù)量達(dá)到237 家，較上年同比增長(zhǎng)24.7%。上述案例可以顯示，世界海難救生問題是一個(gè)亟需解決的難題[2]。

1.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

在我國(guó)航運(yùn)業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)，從事海上運(yùn)輸?shù)拇皵?shù)量不斷增加，如貿(mào)易、勘探、深海捕撈、游覽等各種形式的海上活動(dòng)都在開展，隨之而來的是海上事故頻發(fā)，船舶碰撞、進(jìn)水、沉船、翻船等情況時(shí)有發(fā)生。例如：2015 年?yáng)|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(zhì)的航運(yùn)災(zāi)難增加了對(duì)海上安全和人身安全的需求。由于海上救援設(shè)備越來越先進(jìn)，在遇險(xiǎn)率越來越高的情況下，逃生率也越來越高，但仍然無法進(jìn)一步減少死亡人數(shù)。

因此，該項(xiàng)目是有效保護(hù)海上生命的起點(diǎn)，是海上救援的創(chuàng)新技術(shù)和設(shè)備的起點(diǎn)，為海上作業(yè)人員提供多功能和高度安全的生存設(shè)備。通過利用信標(biāo)技術(shù)、自釋放充氣技術(shù)和水開關(guān)，實(shí)現(xiàn)多功能一體化，為遇險(xiǎn)人員提供多重保護(hù)，提高海上作業(yè)人員的生存率。

該設(shè)計(jì)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(gè)人報(bào)警標(biāo)簽。這種自動(dòng)充氣裝置可以裝入一件馬甲，在水中保護(hù)人，防止人落水后沒有及時(shí)反應(yīng)而發(fā)生意外。便攜式應(yīng)急信標(biāo)體積小、重量輕，信號(hào)傳輸穩(wěn)定，定位準(zhǔn)確。它具有非常重要的實(shí)際意義，因?yàn)檎Ｅ宕鲿r(shí)對(duì)海上各種活動(dòng)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(shí)可以快速、有效地使用。

2 整體設(shè)計(jì)

本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)研發(fā)的多功能集成馬甲其應(yīng)用了北斗定位技術(shù)、自動(dòng)充氣技術(shù)[3]、無線通信技術(shù)和后備供電技術(shù)。主要的控制模塊是STM32F103 系統(tǒng)，受北斗定位模塊控制，獲取經(jīng)緯度信息。北斗定位技術(shù)用于發(fā)送、傳輸和接收被救者的重要數(shù)據(jù)。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(jù)當(dāng)前情況制訂計(jì)劃和采取救援措施。其設(shè)計(jì)的多功能集成馬甲的能量來源為馬甲配備的供電裝置，當(dāng)水源注滿足特殊開關(guān)時(shí)，供電系統(tǒng)將形成通路，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)關(guān)聯(lián)圖

2.1 實(shí)體件設(shè)計(jì)

2.1.1 原材選取本產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(yīng)開關(guān)、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(guó)內(nèi)外救生衣研究現(xiàn)狀之上的，滿足IMO國(guó)際海事組織的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)達(dá)到“隨身穿戴，落水即發(fā)”的要求，最大程度地保護(hù)意外落水人員。與普通的救生馬甲不同，本項(xiàng)目為內(nèi)外兩穿式的馬甲，運(yùn)用NEOPRENE氯丁橡膠布料，質(zhì)量堅(jiān)韌，耐溫變、耐磨損，不管是內(nèi)穿還是外穿皆不累贅，內(nèi)穿更不會(huì)影響海上工作者穿著工作服[4]。

2.1.3 自動(dòng)充氣氣囊

前后共4 個(gè)充氣包，兩個(gè)帶傳感裝置的衣下充氣包，涂有密封套的充氣嘴，三層保護(hù)，即耐磨的外層（防止日常磨損）、中間絕緣層（防止其他物體進(jìn)入，減少風(fēng)險(xiǎn)）和一個(gè)內(nèi)襯層（用于保護(hù)），設(shè)定的空氣壓差，在一個(gè)回路中同時(shí)串聯(lián)運(yùn)行。其中最外層與柔性壓力傳感器結(jié)合[5]，當(dāng)它落入水中時(shí)，啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)，第三層氣囊左右兩邊同時(shí)充氣，降低充氣時(shí)間。

2.1.4 感應(yīng)開關(guān)

為了避免人掉進(jìn)水里時(shí)的恐慌和混亂，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種特殊的先進(jìn)的智能開關(guān)，能對(duì)遇到水時(shí)立即進(jìn)入的要求做出反應(yīng)。水開關(guān)的設(shè)計(jì)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(shí)啟動(dòng)裝置，及時(shí)為人員提供保護(hù)，減輕了海浪的沖擊，減緩了墜落者的情緒困擾。此外，該團(tuán)隊(duì)還保留了一個(gè)物理按鈕開關(guān)，以便在緊急情況下手動(dòng)打開，提供雙重保護(hù)。

2.1.5 STM32F103控制系統(tǒng)

STM32F103是STM32單片機(jī)的F1系列產(chǎn)品，是意法半導(dǎo)體ST公司生產(chǎn)的一種基于ARM 7架構(gòu)的32位、支持實(shí)時(shí)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(jìn)的ARM Cortex-M3核心架構(gòu)，具有出色的實(shí)時(shí)性能、優(yōu)秀的電源管理和創(chuàng)新的外設(shè)，以及最大的集成度，使其非常容易開發(fā)，并提供許多外設(shè)擴(kuò)展，以便在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。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(dòng)信號(hào)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(duì)救生馬甲進(jìn)行準(zhǔn)確定位，需要測(cè)量4顆已知坐標(biāo)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(hào)傳播到定位模塊接收機(jī)的時(shí)間得到[8]。北斗RNSS是我國(guó)自主研發(fā)的，在技術(shù)上可以不受海外壟斷。

2.2 北斗定位模塊的硬件設(shè)計(jì)

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(yīng)在100 mA以上。

2.2.2 通信口

SIM68VB有兩個(gè)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(shù)據(jù)輸出和輸入。主要的串行數(shù)據(jù)接收（RXD）和傳送（TXD）的端口包含了一個(gè)16 位的FIFO和256字節(jié)的URAM。由Core Builder工具設(shè)置波特率，范圍從4.8～921.6 kB。UART1被用作RTCM。

2.2.3 A-GPS

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

2.2.4 北斗信號(hào)天線

當(dāng)北斗和GPS 信號(hào)相對(duì)較弱時(shí)，天線參考數(shù)據(jù)格外重要，具體參數(shù)如表2 所示。關(guān)于天線的選擇和定位對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的接收有很大影響，甚至?xí)绊懙蕉ㄎ坏臏?zhǔn)確性和速度。提倡使用能夠同時(shí)接收北斗和GPS信號(hào)的有源天線。

表2 北斗天線參數(shù)

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(shè)計(jì)

前后共4個(gè)充氣袋，衣服下面有2個(gè)帶感應(yīng)裝置的充氣袋，充氣嘴有重疊的密封袖口，三層保護(hù)，外層耐磨層（防止日常磨損）、中間絕緣層（防止其他物體進(jìn)入，降低風(fēng)險(xiǎn)）和內(nèi)襯層（用于保護(hù)），安裝的氣壓降同時(shí)工作，串聯(lián)在電路中，落水時(shí)氣泵。

2.3.2 整體電路、水開關(guān)的設(shè)計(jì)

落水后，氣壓泵首先應(yīng)急，檢測(cè)到氣壓及水源（檢測(cè)到其一即啟動(dòng)）變化，氣壓泵工作，迅速充氣（設(shè)置4個(gè)充氣泵，前后各2個(gè)保證充氣的迅速）同時(shí)自動(dòng)求救，與定位系統(tǒng)相結(jié)合，發(fā)出求救以及定位，直到得到救援。

2.3.3 北斗信標(biāo)的功能實(shí)現(xiàn)

該信標(biāo)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(guān)構(gòu)成，通過柔性防水電纜連接水上部分；天線、信號(hào)模塊、LED 指示燈和一個(gè)按鍵組成其水上部分的結(jié)構(gòu)。北斗信標(biāo)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(biāo)能可靠運(yùn)行。北斗信標(biāo)運(yùn)作邏輯如圖3所示，北斗信標(biāo)各組成部分的功能如下。

圖3 北斗信標(biāo)運(yùn)作邏輯

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

（2）北斗模塊：收發(fā)北斗信號(hào)，啟動(dòng)北斗定位，并翻譯短信息。

（3）LED 指示燈：標(biāo)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(dòng)報(bào)警或誤報(bào)主動(dòng)恢復(fù)報(bào)警。

（5）電源模塊：根據(jù)控制模塊的要求，調(diào)整供電電壓。

（6）控制模塊：軟件檢測(cè)水位的變化并自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警；報(bào)警的手動(dòng)啟動(dòng)和一鍵復(fù)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(guān)：自動(dòng)啟動(dòng)加熱器，使其打開并運(yùn)行。

（8）電池：供電。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 整體功能的實(shí)現(xiàn)

在發(fā)生事故時(shí)，應(yīng)急裝置自發(fā)打開，信標(biāo)向當(dāng)?shù)睾Ｑ缶仍行陌l(fā)出警報(bào)，信標(biāo)被移到位置上，這時(shí)自動(dòng)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(dòng)開關(guān)失效，可以手動(dòng)強(qiáng)制開關(guān)），救生位置指示燈自動(dòng)亮起，具體原理如圖4所示。

圖4 整體功能實(shí)現(xiàn)原理

3.2 功能說明

3.2.1 啟用開關(guān)

當(dāng)船上人員不幸遇險(xiǎn)，可以通過手動(dòng)開啟按鈕觸發(fā)信標(biāo)，或在人員落水后自動(dòng)啟動(dòng)水上開關(guān)，通過軟件判斷其連續(xù)啟動(dòng)時(shí)間，氣囊迅速充氣，確認(rèn)信標(biāo)運(yùn)行，亮起報(bào)警指示燈。

3.2.2 傳輸遇險(xiǎn)信息

控制模塊的軟件通過識(shí)別和檢測(cè)到報(bào)警后，即啟動(dòng)北斗定位模塊獲取位置信息，成功獲取后，北斗信標(biāo)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(nèi)容包括北斗信標(biāo)號(hào)（與操作者唯一對(duì)應(yīng)）、操作者的遇險(xiǎn)信號(hào)時(shí)間、遇險(xiǎn)點(diǎn)坐標(biāo)。

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

3.2.3 SOS響應(yīng)

在收到SOS 短信息后，SAR 系統(tǒng)應(yīng)該回復(fù)一條短信息。信標(biāo)收到響應(yīng)后，會(huì)以30 s 的間隔慢慢提醒操作者，報(bào)警成功了。

3.2.4 報(bào)警處理失敗

如果在60 s 內(nèi)沒有收到對(duì)求救信號(hào)的響應(yīng)，控制模塊在60 s 后自動(dòng)重復(fù)簡(jiǎn)短的求救信息，直到成功收到求救信號(hào)。

3.2.5 報(bào)警取消

在成功清除報(bào)警后，如果水?dāng)嗦菲髡`跳閘和其他誤報(bào)警的情形下，或險(xiǎn)情已經(jīng)排除，不再需要援助，則可通過按鍵發(fā)送短消息，且回憶報(bào)警信息，而后報(bào)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(bào)反應(yīng)

搜救系統(tǒng)在收到短促的求救信號(hào)時(shí)，應(yīng)做出回應(yīng)，無線電信標(biāo)在收到回應(yīng)時(shí)，應(yīng)在報(bào)警指示器上發(fā)出30 s的慢閃提醒，以示成功報(bào)警。

3.2.7 召回警報(bào)處理失敗

假設(shè)在60 s 內(nèi)沒有收到對(duì)求救信號(hào)的回應(yīng)，控制面板在60 s 后自動(dòng)重復(fù)簡(jiǎn)短的警報(bào)召回信息，直到警報(bào)召回成功。

3.2.8 基于時(shí)間的傳輸

當(dāng)人員落入水中時(shí)，往往會(huì)隨著水流移動(dòng)。該信標(biāo)定期向搜救系統(tǒng)發(fā)送遇險(xiǎn)信號(hào)，以更新落水者的位置。

3.2.9 低電池提醒

信標(biāo)在每次啟動(dòng)信標(biāo)模塊前需要檢查電池電壓。假設(shè)電壓不足以開始定位信標(biāo)模塊和發(fā)送短信息，報(bào)警指示燈就會(huì)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(shí)現(xiàn)原理

地面站首先向一號(hào)和二號(hào)衛(wèi)星發(fā)出請(qǐng)求，然后通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器傳送到覆蓋區(qū)域內(nèi)的用戶計(jì)算機(jī)。用戶對(duì)來自一顆衛(wèi)星的請(qǐng)求信號(hào)做出反應(yīng)，并同時(shí)向兩顆衛(wèi)星發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，該信號(hào)通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器返回地面站。地面站接收并解調(diào)用戶的信號(hào)，并根據(jù)用戶的服務(wù)應(yīng)用內(nèi)容對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

關(guān)于定位請(qǐng)求，地面站需要測(cè)量?jī)蓚€(gè)時(shí)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(qǐng)求信號(hào)到達(dá)、用戶定位響應(yīng)信號(hào)傳輸和用戶響應(yīng)信號(hào)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(qǐng)求信號(hào)到達(dá)、用戶響應(yīng)信號(hào)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(gè)延遲值計(jì)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(diǎn)的橢圓體的交點(diǎn)。此外，地面站能由存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的數(shù)字地形圖確認(rèn)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(jì)算出用戶位置的三維坐標(biāo)，并將其加密，作為輸出信號(hào)發(fā)送給用戶。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)是基于現(xiàn)有的先進(jìn)通信技術(shù)對(duì)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(xì)的設(shè)計(jì)，項(xiàng)目在未來還會(huì)繼續(xù)發(fā)展，團(tuán)隊(duì)會(huì)向著創(chuàng)新、智能、便捷的方向?qū)@一款順應(yīng)時(shí)代科技潮流的現(xiàn)代化海上求生產(chǎn)品進(jìn)行完善。