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论文研究-基于GPS和ZigBee技术的海上自定位搜救报警系统的开发设计 .pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.56M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 基于 GPS 和 ZigBee 技术的海上自定位搜救 报警系统的开发设计 闫俊涛，高立，任旭鹏** （北京邮电大学网络教育学院，北京 100876） 摘要：海上环境恶劣，海难事故突发，救援队伍如何能够快速高效地对落水求救人员进行定 位和搜救，是海上救援的工作重点和难点。本文介绍了基于 GPS 定位技术和 ZigBee 无线通 信技术的海上搜救报警系统的体系结构，系统组成，工作原理以及软硬件电路的设计，最后 对系统进行了功能测试。测试结果表明本系统不仅可以很好完成海上定位报警求救功能需 求，同时由于加入了 ZigBee 组网技术有效地降低了系统的功耗，延长了设备的使用寿命。 关键词：GPS；ZigBee；海上搜救 中图分类号：TN92 5 10 15 The development of sea rescue alarm system based on GPS and ZigBee technology YAN Juntao, GAO Li, REN Xupeng (School of Network Education,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876) 20 25 Abstract: Marine environment is complex and maritime accidents occur frequently. How to locate and rescue the person in distress quickly and effectively is a difficult but important work to solve for the marine rescue team. The development of marine rescue alarm system based on GPS positioning technology and ZigBee wireless communication technology is discussed in this article, including system architecture, system components, software & hardware circuit design ,and then the system function tests. The test results indicated that the system can not only well complete the requirements of maritime distress alarm function ,but also can effectively reduce the system power consumption and extend the service life of the device due to combining with the ZigBee networking technology . Key words: GPS; ZigBee; Sea rescue 30 0 引言 近年来，国际航运事业得到飞速发展，海洋经济也成为国民经济的重要组成部分。由于 海上环境复杂，海上事故时有发生。据统计，全世界每年约有 10 万人在海难事故中丧生[1]。 海上事故突发，环境恶劣，落水人员可能会遇到大风大浪或跟随海流漂浮，位置不断发生变 35 化，落水人员长时间在低温海水中浸泡会被冻僵失去知觉或有遭受鲨鱼、章鱼等海洋生物的 攻击危险，这些都给海上救援人员的搜救工作带来了很大的困难 [2]。海上遇险人员越早被 发现，获救生还的可能性就越大。因此如何尽快高效地获得遇险人员的求救信息，搜寻到遇 险人员并组织施救，保障人民生命财产安全成为海岸救援中心和救援队伍需要认真考虑和解 决的问题。 40 目前国内在人员搜救方式上仍然主要依靠搜救飞机和船只上的搜救人员人眼搜索定位 的方式，或者根据海况信息进行航线预测、人员漂流轨迹预测模型等传统搜救定位方式[3]， 作者简介：闫俊涛（1987-），男，硕士研究生，主要研究方向：嵌入式系统开发和设计 通信联系人：高立，女，副教授，主要研究方向：信号与信息处理、无线网络接入、系统集成与服务. E-mail: tail@263.net - 1 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 耗时耗力，而且准确度不高。国内有些研究者利用现代信息通信技术和 GPS 定位技术研究 设计了相应的定位搜救设备，但会存在多终端同时工作时系统利用率低，功耗大，终端使用 寿命短等不足[4]。本文设计的自定位海上搜救报警系统，利用 GPS 定位技术不仅满足了基 本的定位报警需求，同时对降低系统功耗重点考虑，在系统设计中加入 ZigBee[5]组网技术， 可以有效地降低定位报警终端的功耗，延长系统工作时间，较好地满足落水遇险人员的报警 45 求救需求。 1 自定位搜救报警系统的理论设计 50 1.1 自定位搜救报警系统的系统结构 GPS 搜救报警系统工作原理图如图 1 所示，整个搜救过程由海上自定位报警装置，卫 星，海岸救援控制指挥中心、海上搜救队员和附近船只共同完成。 在恶劣海况天气或其他异常情况下，遇险人员可以迅速启动 GPS 定位报警装置，报警 装置通过扫描卫星获得当前的经纬坐标和时间信息，然后利用无线信号发射器向海岸救援控 55 制指挥中心或邻近海域船只广播发送求救报警信息，海岸救援中心或邻近海域船只接收到求 救信号后，迅速派出救援队伍，根据落水者佩戴的报警装置提供的位置信息对落水人员展开 搜索和营救。 该搜救报警系统由两部分组成：定位报警发射终端和信号接收显示终端。发射终端负责 落水人员的定位和求救信号发射，接收显示终端负责求救信号的接收和显示，提示救援人员 60 落水者的位置信息。 图 1 海上搜救报警系统原理图 Fig. 1 Sea rescue alarm system schematic 1.2 功耗处理和组网方式 65 报警发射终端主要由三个模块组成：GPS 定位模块、MCU 控制模块、无线信号发送模 块，分别完成定位功能、数据分析和处理功能以及信号发射功能。ZigBee 技术是基于 IEEE802. 15.4 无线标准开发的短距离无线通信技术具有低功耗、低速率、低成本、抗干扰性强、高保 密性、自组网等众多优点，被广泛应用于自能家居、智能抄表、环境监测等不同应用场合。 - 2 - GPS报警系统卫星海上搜救队员或附近船只人员海岸救援控制指挥中心GPS接收终端通过卫星通信得到导航定位信息报警终端向海岸指挥中心发送求救信号报警终端向附近船只发送求救信号海岸控制中心向救援队伍或附近船只发送救援通知
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 本系统的 MCU 主控制芯片采用德州仪器公司生产的 ZigBee 芯片 CC2430。传统的搜救报警 70 系统一般设计为单个发射终端以大功率独立向接收设备发送信号的通信方式，存在的不足是 发射终端功耗大，设备使用寿命短，多个终端同时发射时还会引起信道争用等问题。本系统 设计时采用了方便控制的星型组网方式。星型网路中存在唯一的协调器和多个终端节点，协 调器负责整个星型网络的建立和维护，终端节点功能最简单，只负责和协调器通信进行信息 交换。定位报警终端工作和组网方式如图 2 所示，当终端节点 F 不在 A 协调器建立的无线 75 网络中时，F 终端节点独立向信号接收端发射求救信号，当 F 节点处在 A 协调器的无线网 络覆盖范围中时，终端节点 F 加入网络，通过协调器 A 来转发求救报警信息。同样，处在 网络中的终端节点 B、C、D、E 均用较小功率与协调器 A 进行通信，由 A 向信号接收端转 发求救信息。终端节点在信息交互完毕后进入休眠状态，可以极大地降低功耗，延长终端电 池使用寿命。 80 图 2 终端组网工作示意图 Fig. 2 System working diagram 2 自定位搜救报警系统的软硬件设计 2.1 系统硬件设计 85 自定位搜救报警系统发射终端的硬件设计电源部分、GPS 部分、MCU 控制部分、射频 发射模块部分、LED 示位模块，如图 3 所示。电源模块由大容量电池供电，GPS 模块采用 u-blox 公司生产的 NEO-6M 卫星定位模块，TI 公司生产的 CC2430 单片机是一款专用于 IEEE802.15.4 和 ZigBee 通信的片上系统解决方案，是发射终端的控制和数据处理中心。射 频发射模块采用 F21TM 无线数传模块，承担系统无线信号发送和接收的任务。在夜间海上 90 视野较差的情况下，为了让搜救人员更容易的发现落水人员的位置，在自定位报警终端中添 加了 LED 示位模块，夜间报警终端上的高亮 LED 灯以一定频率闪烁，可以引起搜救人员注 意，提高获救成功率。接收端相比于发射端设计较简单，通过串口将接收数据发送给电脑显 示器显示，只包含电源部分、MCU 控制部分和无线信号接收部分。 - 3 - A协调器终端B终端C终端D终端E终端F信号接收站A协调器终端B终端C终端D终端E终端F信号接收站
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 95 图 3 发射终端系统硬件架构图 Fig. 3 System hardware architecture diagram 2.2 系统软件设计 整个系统的控制软件使用 IAR Embedded Workbench 软件平台进行项目的开发和编写。 嵌入式 IAR Embedded Workbench 适用于大量的 8 位、16 位、32 位的微处理器和微控制器， 100 为用户提供一个简单易学和具有最大量代码继承能力的开发环境，提供对大多数和特殊目标 处理器的支持。协调器节点和终端节点在硬件电路的设计上并没有很大区别，主要功能实现 是通过软件编程实现的。图 3 和图 4 分别为展示了协调器和终端节点的工作流程。 105 图 4 协调器工作流程 图 5 终端节点工作流程 Fig. 4 Workflow of coordinator Fig. 5 Workflow of terminal node 3 自定位搜救报警系统的测试 3.1 搜救报警系统防水处理 自定位搜救报警系统的作业环境是海上，因此需要进行防水处理。如图 6 所示，将完成 110 的整个自定位搜救报警系统发射终端的电路板和电源模块封装在优质的热塑性塑料 ABS 做 成的防水盒中，该防水盒耐高温烤，防水等级达 IP66 以上，超强防水。同时对暴露在外的 LED 示位灯使用了防水胶进行相应的防水处理。防水盒尺寸较小，方便佩戴。 - 4 - 接收和存储各终端节点发送求救信息协调器统一发送求救信息间隔一段时间协调器上电硬件功能模块初始化协议栈初始化能量扫描搜索可用信道搜索到可用信道？信道择优建立网络是否有节点申请加入网络分配网络地址允许节点加入是否终端节点上电硬件功能模块初始化协议栈初始化搜索可用信道搜索周围是否存在协调器建立的网络发出加入网络响应请求成功加入网络是否获取GPS位置信息，向协调器发射求救信息启动独立发射求救信号方案获取GPS位置信息，使用u-blox发射信号
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 115 3.2 功能测试 图 6 搜救报警系统实物图 Fig. 6 Rescue alarm system physical map 由于缺乏海上真实测试环境，本系统的功能测试在实验室条件下完成。在本系统设计中， 多终端同时工作时，设备之间组建成星型网络进行通信。由于设备有限，测试时使用了 5 个自定位搜救报警发射终端进行测试，包括一个协调器和 4 个终端节点。如图 7 示，协调器 120 的序列号分配为 0000，其他终端的序列号依次被分配为 0001、0002、0003、0004，序列号 可以作为设备在网络中唯一标识。 图 7 多终端星型组网功能测试示意图 Fig. 7 Multi-terminal star networking tests schematic diagram 125 各终端上电初始化完成后，终端节点先后加入协调器 0000 建立的无线网络，与协调器进行信息交换， 用较小功率将自身位置信息发送给协调器 0000，最后由协调器向接收端发送求救信息。接收端通过串口与 PC 机相连，将接收到的报警求救信息在串口调试助手上显示出来，如图 8 所示，串口打印各终端节点的报 警求救信息，包括节点序列号、求救信号发送时间、落水人员经纬度信息。 130 图 8 测试结果打印信息 - 5 - 自定位搜救报警发射终端搜救报警接收模块ZE 0001ZE 0002ZC 0000ZE 0004ZE 0003
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn Fig. 8 Test results 自定位搜救报警发射终端采用 26650 型 3.7V 可充电锂电池供电，单节电池容量为 5400mAh。终端节点电源为 4 节电池并联，容量达 21600mAh，协调器电源为 6 节电池并联， 容量达 32400mAh。在实验室环境下单个终端节点独立向接收端发送信息最大工作时间约为 135 55 小时，在协调器终端组网通信环境下单个终端节点工作时间可达 81 小时，工作时间比独 立通信时间延长了 47.2%。测试结果表明本自定位系统采用的设计方式可以有效提高定位搜 救报警系统工作寿命。 4 结论 本文给出了结合 GPS 定位技术和 ZigBee 通信组网技术的海上自定位搜救报警系统的基 140 本设计思路、设计方法以及系统测试结果，该自定位搜救报警系统不仅能够完成基本海上落 水遇险人员定位求救报警基本功能外，同时加入了创新设计，添加高亮 LED 示位灯可以在 夜晚帮助搜救人员更容易发现落水目标，提高获救概率，同时设计中引入 ZigBee 组网技术， 可以有效降低定位报警终端的功耗，延长设备使用寿命，为落水遇险人员提供求救信息帮助。 145 [参考文献] (References) [1] 高万林.飞行员的海上营救[J].中国个体防护装备，2003，2 [2] 褚新奇.海上救生难点与对策[J].海军医学杂志，2002，23（2）：140-141 [3] 王洵，李昊，管冰蕾等.海上遇险漂流目标跟踪系统研究探讨[J].中国航海，2010,33（3）：18-19 [4] 王冬冬，陈永剑.基于 GPS 和电子海图的落水人员搜救定位系统.航空电子技术，2012,43（2）：14-16 [5] 李文仲,段朝玉.ZigBee 无线网络技术入门与实践[M].北京航空航天大学出版社，2007 150 - 6 -
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