基于北斗的5G科技智能救生马甲

杨志鹏 李海澜 刘发铭

(北部湾大学 广西钦州 535000)

在我国“海洋强国”方针的指导下，随着海洋经济的发展和海员人数的增加，海上人员安全问题变得越来越重要。智能救生衣等智能救生设备在提高人们的救援效率和急救能力方面发挥着重要作用。同时，随着北斗卫星导航系统和5G网络通信技术的发展，利用新型科技手段实现了对救生装备与人员的远程监控与管理是具有重要意义和广阔前景。本文旨在设计开发一款内置北斗定位系统、5G 芯片的高精度、低时延的定位救生马甲，让海难逃生者在12 h 黄金救援时间内尽早地获得救援[1]。

1 项目背景

1.1 国际海难事故统计

据欧洲海事安全局（EMSA）统计，2006年，欧洲水域共发生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 年与2006 年相比的船舶事故这一比例显著上升，在上升率超过40%。2014年，一豪华游轮与韩国触礁，造成至少32人死亡；同年，“岁月”号在一次侵水事故中沉没，造成296人死亡。2015年，我国一艘货轮在长江中部湖北附近监利海域沉没，船上有454名乘客只有12人获救，442人遇难。2018年，仅中国籍船舶发生失事船只数目达到83艘，数量达到237 家，较上年同比增长24.7%。上述案例可以显示，世界海难救生问题是一个亟需解决的难题[2]。

1.2 国内现状

在我国航运业快速发展的同时，从事海上运输的船舶数量不断增加，如贸易、勘探、深海捕捞、游览等各种形式的海上活动都在开展，随之而来的是海上事故频发，船舶碰撞、进水、沉船、翻船等情况时有发生。例如：2015 年东方之星沉船事故，442 人遇难；2018 年上海吴淞口沉船事故，搜救82 h 仍有8 人失踪；2018 年1月桑格轮碰撞事故中桑格轮3 名船员死亡，29 名船员失踪。这种性质的航运灾难增加了对海上安全和人身安全的需求。由于海上救援设备越来越先进，在遇险率越来越高的情况下，逃生率也越来越高，但仍然无法进一步减少死亡人数。

因此，该项目是有效保护海上生命的起点，是海上救援的创新技术和设备的起点，为海上作业人员提供多功能和高度安全的生存设备。通过利用信标技术、自释放充气技术和水开关，实现多功能一体化，为遇险人员提供多重保护，提高海上作业人员的生存率。

该设计采用NEOPRENE 氯丁橡胶作为马甲的主要外在材料，耐磨、环保、轻便，并集成了便携式个人报警标签。这种自动充气装置可以装入一件马甲，在水中保护人，防止人落水后没有及时反应而发生意外。便携式应急信标体积小、重量轻，信号传输稳定，定位准确。它具有非常重要的实际意义，因为正常佩戴时对海上各种活动的开展影响不大，在海上工作的人容易携带，在发生过特殊情况时可以快速、有效地使用。

2 整体设计

本团队设计研发的多功能集成马甲其应用了北斗定位技术、自动充气技术[3]、无线通信技术和后备供电技术。主要的控制模块是STM32F103 系统，受北斗定位模块控制，获取经纬度信息。北斗定位技术用于发送、传输和接收被救者的重要数据。救援组织是接收终端，将信息传输给距离最近的救援组织，以便救援人员根据当前情况制订计划和采取救援措施。其设计的多功能集成马甲的能量来源为马甲配备的供电装置，当水源注满足特殊开关时，供电系统将形成通路，如图1所示。

图1 系统关联图

2.1 实体件设计

2.1.1 原材选取本产品设计主要采用了STM32F103 控制系统、充气式救生马甲、北斗定位模块、感应开关、5G芯片。

2.1.2 充气式救生马甲

该救生马甲的选择是基于目前国内外救生衣研究现状之上的，满足IMO国际海事组织的标准，同时达到“随身穿戴，落水即发”的要求，最大程度地保护意外落水人员。与普通的救生马甲不同，本项目为内外两穿式的马甲，运用NEOPRENE氯丁橡胶布料，质量坚韧，耐温变、耐磨损，不管是内穿还是外穿皆不累赘，内穿更不会影响海上工作者穿着工作服[4]。

2.1.3 自动充气气囊

前后共4 个充气包，两个带传感装置的衣下充气包，涂有密封套的充气嘴，三层保护，即耐磨的外层（防止日常磨损）、中间绝缘层（防止其他物体进入，减少风险）和一个内衬层（用于保护），设定的空气压差，在一个回路中同时串联运行。其中最外层与柔性压力传感器结合[5]，当它落入水中时，启动整个系统，第三层气囊左右两边同时充气，降低充气时间。

2.1.4 感应开关

为了避免人掉进水里时的恐慌和混乱，该团队开发了一种特殊的先进的智能开关，能对遇到水时立即进入的要求做出反应。水开关的设计取代了水滴传感器，减轻了自身的重量，提高了承受背部撞击的能力，能够在液体充满到一定程度时启动装置，及时为人员提供保护，减轻了海浪的冲击，减缓了坠落者的情绪困扰。此外，该团队还保留了一个物理按钮开关，以便在紧急情况下手动打开，提供双重保护。

2.1.5 STM32F103控制系统

STM32F103是STM32单片机的F1系列产品，是意法半导体ST公司生产的一种基于ARM 7架构的32位、支持实时仿真和跟踪的微控制器[6-7]，如图2所示。它搭载了最新、最先进的ARM Cortex-M3核心架构，具有出色的实时性能、优秀的电源管理和创新的外设，以及最大的集成度，使其非常容易开发，并提供许多外设扩展，以便在系统中实现。它还能够快速处理信息并控制北斗定位系统，该系统与5G移动信号一起提供连续的定位信息，最重要的是，在所有类似的控制系统中，它的功耗最低，从而减少了电源在功率输出方面的重量。

图2 STM32F103控制芯片

2.1.6 北斗定位模块

对救生马甲进行准确定位，需要测量4颗已知坐标的北斗定位卫星到救生马甲北斗定位模块之间的距离。定位模块到卫星的距离可由真空中的光速乘以卫星信号传播到定位模块接收机的时间得到[8]。北斗RNSS是我国自主研发的，在技术上可以不受海外垄断。

2.2 北斗定位模块的硬件设计

2.2.1 电池部分

电池电压VCC的输入的范围是2.8～4.3 V，电源需要是清洁的、稳定的电压，输出电压应在100 mA以上。

2.2.2 通信口

SIM68VB有两个串行通信端口（UART和UART1），主串行端口（UART）被用作NMEA通信端口，其详情如表1所示。

表1 通信口详情

PMTK命令的数据输出和输入。主要的串行数据接收（RXD）和传送（TXD）的端口包含了一个16 位的FIFO和256字节的URAM。由Core Builder工具设置波特率，范围从4.8～921.6 kB。UART1被用作RTCM。

2.2.3 A-GPS

协同定位（A-GPS）可以在特定的条件下提升初次定位的时间。SIM68VB 支持的A-GPS Mode 有EASY Mode、EPO file和SBAS/RTCM。

2.2.4 北斗信号天线

当北斗和GPS 信号相对较弱时，天线参考数据格外重要，具体参数如表2 所示。关于天线的选择和定位对卫星信号的接收有很大影响，甚至会影响到定位的准确性和速度。提倡使用能够同时接收北斗和GPS信号的有源天线。

表2 北斗天线参数

有源天线的灵敏度一般比无源电源高大约3 dB。

2.3 硬件开发

2.3.1 充气气囊的设计

前后共4个充气袋，衣服下面有2个带感应装置的充气袋，充气嘴有重叠的密封袖口，三层保护，外层耐磨层（防止日常磨损）、中间绝缘层（防止其他物体进入，降低风险）和内衬层（用于保护），安装的气压降同时工作，串联在电路中，落水时气泵。

2.3.2 整体电路、水开关的设计

落水后，气压泵首先应急，检测到气压及水源（检测到其一即启动）变化，气压泵工作，迅速充气（设置4个充气泵，前后各2个保证充气的迅速）同时自动求救，与定位系统相结合，发出求救以及定位，直到得到救援。

2.3.3 北斗信标的功能实现

该信标由两部分组成,分别分布于水上和水下。水下部分由控制模块、电缆和水开关构成，通过柔性防水电缆连接水上部分；天线、信号模块、LED 指示灯和一个按键组成其水上部分的结构。北斗信标的水上部分和水下部分都有水密外壳，以满足防水要求，以便在人员落水的情况下信标能可靠运行。北斗信标运作逻辑如图3所示，北斗信标各组成部分的功能如下。

图3 北斗信标运作逻辑

（1）北斗天线：用于接收S频（2.5 GHz）北斗定位信号和发射L频（1.6 GHz）北斗定位信号。

（2）北斗模块：收发北斗信号，启动北斗定位，并翻译短信息。

（3）LED 指示灯：标示装备各种工作状态指示灯，且有近距离示位作用。

（4）按钮：人工紧急主动报警或误报主动恢复报警。

（5）电源模块：根据控制模块的要求，调整供电电压。

（6）控制模块：软件检测水位的变化并自动触发报警；报警的手动启动和一键复位；北斗模块的电源管理和短信息的收发；短信息的打包；LED状态指示灯的控制。

（7）水开关：自动启动加热器，使其打开并运行。

（8）电池：供电。

3 软件设计

3.1 整体功能的实现

在发生事故时，应急装置自发打开，信标向当地海洋救援中心发出警报，信标被移到位置上，这时自动充气泵开始工作，救生衣迅速充气膨胀，为幸存者提供足够的浮力（如果自动开关失效，可以手动强制开关），救生位置指示灯自动亮起，具体原理如图4所示。

图4 整体功能实现原理

3.2 功能说明

3.2.1 启用开关

当船上人员不幸遇险，可以通过手动开启按钮触发信标，或在人员落水后自动启动水上开关，通过软件判断其连续启动时间，气囊迅速充气，确认信标运行，亮起报警指示灯。

3.2.2 传输遇险信息

控制模块的软件通过识别和检测到报警后，即启动北斗定位模块获取位置信息，成功获取后，北斗信标向操作者发出10 s 的快速间歇提醒，并向SAR 卫星系统发送短消息，短消息内容包括北斗信标号（与操作者唯一对应）、操作者的遇险信号时间、遇险点坐标。

(1)土壤水中离子浓度。离子浓度越低，潜在破坏风险越高。分散性土在离子浓度很低时，是最容易被水侵蚀的，如雨水。

3.2.3 SOS响应

在收到SOS 短信息后，SAR 系统应该回复一条短信息。信标收到响应后，会以30 s 的间隔慢慢提醒操作者，报警成功了。

3.2.4 报警处理失败

如果在60 s 内没有收到对求救信号的响应，控制模块在60 s 后自动重复简短的求救信息，直到成功收到求救信号。

3.2.5 报警取消

在成功清除报警后，如果水断路器误跳闸和其他误报警的情形下，或险情已经排除，不再需要援助，则可通过按键发送短消息，且回忆报警信息，而后报警指示灯可以接收到大约10 s的快速闪烁提示。

3.2.6 回顾警报反应

搜救系统在收到短促的求救信号时，应做出回应，无线电信标在收到回应时，应在报警指示器上发出30 s的慢闪提醒，以示成功报警。

3.2.7 召回警报处理失败

假设在60 s 内没有收到对求救信号的回应，控制面板在60 s 后自动重复简短的警报召回信息，直到警报召回成功。

3.2.8 基于时间的传输

当人员落入水中时，往往会随着水流移动。该信标定期向搜救系统发送遇险信号，以更新落水者的位置。

3.2.9 低电池提醒

信标在每次启动信标模块前需要检查电池电压。假设电压不足以开始定位信标模块和发送短信息，报警指示灯就会发出连续的高速闪烁提醒，表明电池电量不足。

3.3 定位功能的实现原理

地面站首先向一号和二号卫星发出请求，然后通过卫星转发器传送到覆盖区域内的用户计算机。用户对来自一颗卫星的请求信号做出反应，并同时向两颗卫星发送响应信号，该信号通过卫星转发器返回地面站。地面站接收并解调用户的信号，并根据用户的服务应用内容对数据进行处理。

关于定位请求，地面站需要测量两个时间延迟：地面站可以通过其中一颗卫星向用户发送的请求信号到达、用户定位响应信号传输和用户响应信号通过同一卫星返回地面站之间的延迟；地面站通过上述同一卫星向用户发送的请求信号到达、用户响应信号传输和返回地面站之间的延迟。已知地面站和两颗卫星的位置，从用户到第一颗卫星的距离和从用户到两颗卫星的距离之和可以从上述两个延迟值计算出来，以便用户处于以第一颗卫星为中心的球体和以两颗卫星为焦点的椭圆体的交点。此外，地面站能由存储在计算机中的数字地形图确认用户的高度，这说明用户处于与地球参考椭圆体平行的椭圆体中，使地面站最终能够计算出用户位置的三维坐标，并将其加密，作为输出信号发送给用户。

4 结语

本设计是基于现有的先进通信技术对海上救援定位救生衣提供的一种新的选择方案，在定位、材料组成、控制系统等做了较为详细的设计，项目在未来还会继续发展，团队会向着创新、智能、便捷的方向对这一款顺应时代科技潮流的现代化海上求生产品进行完善。