曾鳳 肖天庭 任建新 趙仁港 王才才 周維康 王偉

摘要：針對(duì)海上未配備AIS的小型船舶存在航行安全等問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于LoRa的海上航行安全及應(yīng)急救援系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用LoRa技術(shù)在大船一小船間進(jìn)行AIS數(shù)據(jù)流的遠(yuǎn)距離傳輸，并通過(guò)設(shè)計(jì)AIS解析算法實(shí)時(shí)提取船舶的動(dòng)靜態(tài)信息，結(jié)合船舶的GPS信息和姿態(tài)傳感信息，可在手機(jī)終端APP里實(shí)時(shí)顯示未配備AIS的小型船舶信息，有效實(shí)現(xiàn)海上航行安全及應(yīng)急救援。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)的有效通信距離可以滿足安全航行需求。且與傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)裝置及手持式AIS設(shè)備相比，該系統(tǒng)突破了距離覆蓋和電能消耗的制約，具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：航行安全;應(yīng)急救援;LoRa技術(shù);AIS解析;遠(yuǎn)距離傳輸;系統(tǒng)測(cè)試

中圖分類號(hào)：TN965-34;TP301.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X（ 2019）24-0121-04

0 引言

隨著航運(yùn)業(yè)的快速發(fā)展，不斷增長(zhǎng)的船舶數(shù)量和交通密度已嚴(yán)重影響水域的交通安全[1-3]。船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（ Automatic Identification System，AIS）可以有效實(shí)現(xiàn)船與船、船與岸之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換及目標(biāo)信息識(shí)別，為海上航行安全及應(yīng)急救援提供了重要保障[4-6]。

然而，現(xiàn)有的船載AIS設(shè)備只在滿足條件的大型船舶上安裝，在沿海數(shù)量眾多的小型漁船上并沒(méi)有得到普及，這給海上航行安全帶來(lái)了很大隱患[4]。目前針對(duì)未配備AIS的小型船舶航行安全及應(yīng)急救援主要是利用互聯(lián)網(wǎng)裝置[8]及手持式AIS設(shè)備[9]等，但這兩種方式都存在明顯不足。

利用互聯(lián)網(wǎng)及定位裝置只能覆蓋近海岸10 km范圍以內(nèi)船舶，不能滿足大多海上作業(yè)場(chǎng)景的遠(yuǎn)距離航行需求。同時(shí)，由于海上無(wú)線通信技術(shù)更新不足，通信可靠性受海洋環(huán)境影響較大，基于互聯(lián)網(wǎng)方式的穩(wěn)定性也無(wú)法得到保證。手持式AIS設(shè)備只是對(duì)原有AIS的功能簡(jiǎn)化，但其依然利用甚高頻天線通信，這就大大增加了電能損耗。而對(duì)海上航行來(lái)說(shuō)，小型船舶的電子設(shè)備電源供電一直存在技術(shù)瓶頸。

本文針對(duì)上述問(wèn)題，基于LoRa技術(shù)具有傳輸距離遠(yuǎn)、消耗功耗低等顯著優(yōu)勢(shì)[10-12]，提出利用LoRa模塊將發(fā)射端大船的AIS信息向附近海域廣播，周圍裝有LoRa接收模塊的小船對(duì)收到的AIS數(shù)據(jù)流進(jìn)行解析，并結(jié)合自身的GPS信息可在手機(jī)終端APP里獲得目前的安全航行數(shù)據(jù);同時(shí)，小船可利用LoRa模塊廣播通過(guò)姿態(tài)傳感器讀取的本船動(dòng)靜態(tài)信息，為附近海域裝有LoRa模塊的大船或小船提供自身的航行數(shù)據(jù)，有效實(shí)現(xiàn)了海上雙向航行安全。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本設(shè)計(jì)可行性高、電能損耗低、通信距離滿足安全航行需求，對(duì)海上碰撞事故的發(fā)生具有較好的預(yù)防作用。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件分為發(fā)射端和接收端，兩部分之間通過(guò)LoRa模塊進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。

發(fā)射端與接收端均以STM32為主控芯片，同時(shí)配備藍(lán)牙與WiFi模塊，可以與智能終端進(jìn)行連接。系統(tǒng)工作流程如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)I通過(guò)串口讀取大船的AIS數(shù)據(jù)流，然后通過(guò)LoRa模塊I將讀取的AIS消息向附近海域廣播。其中：智能終端可通過(guò)藍(lán)牙模塊讀取小船返回的信息;周圍海域裝有LoRa模塊的小船可對(duì)大船發(fā)送的AIS數(shù)據(jù)流進(jìn)行接收，并通過(guò)AIS解析軟件將AIS消息在單片機(jī)Ⅱ上進(jìn)行解析，同時(shí)結(jié)合自身GPS模塊在智能終端上顯示周邊安全航行數(shù)據(jù)。姿態(tài)傳感器為了獲取小船向周邊船只廣播本船動(dòng)靜態(tài)信息。

其中發(fā)射端和接收端的系統(tǒng)框圖分別如圖1、圖2所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以STM32F103作為主控芯片，用于控制各個(gè)外圍模塊，完成數(shù)據(jù)的獲取、處理及收發(fā)任務(wù)。單片機(jī)軟件主要包括AIS數(shù)據(jù)流的解析、姿態(tài)傳感器/GPS數(shù)據(jù)的獲取和處理、WiFi及LoRa數(shù)據(jù)的收發(fā)。其工作流程圖如圖3所示。

2.2 智能終端軟件設(shè)計(jì)

智能終端APP由Java語(yǔ)言編寫(xiě)，提供電子海圖的顯示、周圍船只信息的顯示和查詢、船只相距過(guò)近的警報(bào)、緊急情況的發(fā)送以及聊天室等功能。其組成框圖如圖4所示。

其中，“緊急呼救”功能可在緊急情況下將本船的航行軌跡向附近船只廣播，同時(shí)允許手動(dòng)廣播緊急信息，為海上航行安全及應(yīng)急救援提供保障。其工作流程如圖5所示。

3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

3.1 實(shí)物圖

系統(tǒng)硬件和軟件的實(shí)物分別見(jiàn)圖6、圖7。其中，圖6連接AIS設(shè)備的部分是發(fā)射端，另一部分為應(yīng)用端。

圖7給出了智能終端APP的實(shí)際界面。因?yàn)椋悄芙K端APP作為收發(fā)信息的窗口，在整個(gè)系統(tǒng)中有著重要地位。良好的人機(jī)操作界面保障了該系統(tǒng)的簡(jiǎn)單易用性，也方便了用戶能夠及時(shí)進(jìn)行消息的傳遞。

3.2 功能驗(yàn)證

本系統(tǒng)的一大關(guān)鍵技術(shù)就是解析AIS數(shù)據(jù)流并獲取自身及周邊船只信息，這也是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的前提保證。針對(duì)AIS數(shù)據(jù)流解析這一環(huán)節(jié)進(jìn)行了測(cè)試，以驗(yàn)證系統(tǒng)功能的穩(wěn)定性。圖8為AIS設(shè)備界面，實(shí)時(shí)顯示詳細(xì)的船只信息。圖9為本系統(tǒng)通過(guò)軟件解析出的結(jié)果，其顯示的經(jīng)緯度、方位角、航速、航向等信息與AIS設(shè)備完全一致。

3.3 拉距測(cè)試

為了保障航行安全，還對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際通信距離進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試的路線圖和拉距結(jié)果分別如圖10、圖11所示。本文的測(cè)試選在復(fù)雜的城市環(huán)境（高樓林立、車流量大）下進(jìn)行，每隔200 m記錄一次接收信號(hào)強(qiáng)度指示（ Received Signal Strength Indication，RSSI）數(shù)值。從測(cè)試結(jié)果可以看出，在距離發(fā)射端4.6 km的時(shí)候仍然可以獲得-85 dBm的信號(hào)強(qiáng)度值，可以有效保障系統(tǒng)的信令、文字、求救信號(hào)等信息安全、可靠地傳輸。相比于信道條件更好的海面（開(kāi)闊、無(wú)遮擋），再通過(guò)架高天線等方式，其有效通信距離預(yù)計(jì)可達(dá)5.0-8.0 km，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)船舶海上安全航行距離需求[13-14]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于LoRa的海上航行安全及應(yīng)急救援系統(tǒng)，針對(duì)大量未配備AIS的小型船舶航行安全得不到保障的情況，利用LoRa技術(shù)進(jìn)行AIS數(shù)據(jù)流的遠(yuǎn)距離傳輸，通過(guò)對(duì)船舶的動(dòng)靜態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)提取來(lái)獲得周邊安全航行數(shù)據(jù)。相比于傳統(tǒng)的方案，本文設(shè)計(jì)具有覆蓋廣、能耗小、成本低、易使用等優(yōu)點(diǎn)，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

注：本文通訊作者為王偉。

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作者簡(jiǎn)介：曾鳳（1981-），女，四川廣安人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)閳D像處理、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

王偉（1983-），男，江蘇泗洪人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信、海域通信。