基于LoRa的海上航行安全及应急救援系统设计

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　　摘要：针对海上未配备AIS的小型船舶存在航行安全等问题，设计一种基于LoRa的海上航行安全及应急救援系统。该系统利用LoRa技术在大船一小船间进行AIS数据流的远距离传输，并通过设计AIS解析算法实时提取船舶的动静态信息，结合船舶的GPS信息和姿态传感信息，可在手机终端APP里实时显示未配备AIS的小型船舶信息，有效实现海上航行安全及应急救援。测试结果表明，该系统的有效通信距离可以满足安全航行需求。且与传统的互联网装置及手持式AIS设备相比，该系统突破了距离覆盖和电能消耗的制约，具有广泛的应用前景。
　　关键词：航行安全;应急救援;LoRa技术;AIS解析;远距离传输;系统测试
　　中图分类号：TN965-34;TP301.6
　　文献标识码：A
　　文章编号：1004-373X（ 2019）24-0121-04
　　0 引言
　　随着航运业的快速发展，不断增长的船舶数量和交通密度已严重影响水域的交通安全[1-3]。船舶自动识别系统（ Automatic Identification System，AIS）可以有效实现船与船、船与岸之间的实时数据交换及目标信息识别，为海上航行安全及应急救援提供了重要保障[4-6]。
　　然而，现有的船载AIS设备只在满足条件的大型船舶上安装，在沿海数量众多的小型渔船上并没有得到普及，这给海上航行安全带来了很大隐患[4]。目前针对未配备AIS的小型船舶航行安全及应急救援主要是利用互联网装置[8]及手持式AIS设备[9]等，但这两种方式都存在明显不足。
　　利用互联网及定位装置只能覆盖近海岸10 km范围以内船舶，不能满足大多海上作业场景的远距离航行需求。同时，由于海上无线通信技术更新不足，通信可靠性受海洋环境影响较大，基于互联网方式的稳定性也无法得到保证。手持式AIS设备只是对原有AIS的功能简化，但其依然利用甚高频天线通信，这就大大增加了电能损耗。而对海上航行来说，小型船舶的电子设备电源供电一直存在技术瓶颈。
　　本文针对上述问题，基于LoRa技术具有传输距离远、消耗功耗低等显著优势[10-12]，提出利用LoRa模块将发射端大船的AIS信息向附近海域广播，周围装有LoRa接收模块的小船对收到的AIS数据流进行解析，并结合自身的GPS信息可在手机终端APP里获得目前的安全航行数据;同时，小船可利用LoRa模块广播通过姿态传感器读取的本船动静态信息，为附近海域装有LoRa模块的大船或小船提供自身的航行数据，有效实现了海上双向航行安全。经实验验证，本设计可行性高、电能损耗低、通信距离满足安全航行需求，对海上碰撞事故的发生具有较好的预防作用。
　　1 系统硬件设计
　　本系统硬件分为发射端和接收端，两部分之间通过LoRa模块进行远距离通信。
　　发射端与接收端均以STM32为主控芯片，同时配备蓝牙与WiFi模块，可以与智能终端进行连接。系统工作流程如下：单片机I通过串口读取大船的AIS数据流，然后通过LoRa模块I将读取的AIS消息向附近海域广播。其中：智能终端可通过蓝牙模块读取小船返回的信息;周围海域装有LoRa模块的小船可对大船发送的AIS数据流进行接收，并通过AIS解析软件将AIS消息在单片机Ⅱ上进行解析，同时结合自身GPS模块在智能终端上显示周边安全航行数据。姿态传感器为了获取小船向周边船只广播本船动静态信息。
　　其中发射端和接收端的系统框图分别如图1、图2所示。
　　2 系统软件设计
　　2.1 单片机软件设计
　　本系统以STM32F103作为主控芯片，用于控制各个外围模块，完成数据的获取、处理及收发任务。单片机软件主要包括AIS数据流的解析、姿态传感器/GPS数据的获取和处理、WiFi及LoRa数据的收发。其工作流程图如图3所示。
　　2.2 智能终端软件设计
　　智能终端APP由Java语言编写，提供电子海图的显示、周围船只信息的显示和查询、船只相距过近的警报、紧急情况的发送以及聊天室等功能。其组成框图如图4所示。
　　其中，“紧急呼救”功能可在紧急情况下将本船的航行轨迹向附近船只广播，同时允许手动广播紧急信息，为海上航行安全及应急救援提供保障。其工作流程如图5所示。
　　3 系统测试结果
　　3.1 实物图
　　系统硬件和软件的实物分别见图6、图7。其中，图6连接AIS设备的部分是发射端，另一部分为应用端。
　　图7给出了智能终端APP的实际界面。因为，智能终端APP作为收发信息的窗口，在整个系统中有着重要地位。良好的人机操作界面保障了该系统的简单易用性，也方便了用户能够及时进行消息的传递。
　　3.2 功能验证
　　本系统的一大关键技术就是解析AIS数据流并获取自身及周边船只信息，這也是整个系统实现的前提保证。针对AIS数据流解析这一环节进行了测试，以验证系统功能的稳定性。图8为AIS设备界面，实时显示详细的船只信息。图9为本系统通过软件解析出的结果，其显示的经纬度、方位角、航速、航向等信息与AIS设备完全一致。
　　3.3 拉距测试
　　为了保障航行安全，还对系统的实际通信距离进行了测试，测试的路线图和拉距结果分别如图10、图11所示。本文的测试选在复杂的城市环境（高楼林立、车流量大）下进行，每隔200 m记录一次接收信号强度指示（ Received Signal Strength Indication，RSSI）数值。从测试结果可以看出，在距离发射端4.6 km的时候仍然可以获得-85 dBm的信号强度值，可以有效保障系统的信令、文字、求救信号等信息安全、可靠地传输。相比于信道条件更好的海面（开阔、无遮挡），再通过架高天线等方式，其有效通信距离预计可达5.0-8.0 km，远远超过船舶海上安全航行距离需求[13-14]。 　　4 结语
　　本文设计了一种基于LoRa的海上航行安全及应急救援系统，针对大量未配备AIS的小型船舶航行安全得不到保障的情况，利用LoRa技术进行AIS数据流的远距离传输，通过对船舶的动静态信息进行实时提取来获得周边安全航行数据。相比于传统的方案，本文设计具有覆盖广、能耗小、成本低、易使用等优点，具有很高的实际应用价值。
　　注：本文通讯作者为王伟。
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　　作者简介：曾凤（1981-），女，四川广安人，硕士，实验师，主要研究方向为图像处理、嵌入式系统设计。
　　王伟（1983-），男，江苏泗洪人，博士，副教授，主要研究方向为无线通信、海域通信。
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