CN108072398A - 基于gps/北斗***的河道航行船舶的船用监测***及使用方法 - Google Patents

基于gps/北斗***的河道航行船舶的船用监测***及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于GPS/北斗***的河道航行船舶的船用监测***及使用方法，监测***包括中央处理单元、实时定位单元、语音监测单元、浸水报警单元、数据存储单元、无线收发单元和电源控制单元。本发明***具有能耗低、工作时间长、小型便捷和绿色环保，不需要使用者繁琐的设置，解决了对民用船舶的管理和搜救工作，且能够保留现场的信息对日后的分析事故有极大帮助。

Description

基于GPS/北斗***的河道航行船舶的船用监测***及使用 方法
技术领域：
本发明属于安全事故调查管理以及搜救技术领域，涉及河道的船舶事故调查以及搜救，尤其涉及一种基于GPS/北斗***的河道航行船舶的船用监测***及使用方法。
背景技术：
随着我国经济的持续高速发展，人们对包括航行于内河船舶上生命财产的安全重要性更加重视起来，尤其是小型民用船舶的数量急剧增长而导致执法部门对民用小型船舶的管理不到位，也导致民用船舶发生事故后由于搜救不及时而造成重大的生命财产损失。目前，我国日益拥挤的河道经常发生事故，但是事故后由于没有任何的现场证据导致小型船舶很难找到失事原因，也不能很好的制定出有效的措施来避免类似事件的再次发生。目前尚无一套完整的民用船舶事故调查和搜救***。
发明内容：
本发明克服了现有技术中的不足，提供一种基于GPS/北斗***的河道航行船舶的船用监测***及使用方法。本发明能够有效地保存失事时的现场语音数据，从而能够很好地还原事发现场的当时情况，这样就可以避免再次发生类似事故，对以后的事故预防有极大的帮助。
本***基于STM32平台，集实时定位、数据存储、语音监测和无线收发、浸水报警以及一定范围内船舶信息共享等功能于一体的设备。***采用MDK作为主要开发环境，采用模块化函数实现以上功能，采用NEMA-0183协议解析定位数据，并将解析后的定位数据存储于SD卡中，使用SPI口来传输语音监测数据，将录制的语音数据经中央处理单元处理后存储于SD卡中，使用哈弗曼编码的算法来压缩无线传输容量，使用浸水传感器来检测船舶的浸水情况并送至中央处理单元处理后根据船舶是否浸水来发出报警信息，采用TDMA组网的方法来实现多个设备发送数据的控制。实现船舶信息的可查找、信息存储电子化、信息传输网络化和船舱事件的可还原化。极大的减少了搜救时间，为失事船舶提供了更多宝贵的救助时间，也为事件发生的原因提供现场证据。
本发明所要解决的主要技术问题是：1、要充分整合GPS/北斗、语音实时采集、数据存储以及发送的功能于一体；2、研发TDMA时隙划分技术，使各个船舶发送的信息在岸上监测***不发生冲突；3、如何和岸上监测***搭配使用，使之协调运行；4、如何选择无线通信的频段；5、如何实现数据的循环存储；6、如何实现无线通信以及通信的标准和格式制定。
为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
1、一种基于GPS/北斗***的河道航行船舶的船用监测***，包括中央处理单元、实时定位单元、语音监测单元、浸水报警单元、数据存储单元、无线收发单元和电源控制单元；
所述中央处理单元首先将工作参数发送给实时定位单元、无线收发单元和语音监测单元；中央处理单元接收到实时定位单元和语音监测单元传输的数据后将上述数据保存到数据存储单元，同时将实时定位单元传输的数据经过无线收发单元发送出去，无线收发单元接收到附近一定范围其他船舶的信息后经中央处理单元处理后保存到数据存储单元；
所述实时定位单元由中央处理单元控制采集数据；所述实时定位单元包括GPS/北斗接收天线和GPS/北斗定位模块，所述GPS/北斗接收天线在卫星覆盖范围内依靠GPS/北斗定位模块，能够实时接收到自身的实时定位数据，获知自身所处的经纬度、UTC时间、速度以及水平高度信息；通过GPS/北斗接收天线接收到卫星提供的数据并将数据传到中央处理单元；中央处理单元再通过NMEA-0183协议来解析所述数据；
所述无线收发单元主要有三个功能：自动应答、时隙划分以及数据接收和发送，三个功能依次进行后方可完成数据的发送，所述无线收发单元将带有申请时隙的命令发送到岸上监测***后进行自动应答功能，并接收岸上监测***在自动应答过程中分配的时隙，收到时隙后将信息反馈给岸上监测***，自动应答完成后且岸上监测***已经给船舶分配好时隙后表示通信链路建立成功，之后发送自身的信息；所述无线收发单元主要完成发送自身的信息以及接收附近船舶的信息，其发送和接收的数据包括报头、报文和结束符组成一个数据包，其中报文由船舶的识别号、经纬度、船舶航行速度、UTC日期和UTC时间信息组成；
所述数据存储单元接收中央处理单元输送的数据信息并存储，并通过SDV2.0协议来存储包括语音信息的相关数据；所述数据信息包括：自身定位数据、无线收发单元接收到的一定范围内其他船舶的信息以及语音监测数据；所述数据存储单元选择的媒介为SD卡，将接收到的相关数据存储进去；其相关数据以TXT文档的格式存储；在SD中存储的数据设置为循环存储的方式，在存储数据时设定存储数据的初始位置，并设定存储的文件个数，当文件个数达到该数时，程序里的指针会自动调取存储数据的初始地址来存储后续的数据，从而实现循环覆盖方式存储；
所述电源控制单元用于给***提供电源；所述电源控制单元包括船上工频电源、蓄电池、太阳能电池板和电能转化器，蓄电池输出5V直流电，太阳能电池板通过电能转化器提供5V直流电源；所述电源控制单元通过5VDC接口给***供电，在供电同时给蓄电池充电；当断电时由蓄电池和太阳能电池板给***供电；
所述浸水报警单元用于船舶浸水后向周围船舶发出求救信息；所述求救信息包括：报警信息、船舶识别号、自身定位信息、船舶航行速度、UTC日期以及UTC时间。
所述一种基于GPS/北斗***的河道航行船舶的船用监测***的使用方法，该方法具体内容包括以下步骤：
步骤一：当基于GPS/北斗***的河道航行船舶的船用监测***(以下简称船用监测***)进入基于GPS/北斗***的河道航行的岸上监测***(以下简称岸上监测***)搜索范围时，船用监测***会向岸上监测***发送一个问答信息，岸上监测***会回复一个信号给船用监测***；
步骤二：当船用监测***收到这个回复信号时，证明船舶已经进入岸上监测***无线覆盖范围内，则接下来船用监测***执行申请时隙的命令并发给岸上监测***；
步骤三：当岸上监测***收到时隙申请命令后，依据岸上监测***的时隙表给该船舶分配一个时隙用于该船的发送信息；
步骤四：船用监测***在GPS/北斗卫星信号覆盖的区域内能够接收到自身的定位数据，并通过串口传输给船用监测***的中央处理单元；
步骤五：船用监测***的中央处理单元处理完自身定位数据后通过无线收发单元发送出去；
步骤六：船用监测***的语音监测单元接收到的数据、实时定位单元接收到的定位数据以及无线收发单元接收到的一定范围内其他船舶信息经过中央处理单元的加工后存到SD卡中；
步骤七：船用监测***在其他船用监测***的无线接收范围内浸水后，其他船舶能够接收该浸水船舶的报警信息。
由于采用上述技术方案，本发明提供的一种基于GPS/北斗***的河道航行船舶的船用监测***及使用方法，与现有技术相比具有这样的有益效果：
本发明***具有能耗低、工作时间长、小型便捷和绿色环保，不需要使用者繁琐的设置，解决了对民用船舶的管理和搜救工作，且能够保留现场的信息对日后的分析事故有极大帮助。
1、适应现代日益发展的河道交通运输业的发展，目前我国河道众多，一旦在河道发生事故沉船，那么该河道就会处于禁止通行状态，这样不仅造成财产的损失，更可能导致生命安全损失。本发明能够及时高效的完成沉船的定位搜索、事故现场证据保存，可以针对日后类似情况做出相应的预案，以避免此类事故的发生；
2、本发明能够破除现有的船舶搜救和案件调查的方式，极大的提高办案人员的效率，效益高效，经济安全；
总之，本发明在日益繁忙的内河交通要道上可以实现井然有序的管理秩序，更高的事故处理效率，从而不会导致该航道的停滞，极大的促进了内河航运的经济发展和运营，实现了船舶沉水后的及时打捞，人员的及时救助，事故现场的证据保存等。其定位精度为0-20m，搜救范围依据河道的宽度而更换不同的设备模块，范围基本满足国内的河道的宽度要求。
附图说明
图1为本发明的***框架图；
图2为本发明的接收数据包格式示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明来做进一步的详细描述，应理解以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的保护范围。
本发明的一种基于GPS/北斗***的河道航行船舶的船用监测***，如图1所示，它包括中央处理单元、实时定位单元、语音监测单元、数据存储单元、信息控制单元、浸水报警单元和电源控制单元；
所述中央处理单元首先将工作参数发送给实时定位单元、无线收发单元以及语音监测单元；中央处理单元接收到实时定位单元、语音监测单元以及无线收发单元传输的数据后将上述数据保存到数据存储单元，同时将实时定位单元传输的数据通过无线收发单元发送出去；浸水报警单元监测到船舱浸水后发送报警数据，该数据包括：报警信息、船舶识别号、自身定位信息，所述中央处理单元主控芯片的型号为STM32F103RCT6；
所述实时定位单元由中央处理单元控制采集数据；所述实时定位单元包括GPS/北斗接收天线和GPS/北斗定位模块，所述GPS/北斗接收天线在卫星覆盖范围内依靠GPS/北斗定位模块，能够实时接收到自身的实时定位数据，获知自身所处的经纬度、UTC日期、UTC时间、速度以及水平高度信息；通过所述GPS/北斗接收天线接收到GPS提供的数据并将数据传到中央处理单元，然后通过NEMA-0183通信协议来实现定位数据的解析；所述GPS/北斗接收天线分为有源天线和无源天线，有源天线相比无源天线效果更好，本发明采用的为有源天线，而且GPS/北斗定位模块的具体型号为ATK-S1216F8-BD；
所述无线收发单元主要有三个功能：自动应答、时隙划分以及数据接收和发送，三个功能依次进行后方可完成数据的发送，所述无线模块将带有申请时隙的命令发送到岸上监测***后进行自动应答功能，并接收岸上监测***在自动应答过程中分配的时隙，收到时隙后将信息反馈给岸上监测***，自动应答完成后且岸上监测***已经给船舶分配好时隙后表示通信链路建立成功，之后发送自身的信息；所述无线收发单元主要完成发送自身的信息以及接收附近船舶的信息，其发送和接收的数据包括报头、报文和结束符组成一个数据包，其中报文由船舶的识别号、经纬度、船舶航行速度、UTC日期、UTC时间信息组成；其接收和发送的数据包格式示意图如图2所示；
考虑到水平面上周围船舶拥挤时需要绕射能力强的频段，而且采用甚高频的频率，经综合考虑，所述无线收发单元采用433M无线模块；433M无线模块作为无线收发单元来组网进行数据的传输，其采用TDMA组网的方式接收来自于岸上监测***发送过来的信息，采用高速、低成本、低功耗和抗多径干扰、穿透力强的433M无线模块，其功率只有100mW，基于SX1278的无线模块，具备LORA扩频技术，且具有软件FEC前向纠错算法，在突发的干扰下，可以主动纠正被干扰的数据包，大大提高可靠性和传输速率。其在设备开机时当进入岸上监测***的搜索范围内时会主动向岸上监测***发送时隙申请的命令，而岸上监测***接收到该命令时会依据其所建立的时隙表来给该船用设备端分配一个时隙，将划分好的时隙号发送到船用监测***，船用监测***再依据已划分好的时隙在该时隙内发送相关的数据。
船用监测***端保存本船舶的定位信息、语音监测信息以及一定范围内其他船舶的信息，并且在岸上监测***范围内，把本船的信息发送给岸上监测***。由于在岸上监测***覆盖范围内的船舶都需要把信息发送给岸上监测***，因此，各船舶之间需要统一协调时间，各船舶需要在什么时间把自己的信息发送给岸上监测***都需要岸上监测***来规定；在此，采用时分多址TDMA技术来统一协调各船舶之间的信息发送。岸上监测***和船用监测***统一使用GPS提供的UTC时间作为时间同步的基准。在使用TDMA时，一帧占1分钟时间，1帧被划分成600个时隙，每个时隙的时间为100ms，该时间取决于信息量，以及RF模块的延时值等。
船用监测***使用FATDMA组网方式，在指配的固定时隙上发送信息，确认到达岸上监测***的覆盖范围，继而让本船把信息发送给岸上监测***。船用监测***，每次上电进入正常运行模式时，首先需要静候1min时间，等待一帧数据的完成，以便确定链路上各个时隙占有，未占有状况；来更新本船的时隙表。船用监测***在第一帧范围内选择时隙使用RATDMA预先划分一个时隙NSS开始标称时隙，再使用ITDMA连续的划分它的时隙；一帧过去后，就进入连续模式；岸上监测***需要一个映射关系表，当船舶进入岸上监测***的无线接收范围内时向岸上监测***申请时隙，此时岸上监测***则在映射关系表中加入该船舶的信息，之后岸上监测***才可以接收到该船舶的信息，而如果该船舶在15分钟内没有给岸上监测***发送数据，此时岸上监测***则从其映射关系表中删除该船舶的时隙号，即不再接收该船舶的信息，直到该船舶再次申请时隙。
根据船用监测***需求，选择绕射能力强、发射距离远的的无线模块E32-TTL-100，该无线模块是基于SX1278的100mW的无线模块，具备LORA直序扩频技术，该模块具有功率密度集中，抗干扰能力强的特点。该模块具有的软件前向纠错算法，使其编码效率高，纠错能力强，大大提高了数据传输的可靠性，且模块具有数据加密和压缩的功能，使得以最小的数量容量传输最大的信息量。
所述数据存储单元接收中央处理单元输送的数据信息并存储，并通过SDV2.0协议来存储包括语音信息的相关数据；所述数据信息包括：自身定位数据、语音监测单元数据和无线收发单元接收到的一定范围内其他船舶的信息；所述数据存储单元选择的媒介为SD卡，将接收到的定位数据存储进去；其相关数据以TXT/WAV文档的格式存储；在SD中存储的数据设置为循环存储的方式以避免存满，在存储数据时设定存储数据的初始位置，并设定存储的文件个数，当文件个数达到该数时，程序里的指针会自动调取存储数据的初始地址来存储后续的数据，从而达到循环覆盖方式的存储；
所述电源控制单元用于给船用监测***提供电源；所述电源控制单元包括船上工频电源、蓄电池、太阳能电池板和电能转化器，蓄电池输出5V直流电，太阳能电池板通过电能转化器提供5V直流电源；整个船用监测***的电路通过5V外部电源接口供电，但是在供电的同时需要给设备的蓄电池同时充电，当充满电时切断充电电路，只让其供电，当船上工频电源断电后则启动蓄电池来给整个***供电，以达到整个电路***的持续工作。其中，供电电路有两种方式：第一种为外部直接连接变压后的5V电源；第二种为太阳能电池板实现给整个***的供电。
所述浸水报警单元主要检测船舱内是否浸水，当检测到船舱浸水后，则将信息反馈给中央处理单元，中央处理单元控制无线收发单元发送求救信息给岸上监测***以及其他船用监测***，所述信息包括：报警信息、船舶识别号、自身定位信息、船舶航行速度、UTC日期以及UTC时间。
以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体的说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可作出种种的等同的变型和替换，这些等同的变型和替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (1)

1.一种基于GPS/北斗***的河道航行船舶的船用监测***，包括中央处理单元、实时定位单元、语音监测单元、浸水报警单元、数据存储单元、无线收发单元和电源控制单元；
所述中央处理单元首先将工作参数发送给实时定位单元、无线收发单元和语音监测单元；中央处理单元接收到实时定位单元和语音监测单元传输的数据后将上述数据保存到数据存储单元，同时将实时定位单元传输的数据经过无线收发单元发送出去，无线收发单元接收到附近一定范围其他船舶的信息后经中央处理单元处理后保存到数据存储单元；
所述实时定位单元由中央处理单元控制采集数据；所述实时定位单元包括GPS/北斗接收天线和GPS/北斗定位模块，所述GPS/北斗接收天线在卫星覆盖范围内依靠GPS/北斗定位模块，能够实时接收到自身的实时定位数据，获知自身所处的经纬度、UTC时间、速度以及水平高度信息；通过GPS/北斗接收天线接收到卫星提供的数据并将数据传到中央处理单元；中央处理单元再通过NMEA-0183协议来解析所述数据；
所述无线收发单元主要有三个功能：自动应答、时隙划分以及数据接收和发送，三个功能依次进行后方可完成数据的发送，所述无线收发单元将带有申请时隙的命令发送到岸上监测***后进行自动应答功能，并接收岸上监测***在自动应答过程中分配的时隙，收到时隙后将信息反馈给岸上监测***，自动应答完成后且岸上监测***已经给船舶分配好时隙后表示通信链路建立成功，之后发送自身的信息；所述无线收发单元主要完成发送自身的信息以及接收附近船舶的信息，其发送和接收的数据包括报头、报文和结束符组成一个数据包，其中报文由船舶的识别号、经纬度、船舶航行速度、UTC日期和UTC时间信息组成；
所述数据存储单元接收中央处理单元输送的数据信息并存储，并通过SDV2.0协议来存储包括语音信息的相关数据；所述数据信息包括：自身定位数据、无线收发单元接收到的一定范围内其他船舶的信息以及语音监测数据；所述数据存储单元选择的媒介为SD卡，将接收到的相关数据存储进去；其相关数据以TXT文档的格式存储；在SD中存储的数据设置为循环存储的方式，在存储数据时设定存储数据的初始位置，并设定存储的文件个数，当文件个数达到该数时，程序里的指针会自动调取存储数据的初始地址来存储后续的数据，从而实现循环覆盖方式存储；
所述电源控制单元用于给***提供电源；所述电源控制单元包括船上工频电源、蓄电池、太阳能电池板和电能转化器，蓄电池输出5V直流电，太阳能电池板通过电能转化器提供5V直流电源；所述电源控制单元通过5VDC接口给***供电，在供电同时给蓄电池充电；当断电时由蓄电池和太阳能电池板给***供电；
所述浸水报警单元用于船舶浸水后向周围船舶发出求救信息；所述求救信息包括：报警信息、船舶识别号、自身定位信息、船舶航行速度、UTC日期以及UTC时间。
所述一种基于GPS/北斗***的河道航行船舶的船用监测***的使用方法，该方法具体内容包括以下步骤：
步骤一：当基于GPS/北斗***的河道航行船舶的船用监测***(以下简称船用监测***)进入基于GPS/北斗***的河道航行的岸上监测***(以下简称岸上监测***)搜索范围时，船用监测***会向岸上监测***发送一个问答信息，岸上监测***会回复一个信号给船用监测***；
步骤二：当船用监测***收到这个回复信号时，证明船舶已经进入岸上监测***无线覆盖范围内，则接下来船用监测***执行申请时隙的命令并发给岸上监测***；
步骤三：当岸上监测***收到时隙申请命令后，依据岸上监测***的时隙表给该船舶分配一个时隙用于该船的发送信息；
步骤四：船用监测***在GPS/北斗卫星信号覆盖的区域内能够接收到自身的定位数据，并通过串口传输给船用监测***的中央处理单元；
步骤五：船用监测***的中央处理单元处理完自身定位数据后通过无线收发单元发送出去；
步骤六：船用监测***的语音监测单元接收到的数据、实时定位单元接收到的定位数据以及无线收发单元接收到的一定范围内其他船舶信息经过中央处理单元的加工后存到SD卡中；
步骤七：船用监测***在其他船用监测***的无线接收范围内浸水后，其他船舶能够接收该浸水船舶的报警信息。
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