基於GPS/北鬥系統的河道航行船舶的岸上監測系統及使用方法與流程
2023-05-29 04:00:56 2
本發明屬於一種安全事故調查管理以及搜救技術領域，涉及河道的船舶事故調查以及搜救，尤其涉及一種基於gps/北鬥系統的河道航行船舶的岸上監測系統及使用方法。
背景技術：
隨著我國經濟的持續高速發展，人們對包括航行於內河船舶上生命財產的安全重要性更加重視起來，尤其是小型民用船舶的數量急劇增長而導致執法部門對民用小型船舶的管理不到位，也導致民用船舶發生事故後由於搜救不及時而造成重大的生命財產損失。目前，我國日益擁擠的河道經常發生事故，但是事故後由於沒有任何的現場證據導致小型船舶很難找到失事原因，也不能很好的制定出有效的措施來避免類似事件的再次發生。目前尚無一套完整的民用船舶事故調查和搜救系統。
技術實現要素：
本發明克服了現有技術中的不足，提供一種基於gps/北鬥系統的河道航行船舶的岸上監測系統及使用方法。本發明能夠有效地保存失事時的現場語音數據，從而能夠很好地還原事發現場的當時情況，這樣就可以避免再次發生類似事故，對以後的事故預防有極大的幫助。
本發明系統基於stm32平臺，集gps/北鬥定位、數據存儲、觸控顯示、無線接收和發送於一體功能。本發明採用mdk作為主要開發環境，採用模塊化函數實現以上功能，採用nema-0183協議解析定位數據，並將解析後的定位數據和無線接收的數據存儲於sd卡中，使用哈弗曼編碼的算法來壓縮無線傳輸容量，採用tdma組網的方法來實現多個設備發送數據的控制。實現船舶信息的可查找、信息存儲電子化、信息傳輸網絡化和船艙事件的可還原化。極大的減少了搜救時間，為失事船舶提供了更多寶貴的救助時間，也為事件發生的原因提供現場證據。
本發明所要主要解決的主要技術問題是：1、要充分整合gps/北鬥、數據存儲以及收發的功能於一體；2、研發tdma時隙劃分技術，使各個船舶發送的信息在岸上監測系統不發生衝突；3、如何和船用設備搭配使用，使之協調運行；4、如何選擇無線通信的頻段；5、如何實現數據的循環存儲；6、如何實現無線通信以及通信的標準和格式制定。
為了解決上述存在的技術問題，本發明是通過以下技術方案實現的：
一種基於gps/北鬥系統的河道航行船舶的岸上監測系統，包括中央處理單元、實時定位單元、信息顯示單元、數據存儲單元、信息控制單元、無線收發單元和電源控制單元；
所述中央處理單元首先將工作參數發送給實時定位單元和無線收發單元；中央處理單元接收到實時定位單元和無線收發單元傳輸的數據後將上述數據保存到數據存儲單元，同時將這些數據經過空間距離和方向角的算法解析後將解析的數據送到信息顯示單元顯示；
所述實時定位單元由中央處理單元控制採集數據；所述實時定位單元包括gps/北鬥接收天線和gps/北鬥定位模塊，所述gps/北鬥接收天線在衛星覆蓋範圍內依靠gps/北鬥定位模塊，能夠實時接收到自身的實時定位數據，獲知自身所處的經緯度、utc時間、速度以及水平高度信息；通過gps/北鬥天線接收到衛星提供的數據並通過nema-0183協議解析後將數據傳到中央處理單元；
所述無線收發單元主要有三個功能：自動應答、時隙劃分以及數據接收，三個功能依次進行後方可完成數據的發送，所述無線收發單元接收到船舶的時隙申請命令後進行自動應答功能，並將應答數據反饋給申請時隙的船舶，收到自動應答成功的確認信息後證明通信鏈路已經建立成功，然後進行時隙劃分並將所劃分的時隙反饋給申請時隙的船舶，之後接收來自船設備的信息；所述無線收發單元主要完成接收實時定位單元採集到的數據和船舶本身的識別號數據，其接收的數據包括報頭、報文和結束符組成一個數據包，其中報文由船舶的識別號、經緯度、船舶航行速度、utc日期、utc時間信息組成；
所述數據存儲單元接收中央處理單元輸送的數據信息並存儲，並通過sdv2.0協議來存儲相關數據；所述數據信息包括：自身定位數據和無線接收到的船舶數據；所述數據存儲單元選擇的媒介為sd卡，將接收到的定位數據存儲進去；其相關數據以txt文檔的格式存儲；在sd中存儲的數據設置為循環存儲的方式，在存儲數據時設定存儲數據的初始位置，並設定存儲的文件個數，當文件個數達到這個數時，程序裡的指針會自動調取存儲數據的初始地址來存儲後續的數據，從而實現循環覆蓋方式存儲；
所述電源控制單元用於給系統提供電源；所述電源控制單元包括工頻電源、蓄電池、太陽能電池板和電能轉化器，蓄電池輸出5v直流電，太陽能電池板通過電能轉化器提供5v直流電源；所述電源控制單元通過5vdc接口給系統供電，在供電同時給蓄電池充電；當斷電時由蓄電池和太陽能電池板給系統供電；
所述信息控制單元主要通過觸控鍵盤輸入數據到中央處理單元，中央處理單元收到並識別該信號指令後執行相應的程序；所述信息控制單元還包括操控觸控螢幕來查找某些船舶的具體位置信息；
所述信息顯示單元主要顯示的內容有：船舶識別碼、定位數據、方向角和距離；通過無線收發單元接收船舶的定位信息和實時定位單元接收到定位信息經中央處理單元的空間距離和方向角算法處理後送至所述信息顯示單元顯示，所述中央處理單元將無線收發單元接收的定位數據送至所述信息顯示單元並匹配到信息顯示單元的坐標圖上。
所述一種基於gps/北鬥系統的河道航行船舶的岸上監測系統的使用方法，該方法具體內容包括以下步驟：
步驟一：當基於gps/北鬥系統的河道航行船舶的岸上監測系統(以下簡稱岸上監測系統)收到船舶進入搜索範圍問答時，岸上監測系統會回復一個信號給船用設備；
步驟二：當船用設備收到這個回覆信號時，證明船舶已經進入岸上監測系統無線覆蓋範圍內，則接下來船用設備執行申請時隙的命令並發給岸上監測系統；
步驟三：當岸上監測系統收到時隙申請命令後，依據岸上監測系統的時隙表給該船舶分配一個時隙用於該船的發送信息；
步驟四：岸上監測系統在gps/北鬥衛星信號覆蓋的區域內能夠接收到自身的定位數據，並通過串口傳給岸上監測系統的中央處理單元；
步驟五：岸上監測系統的中央處理單元處理後的自身定位數據和岸上監測系統的無線收發單元接收到的船舶定位數據經過算法的計算得到船舶距離和方位，並在信息顯示單元上顯示出來；
步驟六：無線收發單元接收到的船舶編號和包括船舶的定位信息，並經過中央處理單元的加工後存到sd卡中；
步驟七：岸上監測系統在gps/北鬥衛星信號覆蓋範圍內將能搜索到的船舶數據逐條顯示，通過操控觸控螢幕找到想要查找船舶的具體信息並顯示在信息顯示單元上。
由於採用上述技術方案，本發明提供的一種基於gps/北鬥系統的河道航行船舶的岸上監測系統及使用方法，與現有技術相比具有這樣的有益效果：
本發明系統具有能耗低、工作時間長、小型便捷和綠色環保，不需要使用者繁瑣的設置，解決了對民用船舶的管理和搜救工作，且能夠保留現場的信息對日後的分析事故有極大幫助。
1、適應現代日益發展的河道交通運輸業的發展，目前我國河道眾多，一旦在河道發生事故沉船，那麼該河道就會處於禁止通行狀態，這樣不僅僅造成財產的損失，更可能導致生命安全損失，本發明能夠及時高效的完成沉船的定位搜索、事故現場證據保存，可以針對日後類似情況做出相應的預案，以避免此類事故的發生；
2、本發明能夠破除現有的船舶搜救和案件調查的方式，極大的提高辦案人員的效率，效益高效，經濟安全；
總之，本發明在日益繁忙的內河交通要道上可以實現井然有序的管理秩序，更高的事故處理效率，從而不會導致該航道的停滯，極大的促進了航道的經濟發展和運營，實現了船舶沉水後的及時打撈，人員的及時救助，事故現場的證據保存等。其定位精度為0-20m，搜救範圍依據河道的寬度而更換不同的設備模塊，範圍基本滿足國內的河道的寬度要求。
附圖說明
圖1為本發明的系統框架圖；
圖2為本發明的接收數據包格式示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖與具體實施方式對本發明來做進一步的詳細描述，應理解以下實施例僅用於說明本發明而非用於限定本發明的保護範圍。
本發明的一種基於gps/北鬥系統的河道航行船舶的岸上監測系統，如圖1所示，它包括中央處理單元、實時定位單元、信息顯示單元、數據存儲單元、信息控制單元、無線收發單元和電源控制單元；
所述中央處理單元首先將工作參數發送給實時定位單元和無線收發單元；中央處理單元接收到實時定位單元和無線收發單元傳輸的數據後將上述數據保存到數據存儲單元，同時將這些數據經過空間距離和方向角的算法解析後，將解析的數據送到信息顯示單元顯示；所述中央處理單元主控晶片的型號為stm32f407zet6；
所述實時定位單元由中央處理單元控制採集數據；所述實時定位單元包括gps/北鬥接收天線和gps/北鬥定位模塊，所述gps/北鬥接收天線在衛星覆蓋範圍內依靠gps/北鬥定位模塊，能夠實時接收到自身的實時定位數據，獲知自身所處的經緯度、utc日期、utc時間、速度以及水平高度信息；通過天線接收到gps提供的數據並通過協議解析後將數據傳到中央處理單元，其通過nema-0183通信協議來實現數據的解析；所述gps/北鬥接收天線分為有源天線和無線天線，有源天線相比無源天線效果更好，本發明採用的為有源天線，而且gps/北鬥定位模塊的具體型號為atk-s1216f8-bd；
所述無線收發單元主要有三個功能：自動應答、時隙劃分以及數據接收，三個功能依次進行後方可完成數據的發送，所述無線收發單元接收到船舶的時隙申請命令後進行自動應答功能，並將應答數據反饋給申請時隙的船舶，收到自動應答成功的確認信息後證明通信鏈路已經建立成功，然後進行時隙劃分並將所劃分的時隙反饋給申請時隙的船舶，之後接收來自船設備的信息；所述無線收發單元主要完成接收船舶實時定位單元採集到的定位數據和船舶本身的識別號數據，其接收數據包括報頭、報文和結束符組成一個數據包，其中報文由船舶的識別號、經緯度、船舶航行速度、utc日期、utc時間信息組成，其接收數據包格式示意圖如圖2所示；
考慮到水平面上周圍船舶擁擠時需要繞射能力強的頻段，而且採用甚高頻的頻率，經綜合考慮，所述無線收發單元採用433m無線模塊；433m無線模塊作為無線收發單元來組網進行數據的傳輸，其採用tdma組網的方式組網接收來自與船用設備發送過來的信息，採用高速、低成本、低功耗和抗多徑幹擾、穿透力強的433m無線模塊，其功率只有100mw，基於sx1278的無線模塊，具備lora擴頻技術，且具有軟體fec前向糾錯算法，在突發的幹擾下，可以主動糾正被幹擾的數據包，大大提高可靠性和傳輸速率。其在設備開機時當進入岸上監測系統的搜索範圍內時會主動向岸上系統發送時隙申請的命令，而岸上監測系統接收到該命令時會依據自身所建立的時隙表來給該船用設備端分配一個時隙，將劃分好的時隙號發送到船用設備端，船用設備端再依據已劃分好的時隙在該時隙內發送相關的數據。
岸上監測系統接收其無線覆蓋範圍內船用設備端發來的信息，並且把該信息保存備份；船用設備端保存本船舶的信息，並且在岸上監測系統範圍內，把本船的信息發送給岸上監測系統。由於在岸上監測系統覆蓋範圍內的船舶都需要把信息發送給岸上監測系統，因此，各船舶之間需要統一協調時間，各船舶需要在什麼時間把自己的信息發送給手持設備都需要岸上監測系統來規定；在此，採用時分多址tdma技術來統一協調各船舶之間的信息發送。岸上監測系統和船用設備統一使用utc時間作為時間同步的基準。在使用tdma時，一幀佔1分鐘時間，1幀被劃分成600個時隙，每個時隙的時間為100ms，該時間取決於信息量，以及rf模塊的延時值等。
船用設備使用fatdma組網方式，在指配的固定時隙上發送信息，讓船舶確認到達該岸站的覆蓋範圍，繼而讓本船把信息發送給岸上監測系統。船用設備，每次上電進入正常運行模式時，首先需要靜候1min時間，等待一幀數據的完成，以便確定鏈路上各個時隙佔有，未佔有狀況；來更新本船的時隙表。船舶設備在第一幀範圍內選擇時隙使用ratdma預先劃分一個時隙nss開始標稱時隙，再使用itdma連續的劃分他的時隙；一幀過去後，就進入連續模式；岸上監測系統需要一個映射關係表，當船舶進入岸上監測系統的無線接收範圍內時向岸上監測系統申請時隙，此時岸上監測系統則在映射關係表中加入該船舶的信息，之後岸上監測系統才可以接收到該船舶的信息，而如果該船舶在15分鐘內沒有給岸上監測系統發送數據，此時岸上監測系統則從其映射關係表中刪除該船舶的時隙號，即不再接收該船舶的信息，直到該船舶再次申請時隙。
根據岸上監測系統需求，選擇繞射能力強、發射距離遠的的無線模塊e32-ttl-100，該無線模塊式基於sx1278的100mw的無線模塊，具備lora直序擴頻技術，該模塊具有功率密度集中，抗幹擾能力強的特點。該模塊具有的軟體前向糾錯算法，使其編碼效率高，糾錯能力強，大大提高了數據傳輸的可靠性，且模塊具有數據加密和壓縮的功能，使得以最小的數量容量傳輸最大的信息量。
所述數據存儲單元接收中央處理單元輸送的數據信息並存儲，並通過sdv2.0協議來存儲相關數據包括語音信息；所述數據信息包括：自身定位數據和無線收發單元接收到的船舶的數據；所述數據存儲單元選擇的媒介為sd卡，將接收到的定位數據存儲進去；其相關數據以txt文檔的格式存儲；在sd中存儲的數據設置為循環存儲的方式以避免存滿，在存儲數據時設定存儲數據的初始位置，並設定存儲的文件個數，當文件個數達到這個數時，程序裡的指針會自動調取存儲數據的初始地址來存儲後續的數據，從而達到循環覆蓋方式的存儲；
所述電源控制單元用於給系統提供電源；所述電源控制單元包括工頻電源、蓄電池、太陽能電池板和電能轉化器，蓄電池輸出5v直流電，太陽能電池板通過電能轉化器提供5v直流電源；整個系統的電路通過5v外部電源接口供電，但是在供電的同時需要給設備的蓄電池同時充電，當充滿電時切斷充電電路，只讓其供電，當外部電源斷電後則啟動蓄電池來給整個系統供電，以達到整個電路系統的持續工作。其中，外部供電電路有兩種方式：第一種為外部直接連接變壓後的5v電源；第二種為太陽能電池板實現給整個系統的供電。
所述信息控制單元主要通過觸控鍵盤輸入數據到中央處理單元，中央處理單元收到並識別該信號指令後執行相應的程序；所述信息控制單元還包括操控觸控螢幕來查找某些船舶的具體位置信息；
所述信息顯示單元為lcd顯示屏，它主要顯示的內容有：船舶識別碼、定位數據、經緯度、時隙號、方向角和距離；通過無線收發單元接收的船舶的定位信息和實時定位單元接收到的定位信息經中央處理單元的空間距離和方向角算法處理後送至信息顯示單元顯示，所述中央處理單元將無線收發單元接收的定位數據送至信息顯示單元並匹配到信息顯示單元的坐標圖上。
以上已對本發明創造的較佳實施例進行了具體的說明，但本發明創造並不限於所述實施例，熟悉本領域的技術人員在不違背本發明創造精神的前提下還可作出種種的等同的變型和替換，這些等同的變型和替換均包含在本申請權利要求所限定的範圍內。