航標(biāo)遙控遙測終端的設(shè)計和實現(xiàn)*

魯照權(quán)，毛 羽，朱 敏，陳 芹

（合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院 優(yōu)化控制技術(shù)研究所，安徽 合肥 230009）

我國航道眾多，水運發(fā)達(dá)，保證航運安全的工作至關(guān)重要。航標(biāo)作為為水上活動提供安全信息的設(shè)施，是保證航運安全的重要裝置。對航標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行有效控制和準(zhǔn)確檢測，不僅能保證航標(biāo)裝置的正常工作，更能減少航運事故發(fā)生率，確保航運安全。

國內(nèi)外已經(jīng)對航標(biāo)遙控遙測系統(tǒng)進(jìn)行了多年的研究[1-3]，也獲得了諸多成果，但是由于航標(biāo)工作環(huán)境的特殊性（潮濕、受撞擊率高、易受電磁干擾等），在系統(tǒng)穩(wěn)定性和定位精度等方面仍無法完全滿足實際需求[4-5]。本文通過分析航標(biāo)遙控遙測終端裝置的功能需求，給出了基于GPS、GPRS技術(shù)及 LPC2136微控制器的終端設(shè)計方案，旨在設(shè)計出一個穩(wěn)定可靠的終端裝置，提升航標(biāo)遙控遙測系統(tǒng)的整體性能。實驗證明，該終端裝置能穩(wěn)定可靠地運行，具有重要的現(xiàn)實意義和可觀的市場價值。

1 終端功能

航標(biāo)包括岸標(biāo)和水上浮標(biāo)。岸標(biāo)由于位置固定而不需要進(jìn)行GPS定位，而浮標(biāo)則需要進(jìn)行GPS定位以測量其地理位置。本文針對浮標(biāo)的特點和功能，對其進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)的主要功能如下：

（1）航標(biāo)位置檢測。通過GPS模塊實現(xiàn)，確保航標(biāo)沒有偏離規(guī)定區(qū)域，以防引發(fā)安全事故。

（2）電流檢測。蓄電池充放電電流以及LED燈工作電流的檢測。

（3）電壓檢測。蓄電池充放電電壓、工作電壓及航標(biāo)燈工作電壓的檢測。

（4）撞擊檢測。通過加速度計實現(xiàn)撞擊量的檢測。航標(biāo)受到船只猛烈撞擊后，可能導(dǎo)致航標(biāo)及終端工作失常，應(yīng)及時報警，以便檢查維護(hù)。

（5）終端與燈器的通信。實現(xiàn)終端對燈器燈質(zhì)的控制和狀態(tài)采集。

（6）終端與服務(wù)器的通信。依據(jù)既定通信規(guī)約，當(dāng)服務(wù)器查詢到本地終端并要求其提供相應(yīng)狀態(tài)信息時，終端及時準(zhǔn)確地完成服務(wù)器要求。服務(wù)器未要求本地終端進(jìn)行相關(guān)操作時，本地終端應(yīng)能定時發(fā)送心跳信息，以告知服務(wù)器其在線狀態(tài)。

2 終端硬件設(shè)計

依據(jù)航標(biāo)遙控遙測終端裝置的功能需求，設(shè)計的終端硬件如圖1所示。系統(tǒng)以LPC2136為主控制器，主要占用資源包括I2C接口、A/D轉(zhuǎn)換接口、UART接口、復(fù)位電路接口及部分GPIO口[6]。I2C接口掛接LIS302DL加速度計及FM24L256鐵電存儲芯片，分別用來采集終端撞擊數(shù)據(jù)和終端數(shù)據(jù)存儲。A/D轉(zhuǎn)換接口上包含專用電流檢測芯片MAX4071及分壓電阻。GPS、GPRS功能模塊SIM548C和RS485模塊MAX3072通過串口與微控制器相連，以進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)通信。

圖1 終端硬件系統(tǒng)框圖

整個系統(tǒng)由12 V蓄電池供電。除外接航標(biāo)燈器由12 V蓄電池直接供電外，終端上還需要4.5 V和3.3 V電源，本設(shè)計選用了LM2575和LM1117兩款降壓穩(wěn)壓芯片以滿足系統(tǒng)不同電壓需求。終端復(fù)位電路選用了MAX708S電源監(jiān)控芯片。系統(tǒng)電源電壓下降到一定值并達(dá)一定時間時，向單片機(jī)復(fù)位引腳發(fā)送復(fù)位信號，使得終端復(fù)位。

當(dāng)服務(wù)器通過GPRS方式向終端發(fā)送遙控遙測命令時，終端將依據(jù)接收到的命令類型采集各類狀態(tài)信息或者設(shè)定工作模式，并將結(jié)果通過GPRS方式反饋到服務(wù)器端。整個終端裝置要實現(xiàn)的主要功能是終端與服務(wù)器的GPRS通信以及終端的GPS精確定位。

選用GPS和GPRS二合一模塊 SIM548C[7]，通過串口與LPC2136進(jìn)行通信。終端利用該模塊實現(xiàn)定位數(shù)據(jù)的采集及GPRS數(shù)據(jù)的通信。該模塊的GPS定位精度為10 m，若刷入支持 DGPS的固件，精度能達(dá)到 1～5 m，支持NMEA-0813協(xié)議；GPRS部分內(nèi)置TCP協(xié)議棧，降低了開發(fā)難度。模塊整體結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊，便于布板和安裝。

由于SIM548C模塊的GPRS部分含有1個正常工作用串口及1個調(diào)試用串口，并且GPS部分含有2個適合不同協(xié)議的串口，共4個串口，再加上與燈器連接的RS485接口也需占用1個串口資源，因此需要對微控制器的串口進(jìn)行擴(kuò)展。本系統(tǒng)中選用CD4052雙四選一多路選擇開關(guān)對LPC2136的串口1進(jìn)行擴(kuò)展。串口1正常情況下與SIM548C模塊支NMEA-0813協(xié)議[8]的串口相連，以便實時讀取GPS數(shù)據(jù)。微控制器的串口0直接與GPRS正常工作的串口相連，隨時偵聽來自服務(wù)器端的遙控遙測命令。若偵聽到燈器設(shè)定命令時，通過CD4052可將UART1口切換到RS485接口，實現(xiàn)終端與燈器的通信。如果是狀態(tài)信息采集命令，則直接進(jìn)行相應(yīng)狀態(tài)信息的采集，將采集數(shù)據(jù)打包并通過GPRS方式發(fā)送到服務(wù)器。SIM548C硬件連接電路如圖2所示。

圖2 SIM548C硬件連接示意

3 終端軟件

3.1 主程序設(shè)計

終端上電后，首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作，實現(xiàn)單片機(jī)端口及各功能模塊的初始化。然后，終端登錄服務(wù)器進(jìn)行注冊，一旦終端成功登錄到服務(wù)器，便處于命令待接收狀態(tài)，查詢串口是否有來自服務(wù)器的指令。若長時間沒有收到指令，終端將定時發(fā)送心跳數(shù)據(jù)到服務(wù)器，以保證終端時刻在線。終端接收到遙控指令時，將按照指令要求對終端工作模式或者燈器的工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；接收到遙測指令時，終端將采集航標(biāo)相應(yīng)狀態(tài)信息量上報；指令無法正確解析時，將進(jìn)行報錯。終端主程序流程圖如圖3所示。

圖3 終端主程序流程圖

3.2 GPRS連接子程序

終端通過GPRS和短消息（SMS）兩種方式與服務(wù)器通信。正常情況下，終端以GPRS方式登錄服務(wù)器及實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)周邊環(huán)境信號較差時，可能無法通過GPRS方式與服務(wù)器通信，這時將切換到短消息方式。如果通過短消息方式也無法實現(xiàn)與遠(yuǎn)程服務(wù)器的通信，終端將自動復(fù)位，重新啟動。登錄過程如圖4所示。

終端連接GPRS網(wǎng)絡(luò)所用到的AT指令及操作順序如下[9]：

（1）AT，測試模塊對輸入是否有響應(yīng)；

（2）AT+CCID，測試 SIM 卡是否準(zhǔn)備好；

（3）AT+CSQ=？ ，測試是否有信號；

（4）AT+CGCLASS=”B”，設(shè)置模塊工作在B類GPRS網(wǎng)絡(luò)；

（5）AT +CGDCONT =1，”IP”，”CMNET”，設(shè)置GPRS接入網(wǎng)關(guān)為移動夢網(wǎng)；

（6）AT+CGATT=1， 激 活 GPRS網(wǎng)絡(luò)；

（7）AT +CIPSTART = ”TCP”，”IP”，”PORT”， 啟 動 TCP 連 接 ，其中，IP表示IP地址，PORT表示端口號。

上述指令都得到正確響應(yīng) （即能從串口返回信息中讀取到“OK”字符）之后即可以通過AT+CIPSEND指令發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)。

3.3 GPS數(shù)據(jù)處理子程序

終端上電后，直接通過擴(kuò)展的UART1口接收NMEA-0813版本格式的GPS定位數(shù)據(jù)。NMEA-0813格式的GPS定位信息有多種語句，都是由幀頭、幀尾和幀數(shù)據(jù) 構(gòu) 成 。 幀 頭 類 型 包 括 “$GPGGA”、“$GPGSA”和“GPRMC”等。同時，每條語句以回車和換行符作為幀尾。鑒于終端需要得到的信息為經(jīng)緯度和時間等基本信息，因此在本終端設(shè)計中只對基本信息語句“GPRMC”進(jìn)行處理，其處理過程如圖5所示。

程序中開辟了GPS_BUF0和GPS_BUF12個緩存空。首先通過串口接收一條NMEA-0813版本格式的語句，并將其存入GPS_BUF0中，進(jìn)而判斷該語句是否為所需的GPRMC語句，如果不是則清空 GPS_BUF0，重新接收數(shù)據(jù)；如果是則存入GPS_BUF1中，并根據(jù)GPRMC語句的格式提取時間和經(jīng)緯度信息。GPRMC語句格式如下：

$GPRMC，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12*hh ＜CR＞＜LF＞

圖5 GPS數(shù)據(jù)處理子程序流程圖

其中，阿拉伯?dāng)?shù)字依次代表UTC時間、定位狀態(tài)、緯度、緯度半球、經(jīng)度、經(jīng)度半球、地面速率、地面航向、UTC日期、磁偏角、磁偏角方向和模式指示等信息。各信息之間由逗號符分隔，并將逗號符作為標(biāo)識符，通過依次統(tǒng)計語句中的逗號符，可以提取到所需的時間和經(jīng)緯度信息。

服務(wù)器與終端以及終端與燈器之間的通信包括命令解析及數(shù)據(jù)打包，完全依據(jù)既定的航標(biāo)遙控系統(tǒng)通信規(guī)約。該規(guī)約規(guī)定了航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)中，航標(biāo)燈器（帶有標(biāo)準(zhǔn)RS485串口的智能燈器）與航標(biāo)遙控遙測終端RTU設(shè)備之間、終端與監(jiān)控中心計算機(jī)（服務(wù)器）之間的數(shù)據(jù)傳輸幀格式、數(shù)據(jù)編碼及傳輸規(guī)則。

例如，終端裝置接收到一組GPS語句為：

“$GPGGA，042824.000，3150.3194，N，11722.3232，E，1，04，1.4，-56.2，M，0.7，M，，0000*71

$GPGSA，A，3，08，20，17，01，，，，，，，，，1.7，1.4，1.0*3D

$GPGSV，3，1，10，28，65，326，，01，55，038，22，20，41，120，42，11，36，047，*7A

$GPGSV，3，2，10，17，36，297，12，08，36，215，43，07，17，191，，19，06，077，18*76

$GPGSV，3，3，10，32，31，084，25，04，13，227，24*77

$GPRMC，042824.000，A，3150.3194，N，11722.3232，E，0.60，343.50，221011，，，A*6F

$GPVTG，343.50，T，，M，0.60，N，1.1，K，A*0A”

首先將刪選出所需要的“$GPRMC，042824.000，A，3150.3194，N，11722.3232，E，0.60，343.50，221011，，，A*6F”這條語句。依據(jù)通信規(guī)約，這段數(shù)據(jù)將被打包成“042824N31503194E1172232322210111210”， 除最后 4位表示終端ID號外，其余均是從GPRMC語句中提取出來的時間及經(jīng)緯度信息。然后，通過GPRS方式將這段數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器端，服務(wù)器端將發(fā)送應(yīng)答幀到終端以表明數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功。

航標(biāo)遙控遙測終端裝置集GPRS、GPS技術(shù)于一身，能夠?qū)崿F(xiàn)對航標(biāo)狀態(tài)的實時監(jiān)測，減少了人力物力的重復(fù)投資，有效提高了航標(biāo)管理水平。本文簡要闡述了航標(biāo)遙控遙測終端的功能需求，并提出了一種航標(biāo)遙控遙測終端硬軟件設(shè)計方案，著重對GPS和GPRS功能的實現(xiàn)進(jìn)行了介紹。終端實驗板在實驗室與遠(yuǎn)程服務(wù)器連接正常，通信穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)基本的遙控遙測功能，證明了本方案的可行性。

后期的主要工作是進(jìn)一步提高終端工作穩(wěn)定性及定位精確度。例如可以在終端上加入光線傳感器，提升判別白天夜晚的靈敏度和準(zhǔn)確度；定位精確度雖然受到選取模塊精度的影響，但也可以通過提高終端后臺數(shù)據(jù)處理能力及改善終端工作方式加以提高。

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