嵌入式AIS在航標中推廣應用

李巍

摘 要：開展內河AIS航標的關鍵技術研究，對于提高內河航道航標維護質量和服務水平十分必要，而且十分緊迫。通過對新型智能航標關鍵技術的深入研究，將有助于提高內河航標的信息化、智能化水平，加強數字航道的建設，進而推動我國的內河航運系統(tǒng)的發(fā)展。

關鍵詞：嵌入式AIS 航標 推廣應用

AIS航標遙測遙控系統(tǒng)是以計算機為基礎的實時在線監(jiān)控和管理的自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過采用先進的傳感技術、通信技術、人工智能技術采集航標的GPS、加速度、電源、工作狀態(tài)等多種信息，并根據航標進行實時的監(jiān)測，以實現航標的詳細數據信息采集、遙測、遙控、參數調節(jié)、各類信號異常報警等各項功能，從而達到實時監(jiān)控、智能化的目的。

系統(tǒng)設計

系統(tǒng)設計分為3層系統(tǒng)結構，如圖1所示。包括：上層是RMCS航標遙測遙控系統(tǒng)軟件；中間層是AIS/GPRS通信系統(tǒng)；下層是AIS航標終端構成。

1、上層：RMCS航標遙測遙控系統(tǒng)軟件

上層RMCS航標遙測遙控系統(tǒng)軟件是一個監(jiān)控中心，它連接到后臺的數據庫，監(jiān)控中心實時監(jiān)測遠程端現場的工作狀態(tài)和參數。當接收數據異常時，監(jiān)控中心把異常信息記錄于數據庫，并根據異常數據生成處理決策，建議航標管理部門采取怎樣的處理措施和方案。

2、中間層：AIS/GPRS通信系統(tǒng)

中間層AIS/GPRS通信系統(tǒng)主要用于監(jiān)控中心和航標終端進行通訊。通訊鏈路分為162.15MHz的AIS通訊和GPRS通訊。通訊方式有下行命令，包括廣播方式和遙測遙控命令下方方式；上行報告，包括事件觸發(fā)方式、突發(fā)傳輸方式、定時傳輸方式和廣播方式。

3、下層：AIS航標終端

下層AIS航標終端主要包括：GPS信息采集、航標工作狀態(tài)信息采集、加速度信息采集、電池電壓采集和系統(tǒng)工作電流采集終端。RTU的主要作用是進行采集航標詳細數據及控制和監(jiān)控航標的各項參數。AIS航標終端作為系統(tǒng)中的一個遠程數據通訊單元，可以獨立完成上傳航標數據或響應監(jiān)控中心的控制命令的任務。

技術分析

1、主控制電路

AIS航標的航標燈基本信息采集電路主芯片采用意法半導體公司的STM32F103ZET6工作頻率為高達72MHz，內置高速存儲器（高達512K字節(jié)的閃存和64K字節(jié)的SRAM），豐富的增強I/O端口，并包含3個12位的ADC、4個通用16位定時器和2個PWM定時器， 2個I2C接口、3個SPI接口、1個SDIO接口、5個USART接口、一個USB接口和一個CAN接口。工作溫度-40℃至+85℃的溫度范圍，電壓2.0V至3.6V，并擁有一系列的省電模式保證低功耗應用的要求，在外設不開、1Mhz工作頻率條件下工作電流僅0.4mA。

2、系統(tǒng)供電電路

電源設計上主要采用的是各模塊分立式供電，由于多功能航標終端的電源穩(wěn)定性受燈器蓄電池、太陽能充電的影響，閃光燈的脈沖瞬間電流、太陽能充電時電壓的變化、通信模塊發(fā)送數據時瞬間大電流都會給航標終端的精密A/D測量帶來干擾，采用獨立式供電、大電容放電電路和電源濾波加上分時工作模式及其他保護電路的設計保證了多功能航標終端具有較強的抗干擾性。

電源管理系統(tǒng)設計采用的是高效率低壓差的穩(wěn)壓電源LDO的方式來實現。LDO的電源芯片具有壓降低、動態(tài)性能好等優(yōu)點，為了把航標燈的電池上4V～10V的電壓降到監(jiān)控系統(tǒng)所需要3.3V電壓的目的，在本次工程系統(tǒng)中采用的是由美國TI公司的TPS56065芯片組成電源電路，4V輸入電源的變換效率高達92%以上，同時還可以實現系統(tǒng)的寬供電，在本設計中，電壓的適應范圍為4V～10V，可以適用于絕大多數工作電壓范圍的航標燈。

3、RS485通信電路

本設計采用MAX3485來實現串口的TTL電平信號轉換成485差分信號。485總線通信電路圖如圖2所示。一般情況下，系統(tǒng)不需要增加RL終端電阻，只有在485通信距離超過300米的情況下，要在485通訊的開始端和結束端增加終端電阻。

4、EEPROM存儲器電路

EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory），電可擦可編程只讀存儲器，一種掉電后數據不丟失的存儲芯片。EEPROM可以擦除已有信息，重新編程。其與FLASH最大區(qū)別是FLASH按扇區(qū)操作，EEPROM則按字節(jié)操作，二者尋址方法不同，存儲單元的結構也不同，FLASH適合用作程序存儲器，EEPROM則更多的用作非易失的數據存儲器。

為了系統(tǒng)保存需要掉電保存的系統(tǒng)程序參數，本設計采用1K字節(jié)8位數據寬度的STM24C08 EEPROM存儲器。該存儲器具有寬工作電壓1.8～5.5V、低功耗（1mA典型工作點流、1uA典型待機電路）、I2C總線接口（3.3V工作電壓下頻率400KHz）、可按字節(jié)讀寫、可按頁讀寫、硬件數據寫保護、寫周期（最大5ms）、自動遞增地址、ESD保護大于2.5kV、高可靠性（擦寫壽命100萬次、數據保持時間100年）等特點。STM24C02電路如圖3所示。

5、電流、電壓檢測電路設計

在本設計中，使用ZXCT1010芯片檢測電源的電流。ZXCT1010芯片測量精度高、價格低廉、功耗低、使用方便等優(yōu)點，因此，我們選用ZXCT1010作為電源管理的核心芯片。在航標終端，中央處理單元實時監(jiān)控蓄電池的電量，當電量不足時向監(jiān)控中心發(fā)出警報同時將系統(tǒng)的整體功耗降到最低，只開啟最基本的功能模塊。通過電阻分壓測量電池電壓，通過專用電流檢測芯片檢測電流，將電流值轉化為電壓值，再經過單片機的ADC轉換，即可得出電池的電壓和電路的工作電流。檢測電路如圖4所示：

6、碰撞檢測電路設計

在本系統(tǒng)中，采用加速度傳感器檢測航標是否碰撞。傳統(tǒng)的加速度傳感器一般為模擬輸出，用戶需要A/D采樣后，將模擬量轉換為數字量，再進行數據處理。MMA7455L提供數字接口（I2C和SPI），用戶可直接讀取MMA7455L的寄存器得到輸出數字量，方便用戶的數據處理，在沒有A/D接口的MCU上照常使用?？偩€通訊可以使用MCU硬件單元，也可以使用IO模擬通訊，對MCU的支持更加廣泛。MMA7455L加速度模塊電路如圖5所示。

7、太陽能充放電管理電路設計

太陽能板充放電管理硬件上采用IRF7416、由555定時器和數字電位器X9313組成的PWM控制模塊來搭建的BUCK降壓電路；軟件上采用擾動觀察法實現MPPT太陽能充放電管理。充電時實現最大功率點跟蹤，提升充電效率，增強蓄電池對太陽能板的適應性。過壓時，自動啟動斷開保護，并具有滑動濾波窗口避免頻繁開關擾動。

8、AIS發(fā)射機設計

AIS在第一層物理層采用了GMSK（高斯最小頻移鍵控）技術，它決定了發(fā)射和接收的誤碼率。進而影響了AIS的實際發(fā)射成功率和預約成功率。在第二層鏈路層的數據鏈路服務層DLS中，使用了循環(huán)多余碼檢測編碼CRC技術以及高級數據鏈路控制協議HDLC技術，而數據鏈管理實體LME中借鑒了TDMA技術，通過自組織時分多址協議SOTDMA進行數據鏈聯結。AIS采用的通信技術決定了它的相關通信參數，其中SOTDMA協議是其核心技術。而TDMA技術則是當今通信技術的主流，該技術的頻帶利用率很高，抗干擾性強。

9、RMCS航標遙測遙控系統(tǒng)軟件的設計

RMCS航標遙測遙控系統(tǒng)軟件主要實現對采集的數據的管理。 RMCS航標遙測遙控系統(tǒng)軟件整體包括電子航道圖顯示管理系統(tǒng)、通信伺服系統(tǒng)、數據與系統(tǒng)管理系統(tǒng)和業(yè)務管理系統(tǒng)等幾大模塊。同時，該系統(tǒng)軟件允許根據實際需要，添加或刪除相應的子系統(tǒng)。RMCS系統(tǒng)軟件整體結構圖如下：

研究成果

該系統(tǒng)采用多種方法，在不同的開發(fā)階段對實施完成的航標終端系統(tǒng)進行了全面效果測試。不同階段測試包括：①功能、性能測試，主要包括功能測試、高溫測試、低溫測試、濕熱測試、浪涌測試、靜電測試等。②模擬測試，對系統(tǒng)集成AIS航標終端、RMCS航標遙測遙控軟件平臺聯調測試。③現場測試，測試系統(tǒng)長時間工作穩(wěn)定性、抗干擾能力和管理系統(tǒng)穩(wěn)定性。如圖7所示。

（作者單位：長江武漢航道局）

在本系統(tǒng)中，采用加速度傳感器檢測航標是否碰撞。傳統(tǒng)的加速度傳感器一般為模擬輸出，用戶需要A/D采樣后，將模擬量轉換為數字量，再進行數據處理。MMA7455L提供數字接口（I2C和SPI），用戶可直接讀取MMA7455L的寄存器得到輸出數字量，方便用戶的數據處理，在沒有A/D接口的MCU上照常使用?？偩€通訊可以使用MCU硬件單元，也可以使用IO模擬通訊，對MCU的支持更加廣泛。MMA7455L加速度模塊電路如圖5所示。

7、太陽能充放電管理電路設計

太陽能板充放電管理硬件上采用IRF7416、由555定時器和數字電位器X9313組成的PWM控制模塊來搭建的BUCK降壓電路；軟件上采用擾動觀察法實現MPPT太陽能充放電管理。充電時實現最大功率點跟蹤，提升充電效率，增強蓄電池對太陽能板的適應性。過壓時，自動啟動斷開保護，并具有滑動濾波窗口避免頻繁開關擾動。

8、AIS發(fā)射機設計

AIS在第一層物理層采用了GMSK（高斯最小頻移鍵控）技術，它決定了發(fā)射和接收的誤碼率。進而影響了AIS的實際發(fā)射成功率和預約成功率。在第二層鏈路層的數據鏈路服務層DLS中，使用了循環(huán)多余碼檢測編碼CRC技術以及高級數據鏈路控制協議HDLC技術，而數據鏈管理實體LME中借鑒了TDMA技術，通過自組織時分多址協議SOTDMA進行數據鏈聯結。AIS采用的通信技術決定了它的相關通信參數，其中SOTDMA協議是其核心技術。而TDMA技術則是當今通信技術的主流，該技術的頻帶利用率很高，抗干擾性強。

9、RMCS航標遙測遙控系統(tǒng)軟件的設計

RMCS航標遙測遙控系統(tǒng)軟件主要實現對采集的數據的管理。 RMCS航標遙測遙控系統(tǒng)軟件整體包括電子航道圖顯示管理系統(tǒng)、通信伺服系統(tǒng)、數據與系統(tǒng)管理系統(tǒng)和業(yè)務管理系統(tǒng)等幾大模塊。同時，該系統(tǒng)軟件允許根據實際需要，添加或刪除相應的子系統(tǒng)。RMCS系統(tǒng)軟件整體結構圖如下：

研究成果

該系統(tǒng)采用多種方法，在不同的開發(fā)階段對實施完成的航標終端系統(tǒng)進行了全面效果測試。不同階段測試包括：①功能、性能測試，主要包括功能測試、高溫測試、低溫測試、濕熱測試、浪涌測試、靜電測試等。②模擬測試，對系統(tǒng)集成AIS航標終端、RMCS航標遙測遙控軟件平臺聯調測試。③現場測試，測試系統(tǒng)長時間工作穩(wěn)定性、抗干擾能力和管理系統(tǒng)穩(wěn)定性。如圖7所示。

（作者單位：長江武漢航道局）

在本系統(tǒng)中，采用加速度傳感器檢測航標是否碰撞。傳統(tǒng)的加速度傳感器一般為模擬輸出，用戶需要A/D采樣后，將模擬量轉換為數字量，再進行數據處理。MMA7455L提供數字接口（I2C和SPI），用戶可直接讀取MMA7455L的寄存器得到輸出數字量，方便用戶的數據處理，在沒有A/D接口的MCU上照常使用?？偩€通訊可以使用MCU硬件單元，也可以使用IO模擬通訊，對MCU的支持更加廣泛。MMA7455L加速度模塊電路如圖5所示。

7、太陽能充放電管理電路設計

太陽能板充放電管理硬件上采用IRF7416、由555定時器和數字電位器X9313組成的PWM控制模塊來搭建的BUCK降壓電路；軟件上采用擾動觀察法實現MPPT太陽能充放電管理。充電時實現最大功率點跟蹤，提升充電效率，增強蓄電池對太陽能板的適應性。過壓時，自動啟動斷開保護，并具有滑動濾波窗口避免頻繁開關擾動。

8、AIS發(fā)射機設計

AIS在第一層物理層采用了GMSK（高斯最小頻移鍵控）技術，它決定了發(fā)射和接收的誤碼率。進而影響了AIS的實際發(fā)射成功率和預約成功率。在第二層鏈路層的數據鏈路服務層DLS中，使用了循環(huán)多余碼檢測編碼CRC技術以及高級數據鏈路控制協議HDLC技術，而數據鏈管理實體LME中借鑒了TDMA技術，通過自組織時分多址協議SOTDMA進行數據鏈聯結。AIS采用的通信技術決定了它的相關通信參數，其中SOTDMA協議是其核心技術。而TDMA技術則是當今通信技術的主流，該技術的頻帶利用率很高，抗干擾性強。

9、RMCS航標遙測遙控系統(tǒng)軟件的設計

RMCS航標遙測遙控系統(tǒng)軟件主要實現對采集的數據的管理。 RMCS航標遙測遙控系統(tǒng)軟件整體包括電子航道圖顯示管理系統(tǒng)、通信伺服系統(tǒng)、數據與系統(tǒng)管理系統(tǒng)和業(yè)務管理系統(tǒng)等幾大模塊。同時，該系統(tǒng)軟件允許根據實際需要，添加或刪除相應的子系統(tǒng)。RMCS系統(tǒng)軟件整體結構圖如下：

研究成果

該系統(tǒng)采用多種方法，在不同的開發(fā)階段對實施完成的航標終端系統(tǒng)進行了全面效果測試。不同階段測試包括：①功能、性能測試，主要包括功能測試、高溫測試、低溫測試、濕熱測試、浪涌測試、靜電測試等。②模擬測試，對系統(tǒng)集成AIS航標終端、RMCS航標遙測遙控軟件平臺聯調測試。③現場測試，測試系統(tǒng)長時間工作穩(wěn)定性、抗干擾能力和管理系統(tǒng)穩(wěn)定性。如圖7所示。

（作者單位：長江武漢航道局）