智能航標控制終端設計

齊魯理工學院 臧紅巖 范卉青 白愛霞

1 引言

通航是否安全以及能否及時解決突發(fā)問題很大程度上取決于航標的準確度，其發(fā)展程度對水路交通和各方面發(fā)展來說都是很重要的。為了適應當前通航的高要求，解放人力并且達到有針對性有目的性的自動檢修，使管理航標部門能夠在第一時間得到關于航標的工作狀態(tài)，進行智能化設計顯得格外重要。

早在20世紀90年代，發(fā)達國家就利用各種現(xiàn)代電子科技，對航標進行智能化研究，并建成了體系，為航海事業(yè)提供了各種優(yōu)勢。在我國，也有不少高等學院和科學技術研究機構(gòu)投入了大批人力物力對航標監(jiān)控系統(tǒng)進行研發(fā)。船舶交通服務系統(tǒng)（VTS）、差分全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（RBN/DGPS）、船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）等導助航設備先后建成。

本系統(tǒng)通過傳感器了解角度變化，從而自動調(diào)節(jié)航向。航標控制終端在傳統(tǒng)航標的導引指示功能上通過無線通信技術將航標自身和傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳送給遠端控制中心，實現(xiàn)航標智能控制的功能，提高航道交通管理的數(shù)字化水平。

2 系統(tǒng)設計及主要功能分析

系統(tǒng)包括陀螺儀MPU6050、STM32系列單片機、ESP8266 WIFI無線傳輸模塊、步進電機進行角度校準、手機端進行角度數(shù)據(jù)顯示等。

（1）無線數(shù)據(jù)交換功能：手機端能夠和航標通過WIFI無線網(wǎng)絡進行信息交換。航標端每隔一段時間進行一次運行數(shù)據(jù)采集，采集航標指向數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)，并接收控制中心發(fā)來的命令報文進行處理，并發(fā)回一個應答，同時向控制中心上報自己的運行數(shù)據(jù)?？刂浦行耐ㄟ^可視化監(jiān)控軟件監(jiān)控現(xiàn)場數(shù)據(jù)和異常報警，上位機人為發(fā)出控制指令通過服務端傳輸?shù)娇蛻舳?，現(xiàn)場航標端接收到指令調(diào)整航標的指向。

（2）智能化遙控設置功能：航標控制控制終端的設置功能通過控制中心進行遠程操作執(zhí)行，只有授權的用戶才有權力去進行指令執(zhí)行。并且每條指令的執(zhí)行都有嚴格的體制，按照規(guī)則進行應答，如果在設定時間內(nèi)沒有收發(fā)指令解析，操作就視為失敗。所有設置的操作應記錄在操作日志里，從而保證中心準確掌握最后設置的航標工作參數(shù)。

（3）實時信息采集功能：上電后，MPU6050開始工作，采集航標的各個工作狀態(tài)，可以一定的時間間隔進行工作。

3 硬件電路設計

由于航標控制終端裝置的工作環(huán)境及切惡劣，經(jīng)常會受到天氣因素以及不可抗力的沖擊，所以硬件設計的選型是為重中之重，必須具有較高的抗干擾能力以及極強的穩(wěn)定性。再者，為使設計更加簡單可行，元器件應該具有較高的運算速度以及較低的功耗，選擇通用且成熟的，以滿足終端與服務器通信的要求（圖1）。

圖1 系統(tǒng)電路原理圖

（1）陀螺儀：為了采集航標的指向角度等所需參數(shù)，本設計用陀螺儀作為信號傳感器，以得到準確的位置角度等信號。陀螺儀采用MPU6050進行角度采集，將采集到的角度傳送到最近的WIFI現(xiàn)場服務器，通過單片機進行數(shù)據(jù)解析，發(fā)送給終端。

（2）無線通信模塊：無線通信模塊采用ESP8266，ATKESP8266模塊采用串口與MCU通信，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)串口與WIFI之間的轉(zhuǎn)換。通過ATK-ESP8266模塊，傳統(tǒng)的串口設備只需要簡單的串口配置，即可通過WIFI傳輸自己的數(shù)據(jù)。ATKESP8266模塊支持LVTTL串口，兼容3.3V和5V單片機系統(tǒng)，模塊支持串口轉(zhuǎn)WIFI STA串口轉(zhuǎn)AP和WIFI STA+WIFI AP的模式，從而快速構(gòu)建串口-WIFI數(shù)據(jù)傳輸方案，方便進行數(shù)據(jù)傳輸。

4 軟件設計

手機端經(jīng)過網(wǎng)絡助手進行收發(fā)數(shù)據(jù)，自動校準航標角度。網(wǎng)絡助手設有上位機軟件進行智能判斷，從而改變航標指向。串口無線接入點網(wǎng)絡連接方式：模塊通過WIFI連接智能手機，模塊作為WIFI AP，智能手機做WIFI STA，手機網(wǎng)絡調(diào)試助手TCP Client設置進行配置。在連接成功建立后，就可以互相發(fā)送數(shù)據(jù)了。通過陀螺儀采集到的航標指向角度數(shù)據(jù)，每隔2秒會得到角度數(shù)據(jù)，通過手機端顯示出來。若偏移的話，發(fā)送警告信息并發(fā)送修正指令給航標，然后單片機產(chǎn)生脈沖數(shù)據(jù)給步進電機，使步進電機產(chǎn)生步距角，將脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移，帶動陀螺儀轉(zhuǎn)動，從而改變航標角度。

5 結(jié)語

智能航標控制終端能夠把本身的狀態(tài)信息以及當前所在的位置傳送到相應的控制中心，控制中心會在電子地圖上顯示出所轄區(qū)域的實時航標狀態(tài)，可以對航標設備實行遙測、遙控等；對提高助航系統(tǒng)的管理能力、發(fā)現(xiàn)設備故障、保持航運通道通暢和安全都起著重要作用。有效減少相關工作人員的勞動強度，為船舶航運的安全性提供可靠的保障。為航標控制終端實現(xiàn)自動化、數(shù)字化和智能化給出了具有參考意義。

[1]付天照,蓋旗濤．智能航標控制終端的設計[J]．中國水運(下半月),2013,(05)∶48-48．

[2]喻春華,王寧．陀螺儀在慣性測量系統(tǒng)中的應用[J]．河南科技,2010,(14)∶33-33．

[3]王建明,林聰聰,吳曉林,林德榮．四旋翼飛行器設計[J]．福州∶福州大學電氣工程與自動化學院,2014,(07)∶64-65．

[4]何毅,彭浩．基于MSP430的航標監(jiān)控終端的實現(xiàn)[M]．四川∶西南科技大學信息學院,2009．

[5]盧婉冰．高精度航標遙測系統(tǒng)研究與設計[J]．四川∶重慶大學,2009,(12)．

[6]魯照權,毛羽,朱敏,陳芹．航標遙控遙測終端的設計和實現(xiàn)[J]．合肥∶合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院,2012．

[7]孫星．吳勇等內(nèi)河航標遙測遙控系統(tǒng)設計[J]．中國航海,2011,34(2)∶5-9．

[8]李輝,苑臣芒,馬曉鑫．基于AVR與GSM/GPRS的航標燈監(jiān)控系統(tǒng)設計[J]．電子技術用用,2012,38(6)∶97-99．