基于北斗衛(wèi)星通信的航標燈智能遙測遙控系統(tǒng)設計

宋廣軍　顧和偉　劉凱文　陳瑞星　張文帥

【摘 要】 為確保船舶航行安全并對航道環(huán)境進行實時監(jiān)測，基于衛(wèi)星和通用無線分組業(yè)務技術(shù)（GPRS）設計航標燈智能監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實現(xiàn)航標燈位置監(jiān)測、狀態(tài)參數(shù)測量、航道水位深度測量，并通過GPRS通信裝置將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳回系統(tǒng)監(jiān)控服務器進行分析并發(fā)出預警信號，實現(xiàn)對航標燈及其周圍環(huán)境的遠程監(jiān)測。航標燈智能遙測遙控系統(tǒng)達到對航標燈及航道環(huán)境實時監(jiān)控，對危險環(huán)境提前預警、對出現(xiàn)的故障及時進行維護的目的，使得船舶在航道行駛時的航行安全、航標燈的遙測遙控和質(zhì)量維護等諸方面技術(shù)問題都能得到較好解決，具有成本低、可靠性高、實時智能監(jiān)測等特點。

【關(guān)鍵詞】 航標燈；通用無線分組業(yè)務技術(shù)（GPRS）；遙測遙控；衛(wèi)星通信

0 引 言

航道標識是船舶航行安全很重要的保障之一，船舶在航行時需要有正確的航標對其航線和方向進行指引和警告，而航標燈就是這些航標中最常見也是最重要的一種。航標燈是為了讓船舶在夜晚和能見度比較低的天氣情況下能安全航行。在夜晚，航標燈可以發(fā)出預先設置的閃爍頻率及發(fā)光色彩，對過往船舶進行引導和提醒，以使船舶航行時避開暗礁或者淺灘等障礙。舟山位于我國東部黃金海岸線與長江水道的交匯處，擁有扇形海運網(wǎng)絡，有6條國際主航線經(jīng)過，屬于海上開放門戶，江海聯(lián)運交通情況復雜，因此航運安全是頭等大事。航標燈是保障航運系統(tǒng)安全重要的導航設施，確保航標燈正確、可靠的工作是航道監(jiān)管的首要任務。目前，遙測遙控技術(shù)應用于航標燈方面的研究比較多，但在利用該技術(shù)以航標燈自身為載體對周圍環(huán)境和航道實現(xiàn)實時監(jiān)測并即時進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹悄芸刂品矫娴难芯枯^少，因此設計開發(fā)一套高效、可靠且運行成本低的航標燈遠程監(jiān)測系統(tǒng)成為廣大航道維護人員十分關(guān)注的問題。根據(jù)目前舟山江海聯(lián)運航道航標燈的實際布局情況，以衛(wèi)星通信技術(shù)、無線通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)作為技術(shù)支撐，設計出一套航標燈智能遙測遙控系統(tǒng)解決方案。

1 系統(tǒng)整體設計

航標燈智能監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控原理是通過北斗衛(wèi)星定位模塊實現(xiàn)對航標燈的定位，確定航標燈的相對精確位置，航標燈自帶太陽能發(fā)電裝置，可保證每天對航標燈的全天候監(jiān)控。航標燈終端數(shù)據(jù)采集模塊使用AT89C52單片機技術(shù)，利用水深測量傳感器、光敏傳感器、溫度傳感器等設備，將獲取的船舶位置、航道水深及采集到的其他環(huán)境參數(shù)通過通用無線分組業(yè)務技術(shù)（General Packet Radio Service，GPRS）網(wǎng)絡發(fā)送到岸上監(jiān)控中心的地理信息系統(tǒng)（GIS）服務器，并與先前存儲在服務器中的航標燈信息進行比對。監(jiān)控中心可根據(jù)傳回的數(shù)據(jù)實時了解各航標燈的位置信息、航道參數(shù)及工作狀態(tài)參數(shù)，有針對性地對航標燈進行維護，根據(jù)航標燈周圍環(huán)境參數(shù)變化發(fā)出警告并采取有效措施，達到實時監(jiān)控航標燈及航道環(huán)境的目的。航標燈智能監(jiān)控系統(tǒng)見圖1。

2 航標燈智能遙測遙控終端設計

航標燈智能終端是航標燈監(jiān)測系統(tǒng)的核心設備，主要由AT89C52單片機處理器、北斗衛(wèi)星接收模塊、GPRS無線傳輸模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、自供電電源等部分組成。北斗衛(wèi)星接收模塊用來獲取航標燈的位置信息，傳感器數(shù)據(jù)采集模塊用來實時獲取水深、光亮度、溫度等環(huán)境參數(shù)，GPRS模塊用來傳輸各種數(shù)據(jù)信息到中心服務器，自供電電源用來給系統(tǒng)供電。同時，終端系統(tǒng)設置程序監(jiān)視定時器，當系統(tǒng)程序運行出現(xiàn)錯誤或停機時，系統(tǒng)程序會自動重新運行。

2.1 北斗衛(wèi)星通信模塊

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)由空間段、地面段和各類用戶等組成。北斗衛(wèi)星技術(shù)的不斷發(fā)展和覆蓋范圍的擴大，使其廣泛應用于我國遠洋運輸船舶通信。[1]北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是基于北斗二代（DB-2）的北斗衛(wèi)星接收模塊，主要由接收天線、射頻模塊、A/D采樣模塊、基帶信號處理模塊、時鐘模塊等組成。采用基于DB-2基帶芯片的設計保證了衛(wèi)星接收系統(tǒng)體積小、功耗低、高精度、低成本的要求，可以有效完成航標燈監(jiān)測系統(tǒng)的位置監(jiān)測設計目標。

2.2 GPRS通信模塊

GPRS是一種以GSM為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，其通過利用全球移動通信系統(tǒng)（GSM）網(wǎng)絡中未使用的時分多址（TDMA）通道進行數(shù)據(jù)傳輸。作為先進且較為經(jīng)濟的無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，GPRS在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡的基礎(chǔ)上，通過增加相應的功能和對現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進行部分改造來實現(xiàn)分組交換，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸。GPRS不僅能批量且雙向傳輸數(shù)據(jù)，同時還能與用戶隨時保持聯(lián)系。特點是：網(wǎng)絡信號覆蓋范圍廣、傳輸速率高、接入時間短、使用成本較低，通過TCP/IP協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)選用SIMCOM公司推出的sim900a模塊，其是一個雙頻GSM/GPRS通信模塊，采用省電技術(shù)設計，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，方便數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 航標燈智能數(shù)據(jù)采集模塊

航標燈是船舶航運安全的重要保障，航標燈周邊氣候變化劇烈，工作環(huán)境復雜且難以及時維護，因此建立一個航標燈智能遠程監(jiān)測系統(tǒng)具有非常重要的意義。航標燈智能遠程監(jiān)測系統(tǒng)設計的主要目的就是基于衛(wèi)星和GPRS通信技術(shù)，對航標燈位置信息、航道深度、工作狀態(tài)等進行實時監(jiān)測，使得監(jiān)管部門及時掌握航標燈周圍的環(huán)境變化情況和發(fā)現(xiàn)潛在的隱患，從而能夠提前作出應對措施，并對緊急情況能迅速采取行動。

此次系統(tǒng)設計由AT89C52單片機、傳感器模塊、水位檢測模塊、LED顯示模塊、報警電路模塊等5個部分組成。以AT89C52單片機作為核心控制裝置，再結(jié)合報警電路、顯示電路、A/D轉(zhuǎn)換電路及其他相關(guān)的電路共同組成航標燈控制系統(tǒng)。[2] 另外，傳感器模塊、水位檢測模塊、LED顯示模塊、報警電路模塊等4個部分構(gòu)成航標燈數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。AT89C52單片機作為控制核心，采集來自于水位傳感器信號，信號經(jīng)單片機處理給出水位高低識別數(shù)據(jù)信息，經(jīng)驅(qū)動發(fā)出水位高低提示或報警，并通過鍵控或程序設定單片機監(jiān)測的基準水位。系統(tǒng)可進行全天候監(jiān)測工作，為船舶安全通行保駕護航。航標燈智能終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

系統(tǒng)工作流程：首先對系統(tǒng)進行初始化，完成復位、上電及預設初始值；然后開始啟動轉(zhuǎn)換電路；接著由檢測模塊進行實時水位值的檢測；最后交由A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。顯示模塊完成實時水位值的顯示，單片機將檢測到的實時水位值與預設值進行比較：若實時水位值低于預設水位值，報警電路工作；反之，報警電路不工作。衛(wèi)星接收模塊用來獲取航標燈的位置信息，GPRS模塊即時將上述獲取的數(shù)據(jù)和報警信息向監(jiān)控中心報告，中心計算機能對航標燈終端系統(tǒng)進行遠程控制和查詢航標燈終端的工作狀態(tài)，便于及時發(fā)現(xiàn)故障并進行維護，更好地保障航行船舶的安全。

3 系統(tǒng)監(jiān)控服務器端

航標燈智能監(jiān)控系統(tǒng)的服務器可實現(xiàn)電子地圖管理、航標燈通信終端管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、報警管理等。服務器接入互聯(lián)網(wǎng)，通過通信管理模塊定時接收每個通過GPRS傳輸過來的各項航標燈參數(shù)信息并予以存儲，同時在電子地圖上顯示出航標燈位置，實時顯示水位變化、狀態(tài)參數(shù)并繪制曲線。航標燈智能遙測遙控系統(tǒng)總流程見圖3。服務器可以根據(jù)航標燈的狀態(tài)參數(shù)、位置及水位等信息來判斷航標燈位置是否偏離可控范圍、航道水深是否在安全區(qū)間、各項參數(shù)是否異常等。管理維護人員可以根據(jù)所獲信息進行后續(xù)的決策和行動。

4 結(jié) 語

本文設計了基于北斗衛(wèi)星通信的航標燈遠程監(jiān)控系統(tǒng)，航標燈數(shù)據(jù)采集終端由北斗衛(wèi)星接收模塊、GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊、單片機控制單元和傳感器模塊及其他外圍電路組成。北斗衛(wèi)星模塊接收到的位置信號和各個傳感器檢測到的航標燈狀態(tài)信息、航道水深等數(shù)據(jù)通過GPRS模塊實時傳輸?shù)胶笈_控制中心服務器端，服務器通過GIS管理模塊顯示并分析每個航標燈的位置信息、航道水深、狀態(tài)參數(shù)及可視化數(shù)據(jù)圖形并存入數(shù)據(jù)庫，從而及時發(fā)現(xiàn)航標燈自身及其周圍環(huán)境存在的異常狀況。航標燈監(jiān)控系統(tǒng)能對航標燈的狀態(tài)、環(huán)境進行有效監(jiān)控，從而使航標燈得到及時維護，最大限度地保護行駛在舟山水域及各島嶼之間航道上的船舶的安全，使江海聯(lián)運航道上的航標燈系統(tǒng)得到最大化利用。

參考文獻：

[1] 邱望智.基于GPS/北斗衛(wèi)星的列車導航定位研究[D].北京：北京交通大學，2014.

[2] 孔磊.基于51單片機的航標燈控制器設計與實現(xiàn)[J].電子世界，2017（9）：178-181.