遠(yuǎn)程水面信息終端系統(tǒng)的研制與測試

劉傳林,龍銀香,晏成明,包爾恒,梁文禎,匡暢

(廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510635)

1 遠(yuǎn)程終端開發(fā)研制的重要意義

我國南方有著豐富的水系與水運(yùn)資源優(yōu)勢，促進(jìn)水運(yùn)行業(yè)向著高效能與高效益的方向發(fā)展，并在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮重要作用。但隨著水運(yùn)行業(yè)的發(fā)展，運(yùn)輸部門對航道維護(hù)的要求越來越高，以及水流沖擊、船舶撞掛和航標(biāo)燈自身的故障導(dǎo)致航標(biāo)位移、航標(biāo)燈熄滅或照度不足等故障時有發(fā)生。如果不能及時掌握故障情況，不僅不能采取措施及時恢復(fù)正常工作，還將嚴(yán)重威脅河流船舶的航行安全，甚至造成損失或嚴(yán)重事故。

舊的航標(biāo)管理科技含量低，不能自動報警，完全依靠人工出航巡視檢測，航道部門不能隨時掌握航標(biāo)狀況，出航成本高、費(fèi)時費(fèi)力，不能滿足運(yùn)輸生產(chǎn)對航道維護(hù)的需求。因此，研究水面信息終端技術(shù)、研制航道航標(biāo)智能報警技術(shù)成為解決和保障航運(yùn)安全的重要課題。該課題在綜合運(yùn)用現(xiàn)代通訊、信息、衛(wèi)星定位和地理信息技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究滿足航道維護(hù)需要、成本較低的航標(biāo)遙測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)航標(biāo)燈智能化，解決航標(biāo)故障不能被及時發(fā)現(xiàn)的問題。該終端設(shè)備的研制對提高航道維護(hù)水平、降低航標(biāo)維護(hù)成本、保障航行安全、促進(jìn)航運(yùn)事業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展都具有重要意義。

2 遠(yuǎn)程終端系統(tǒng)研制的技術(shù)考量

根據(jù)實(shí)際需求情況，遠(yuǎn)程水面信息終端的研制在技術(shù)層面主要考慮以下三點(diǎn)：

首先，必須解決遠(yuǎn)程信息終端的電源問題，應(yīng)用電力電子技術(shù)確保電源性能。遠(yuǎn)程終端應(yīng)用改變過去的工作模式，水道作業(yè)部門不需要出航巡視就能掌握所有遠(yuǎn)程終端狀況，有的放矢地出航維護(hù)，大大減少因出航巡視產(chǎn)生的成本，減少水道工人的勞動強(qiáng)度和人力資源，檢測維護(hù)能力可大大提高。應(yīng)用新的遠(yuǎn)程終端改變過去幾天才能巡視一遍的狀態(tài)，可每天隨時掌握航標(biāo)狀況，管理部門也可在千里之外通過網(wǎng)絡(luò)掌握航標(biāo)情況，利用客觀準(zhǔn)確的信息、動態(tài)圖表和統(tǒng)計資料檢查督導(dǎo)，做出管理決策。

為爾生來體態(tài)柔，因情感物寓風(fēng)流。汝無血?dú)夂沃X，自是詩人想象來(“來”，此據(jù)南京圖書館藏八千卷樓抄本、臺北故宮博物院藏碧琳瑯館抄本，《全宋詩》作“求”，是,未知所據(jù)，當(dāng)依韻改)。(后集卷一七楊柳門)

水文地質(zhì)條件，垃圾場的基礎(chǔ)應(yīng)建設(shè)在地下水主要補(bǔ)給區(qū)范圍之外，地下水富水性以貧乏～極貧乏為宜，場址不應(yīng)直接選擇在滲透性強(qiáng)的地層之上，應(yīng)位于含水層的地下水水力坡度平緩地段，滲透性系數(shù)最好能達(dá)到10-7 m/s以下，含水層以上最好有5 m以上隔水層，地下水化學(xué)類型以重碳酸鈣型水為宜，不宜選擇強(qiáng)酸性（PH＜4）、Cl-、SO4 2-含量大于200 mg/L，避免地下水對場地基礎(chǔ)產(chǎn)生腐蝕。此外，場地內(nèi)地下水的主流向應(yīng)背向地表水域，地下水徑流途徑應(yīng)比較短，最好具有較好的天然屏障，避免或減少地下水對周圍水域的污染。

整體系統(tǒng)包括管理系統(tǒng)與終端系統(tǒng)。

（1）GPS 接收模塊的選型。根據(jù)初步調(diào)研，目前市場上的有上百個品牌和型號的 GPS 模塊，大體可分為二代和三代。在接收能力上，有的可接收L1，L2 和L5 載波頻率，C/A 碼和L2C 民用碼以及L1 和L2 頻率的P ；有的只能接收L1/1575-42MHz 和C/A 碼，通道數(shù)差別也較大；一些高級的 GPS 模塊內(nèi)置邏輯芯片來穩(wěn)定GPS 信號，較好解決了令人頭痛的漂移問題。GPS 選型應(yīng)考慮以下四方面：①鑒于航標(biāo)燈的供電條件，GPS 模塊必須滿足輸入電壓小于3.5V、功耗小于100mW 的要求；②價格因素；③體積不能太大，由于要與航標(biāo)燈集成一個整體，體積太大可能無法裝入航標(biāo)燈；④定位精度取決于GPS 模塊的精度、穩(wěn)定性、可靠性和接收/處理信號的能力，這是航標(biāo)遙測的關(guān)健所在，在這方面既要考慮盡可能提高精度，又要兼顧前述三個因素。

3 遠(yuǎn)程終端研制的技術(shù)方案

3.1 技術(shù)方案主要內(nèi)容

第三，遠(yuǎn)程終端是一項新智能技術(shù)，有極少數(shù)的局部實(shí)踐，所以還存在許多問題，如耗電量過大、定位不準(zhǔn)、功能不夠強(qiáng)大、造價高等。在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善技術(shù)、攻克難題，使之更加成熟、完善，可推動這項技術(shù)在全國內(nèi)河航道大范圍推廣，進(jìn)而形成一個生產(chǎn)、銷售、服務(wù)、航標(biāo)維護(hù)的系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，并使科研成果盡快轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，產(chǎn)生社會和經(jīng)濟(jì)效益。同時，遠(yuǎn)程終端的開發(fā)需要河流水道、電力電子電源技術(shù)、電子信息通信技術(shù)方面的專家共同協(xié)作攻關(guān)。

其次，為保證安全可靠性能，遠(yuǎn)程終端應(yīng)用研究采用比較成熟的移動通信、嵌入式計算機(jī)、全球衛(wèi)星定位（GPS）和地理信息技術(shù)（GIS），可解決航標(biāo)基礎(chǔ)信息管理、航標(biāo)故障（漂移、低壓、滅燈等）自動報警、航標(biāo)維護(hù)中故障信息獲得等問題，大大提升航道維護(hù)的科技含量。

終端部分由數(shù)據(jù)采集部分、中央處理器、GPS定位部分、GPRS 通信部分、電源部分、LED 光源部分及外殼組成。數(shù)據(jù)采集部分將蓄電池電壓、太陽能電池電壓、充電電流、LED 電流、水深傳感器、光電傳感器等模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，送入中央處理器進(jìn)行計算處理；GPS 定位部分，采用GPS 模塊通過串行口與中央處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。由此模塊采集提供緯度、經(jīng)度、高度、日期時間等參數(shù)，提高定位經(jīng)度達(dá)到要求；GPRS 通信部分，采用GPRS 通信模塊通過串行口與中央處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，由中央處理器通過GPRS 通信網(wǎng)絡(luò)與機(jī)房管理系統(tǒng)通信，由機(jī)房管理控制，根據(jù)用戶信息作出相應(yīng)的處理（用戶對終端的設(shè)置命令，則對自身的參數(shù)修改；查詢，將信息編碼后通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)發(fā)給終端，終端收到指令由CPU 做出相應(yīng)處理，中央處理器根據(jù)內(nèi)建的實(shí)時時鐘完成信息的自動上傳，時刻檢測航標(biāo)燈狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)故障自動報警；電源部分，太陽能板加免維護(hù)蓄電池提供充分可靠的電能供應(yīng)，采用低功耗器件、休眠方式降低整機(jī)功耗。和控制航標(biāo)狀態(tài)、電源狀態(tài)、衛(wèi)星定位模塊和通訊模塊協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)定時遙控、周期遙控、故障遙控、查詢遙控的功能，終端中可能會有2 個以上串行接口，10 個模擬量接口和開關(guān)量接口，在嵌入式計算機(jī)中編寫處理GPS 定位信息的算法，這些算法包括預(yù)估、統(tǒng)計等功能，最大限度減小各類隨機(jī)因素的干擾，實(shí)現(xiàn)初步定位，后臺遙測遙控中心的算法根據(jù)終端數(shù)據(jù)最后作出精確定位或位移精確檢測。

（2）航標(biāo)精確定位方法研究和認(rèn)證。傳統(tǒng)的單點(diǎn)定位方式無法達(dá)到定位誤差小于5 米的要求，采用差分定位法雖然可滿足要求但需建立大量的差分臺且數(shù)據(jù)交換量很大。本項目針對航標(biāo)移動速度慢、定位時間要求低的特點(diǎn)，擬采用相對差分新技術(shù)，以較小的投入實(shí)現(xiàn)GPS 定位誤差小于5 米的目標(biāo)。需要解決的問題是：驗證這一技術(shù)與擬選GPS 模塊的匹配關(guān)系；驗證這一算法的有效性和可靠性；根據(jù)河流航道的地理位置和實(shí)測結(jié)果修正算法的轉(zhuǎn)換因子和參數(shù)，提高算法精度。

終端系統(tǒng)基本架構(gòu)包括電源系統(tǒng)和控制、檢測、圖像、定位、通信單元以及天線（見圖1）。主要技術(shù)指標(biāo)和功能如下： （1）電源技術(shù)解決方案是終端硬件最重要的部分。主要技術(shù)指標(biāo)和功能有：電池電壓檢測誤差小于0.3V ；航標(biāo)燈異常熄滅報警；平均無故障時間5000 小時；工作溫度在攝氏-20℃—70℃；環(huán)境濕度小于95%，無疑結(jié)；電源適應(yīng)范圍在DC3.7-5.2V ；硬件終端功耗滿足在太陽能板充電條件下長期免維護(hù)的要求；電池電壓過低報警；航標(biāo)電流過低報警；周期性和定時性報告航標(biāo)狀態(tài)（閃光周期、電流、電源電壓、工作時間、漂移狀態(tài)）；航標(biāo)漂移報警，采用高端GPS 芯片后期可支持差分技術(shù)，定位誤差精度小于5 米，準(zhǔn)確率大于90% ；故障自動檢測、自動復(fù)位，在供電正常情況下，CPU 不死機(jī)；運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)置；通信時滯小于30 分鐘。（2）通信模塊實(shí)現(xiàn)遙測中心和航標(biāo)燈之間的無線通訊功能，配合控制單元可調(diào)整LED 閃爍模式、光電管閥值、航標(biāo)燈密碼和GPS 同步閃爍。（3）航標(biāo)遙測采用專用 GPS 定位單元，實(shí)現(xiàn)遙測基準(zhǔn)點(diǎn)的精確定位和GPS 誤差修正信息的采集功能。檢測單元運(yùn)用加速傳感器算法，解析前端加速傳感器傳回的數(shù)據(jù)，判斷智能航標(biāo)燈是否遭受撞擊、是否翻沉等。（4）圖像單元包含攝像頭控制拍照電路及其軟件部分，完善圖像通信傳輸質(zhì)量。

圖1 遠(yuǎn)程水面信息終端系統(tǒng)的基本架構(gòu)

3.2 關(guān)鍵信息與定位技術(shù)問題

當(dāng)前人們對房屋建筑的采光要求變得越來越高，門窗的面積越來越大，施工難度有所增加。為了達(dá)到預(yù)期的節(jié)能效果，施工人員應(yīng)充分考了門窗抗風(fēng)壓性、空氣滲透性以及雨水滲透性等指標(biāo)的影響。為了避免滲水，還應(yīng)利用水泥砂漿有效封堵門窗四周與墻柱、窗臺與梁之間的縫隙，并安裝相應(yīng)的密封條。在密封前，施工人員應(yīng)做好密封處的清理工作，且使用塑料單框雙玻門窗，提高建筑的性價比。

肛裂在肛腸科屬于一種較為常見的肛管疾病，也是患者肛管產(chǎn)生劇痛的主要原因，發(fā)病部位在患者的肛門前后正中，多數(shù)患者都是年輕女性。肛裂的臨床表現(xiàn)癥狀有劇痛、大便出血以及便秘，隨著肛裂患者的病情進(jìn)展，疼痛的程度會逐漸加重，便秘不僅是肛裂的臨床表現(xiàn)癥狀還是肛裂發(fā)生的原因[10]，也是肛裂患者術(shù)后常見的并發(fā)癥，糞便會刺激患者肛裂處組織表面，讓肛裂處出現(xiàn)燒灼樣疼痛感，肛裂患者在時候術(shù)后因為切口有明顯疼痛感、飲食不合理、內(nèi)心恐懼以及活動量較少都會引起便秘。便秘會給肛裂患者帶來心理和身體的痛苦，還會延長患者的住院時長，需要及時對肛裂手術(shù)患者采取有效的護(hù)理措施預(yù)防便秘出現(xiàn)。

（3）在航標(biāo)遙測終端基礎(chǔ)上增加航標(biāo)遙測功能。解決定位算法占用 CPU 資源過多、增加GPS模塊導(dǎo)致功耗增加、GPS 信號與GSM 手機(jī)信號之間可能存在高頻干擾的問題。遙測中心專用 GPS定位模塊研發(fā)，為獲取優(yōu)質(zhì)信號，收到盡可能多的衛(wèi)星信號，必須將GPS 模塊置于室外開闊地，相應(yīng)的需要延長電源、信號線。另外，為精確定位，需要增加相應(yīng)的預(yù)估算法等。

4 遠(yuǎn)程終端硬件與管理系統(tǒng)銜接

4.1 遠(yuǎn)程終端硬件

管理系統(tǒng)即智能航標(biāo)燈遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)，該軟件包括以下模塊：通信處理、航標(biāo)狀態(tài)管理、數(shù)據(jù)庫管理、航標(biāo)定位、航標(biāo)管理中心基準(zhǔn)點(diǎn)信息采集和定位、電子航道圖管理、航標(biāo)報警信息處理模塊及操作權(quán)限管理等。主要具有以下功能：航標(biāo)燈基礎(chǔ)信息管理、航標(biāo)定位、航標(biāo)報警處理、電子航道圖管理，報表自動生成。

4.2 管理系統(tǒng)銜接

軟件分機(jī)房數(shù)據(jù)管理和用戶瀏覽系統(tǒng)。機(jī)房數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)采集所有航道終端數(shù)據(jù)。存貯分組管理，并下發(fā)終端所需控制命令。用戶瀏覽系統(tǒng)，通過Internet 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)展示。如：實(shí)時河流航道、GPS 定位地圖、數(shù)據(jù)例表、曲線圖形等顯示；動態(tài)報警可通過短信發(fā)送到管理員手機(jī)，使其及時得到報警信息。

5 硬件參數(shù)與測試

遠(yuǎn)程終端重要的一個環(huán)節(jié)就是工程測試，旨在總結(jié)測試結(jié)論并分析測試結(jié)果，以驗證該系統(tǒng)是否符合需求說明書的要求。

5.1 硬件參數(shù)

表1 遠(yuǎn)程水面信息終端系統(tǒng)硬件參數(shù)

序號 單元 參數(shù)2 通信模塊額定電壓：4.2 V、待機(jī)額定電流：30mA發(fā)射功率：4W工作溫度：-35℃～ +80℃額定電壓：3.3 V 、額定電流：67mA額定功率：0.22W工作溫度：-10℃～ +75℃4 航燈3 定位模塊額定電壓：12 V、額定電流：350mA額定功率：4.2W工作溫度：-10℃ ～ +80℃5 設(shè)備整體參數(shù)電壓范圍：8.5 V ～13 V、工作溫度：-10℃～ +70℃

5.2 實(shí)驗測試

實(shí)驗室測試項目執(zhí)行結(jié)果見表2。

表2 遠(yuǎn)程水面信息終端系統(tǒng)實(shí)驗測試結(jié)果

5.3 工程測試

工程測試主要側(cè)重于嚴(yán)酷環(huán)境性能試驗，執(zhí)行結(jié)果見表3。

為了給游客帶來更好的旅游體驗，同時在主營農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)上拓展副業(yè)，在政府的支持下，村民們利用閑置田地，在景區(qū)附近建立農(nóng)家樂、休閑農(nóng)莊等場所，給游客提供住宿、餐飲等服務(wù)。此外，還包括手工特色農(nóng)產(chǎn)品零售，如淌(米)面、糍粑等。這些基于鄉(xiāng)村旅游的業(yè)務(wù)提升了村民們的收入，有利于農(nóng)村的經(jīng)濟(jì)增長。

6 結(jié)語

本文闡述了遠(yuǎn)程水面信息終端系統(tǒng)的研制與測試。遠(yuǎn)程終端設(shè)備經(jīng)實(shí)驗室以及嚴(yán)酷環(huán)境工程測試后，滿足了工作的必要條件，但仍需進(jìn)一步投入河流航道進(jìn)行試運(yùn)行。針對遠(yuǎn)程終端的電源、通信、定位等性能收集數(shù)據(jù)，主要數(shù)據(jù)包括電源電壓誤差與適應(yīng)范圍、電源電池異常報警、平均無故障時間、工作溫度與濕度適應(yīng)程度、功耗與免維護(hù)的平均周期、終端定位誤差精度與準(zhǔn)確率、嵌入式硬件故障自檢與復(fù)位、通信時滯、圖像傳輸通信質(zhì)量等。通過積累實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和檢驗設(shè)備效果，可總結(jié)經(jīng)驗，不斷提高終端設(shè)備的運(yùn)行性能。

表3 遠(yuǎn)程水面信息終端系統(tǒng)工程測試結(jié)果