基于北斗衛(wèi)星通信的智能航標燈終端物聯(lián)網(wǎng)遙測遙控系統(tǒng)設(shè)計

王志威　鄭恭明

【摘 要】 為確保對航標燈進行有效監(jiān)控和管理，設(shè)計基于北斗衛(wèi)星通信的智能航標燈遠程控制系統(tǒng)，對目前未覆蓋全球移動通信系統(tǒng)的海域進行航道管理。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對航標燈狀態(tài)數(shù)據(jù)檢測、航標燈位置測控及航標燈周圍海域環(huán)境的監(jiān)控，并將檢測到的數(shù)據(jù)通過北斗衛(wèi)星通信傳送給服務(wù)器，由服務(wù)器進行數(shù)據(jù)處理和分析，以及發(fā)出預(yù)警信息并儲存到數(shù)據(jù)庫中。航道管理人員通過客戶端從數(shù)據(jù)庫中獲取航標燈相關(guān)信息，對航標燈出現(xiàn)的故障及時進行維護，向過往船舶提供航標燈所在海域的航道信息，確保船舶的安全通行。

【關(guān)鍵詞】 航標燈;遙測遙控;北斗衛(wèi)星通信;數(shù)據(jù)庫

0 引 言

航標系統(tǒng)是海上交通安全保障體系的重要組成部分。[1] 在暗礁較多或天氣經(jīng)常不好影響視線的海域，航標燈可以通過特定的閃爍頻率和燈色來起到提醒船舶防范危險的作用。因此，對航標進行有效監(jiān)控和管理，確保航標信息的準確性，可為船舶安全航行提供重要保障。目前遠程遙控測控技術(shù)應(yīng)用已在航標燈控制方面普及，但以航標燈終端為載體和利用浮鼓設(shè)備采集航道數(shù)據(jù)及控制航標燈器提醒船舶以實現(xiàn)及時、準確地監(jiān)測航道和保證航海安全等方面的研究較少。對于航道管理人員而言，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)一套高效、準確，通信順暢和運行成本低的智能航標燈終端遙測遙控系統(tǒng)至關(guān)重要。

1 系統(tǒng)設(shè)計

智能航標燈終端的控制系統(tǒng)是采用GPS和北斗定位模塊的雙模定位來精準確定航標燈的具體位置的。航標燈終端采用太陽能電板充電、蓄電池儲存電能的方式為航標燈終端提供電能，確保對航標燈的全天監(jiān)控。航標燈終端的數(shù)據(jù)采集部分是采用型號STM32L476的微處理器為核心，其內(nèi)部的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）分別采集環(huán)境日光值、太陽能板電壓、充電電流等。航道中的水深和天氣等環(huán)境數(shù)據(jù)是由浮鼓設(shè)備采集后通過RS-485通信接口傳輸給航標燈終端，最后再由航標燈終端對這些數(shù)據(jù)進行整合分析，將結(jié)果通過北斗短報文通信的方式發(fā)送給岸上的監(jiān)控中心與之前的數(shù)據(jù)進行對比。監(jiān)控中心通過這些數(shù)據(jù)可以判斷此時各個航標燈狀態(tài)和航道通航情況，以及此時航標燈發(fā)出的燈光顏色和閃爍頻率，使其能夠達到及時、準確地對航道進行管理和監(jiān)控。為了便于航道管理人員的工作，智能航標燈監(jiān)控系統(tǒng)可以通過臺式計算機、筆記本計算機中的軟件或手機中的App等來進行監(jiān)控。

2 終端設(shè)計

智能航標燈終端是智能航標燈監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，其主要由型號STM32L476的微處理器、北斗衛(wèi)星通信模塊、GPS定位模塊、電池檢測模塊、硬件看門狗模塊、多路RS-485通信接口模塊和參數(shù)采集模塊等部分組成。北斗衛(wèi)星通信模塊是用來獲取航標燈位置信息和傳輸各種數(shù)據(jù)給監(jiān)控中心的;GPS定位模塊是通過獲取航標燈位置信息與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航實現(xiàn)雙模定位以得到精準的航標燈位置的;電池檢測模塊是用來記錄航標燈終端的電量使用情況的;硬件看門狗模塊是用來檢測航標燈終端系統(tǒng)程序是否出現(xiàn)錯誤或者死機的情況（當(dāng)航標燈終端系統(tǒng)程序出現(xiàn)錯誤或者死機時，硬件看門狗電路會重啟航標燈終端系統(tǒng)）的;多路RS-485通信接口模塊是為實現(xiàn)與多個航標燈燈器的通信以及與浮鼓設(shè)備的通信的;參數(shù)采集模塊是用來獲取航標燈終端的工作電氣數(shù)據(jù)和航標燈在海面上的運動狀況的。

2.1 北斗衛(wèi)星通信

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)、獨立運行不受其他國家限制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不僅可以提供定位和授時服務(wù)，而且還可以為用戶提供短報文通信服務(wù)。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)覆蓋我國陸地及管轄海域，北斗衛(wèi)星通信技術(shù)已廣泛運用在我國遠洋運輸船舶通信中。

北斗衛(wèi)星通信方式是由發(fā)送方將目的地址和報文內(nèi)容發(fā)送給北斗衛(wèi)星，再由北斗衛(wèi)星將目的地址和報文轉(zhuǎn)發(fā)給地面控制中心，地面控制中心將編譯出來的目的地址和通信編碼通過北斗衛(wèi)星發(fā)送到目的用戶終端。[2] 北斗短報文通信的報文內(nèi)容最多可以一次傳輸628個二進制位，傳輸時間可在1 s內(nèi)完成。北斗衛(wèi)星通信具有覆蓋區(qū)域廣、不受天氣環(huán)境影響、傳輸效率高、通信費用低廉、通信信道穩(wěn)定而且不依賴基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施等優(yōu)點，非常適合在我國海域中因全球移動通信系統(tǒng)（GSM）信號未覆蓋而無法通信的地區(qū)使用。

2.2 北斗通信模塊

北斗通信模塊的型號為LCX1531-SPEC-V1.2，其主要集成了北斗衛(wèi)星無線電定位系統(tǒng)（RDSS）射頻收發(fā)芯片、基帶電路、功放芯片等，可以完整地實現(xiàn)北斗RDSS的信號收發(fā)、調(diào)制解調(diào)等全部功能。該模塊具有體積小、功耗低、高精度等優(yōu)點，完全滿足智能航標燈終端的定位和通信功能需求。

2.3 智能航標燈數(shù)據(jù)采集模塊

為保障船舶在海上安全航行，確保航標燈信息的準確性及對周圍環(huán)境監(jiān)控的實時性是非常必要的。通過與航標燈終端相連的浮鼓設(shè)備采集航標燈周圍的水域和天氣環(huán)境信息，然后由RS-485通信接口將這些信息傳送給航標燈終端。這些信息將與航標燈燈器的工作狀態(tài)信息和航標燈終端自身的工作狀態(tài)信息由航標燈終端通過北斗衛(wèi)星通信發(fā)送給監(jiān)控中心，使航道管理人員能及時、準確地掌握航道的環(huán)境變化情況及可能潛在的危險，以便提醒過往船舶安全通行。

智能航標燈系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊主要由型號STM32L476單片機、傳感器模塊、電池檢測模塊、浮鼓設(shè)備、航標燈燈器等組成。型號STM32 L476的內(nèi)置12位ADC采集航標燈終端的工作電氣數(shù)據(jù)，I2C通信接口采集電池檢測模塊中的航標燈終端電量使用數(shù)據(jù)及陀螺儀傳感器中的航標燈終端運動狀態(tài)數(shù)據(jù)。這些信息可構(gòu)建航標燈終端當(dāng)前狀態(tài)的3D模型，當(dāng)航標燈終端出現(xiàn)故障或報警時，維修人員可根據(jù)3D模型精準維修。[3] 智能航標燈終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

2.4 智能航標燈測控系統(tǒng)框架

基于北斗衛(wèi)星通信的智能航標燈測控系統(tǒng)主要針對的是未覆蓋GSM信號的海域。這些海域通常天氣惡劣、交通不便，導(dǎo)致航道的巡檢人員不能經(jīng)常到達。

智能航標燈終端主要工作是由采集航標燈數(shù)據(jù)和周圍環(huán)境數(shù)據(jù)、及時傳輸采集到的數(shù)據(jù)、及時處理服務(wù)器發(fā)送來的數(shù)據(jù)、實時監(jiān)控航標燈工作狀態(tài)等4個部分組成，其工作機制由自報、查詢―應(yīng)答組成。

該機制的具體工作方式如下：

（1）定時自報和故障自報：每日定時喚醒終端測控系統(tǒng)，采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心。當(dāng)航標燈終端測控系統(tǒng)發(fā)生故障時或者采集到的數(shù)據(jù)超過設(shè)定的閾值時，終端測控系統(tǒng)主動上報給監(jiān)控中心。

（2）查詢―應(yīng)答：由監(jiān)控中心發(fā)送查詢或控制指令，將航標燈終端測控系統(tǒng)從睡眠狀態(tài)中喚醒，使航標燈終端及時作出應(yīng)答。這保證了系統(tǒng)的實時性。

整個系統(tǒng)工作流程如下：

（1）系統(tǒng)初始化，完成系統(tǒng)的復(fù)位和上電及終端參數(shù)的初始化;

（2）外設(shè)初始化，主要是電源電測模塊和陀螺儀模塊及A/D模塊的初始化;

（3）判斷從機類型和工作類型，從機類型主要是浮鼓+航標水燈、浮鼓、岸標單燈、航標水燈、岸標多燈等5種類型，這5種類型與從機的工作模式相對應(yīng)，以便適應(yīng)海域的不同地區(qū);

（4）判斷從機的RS-485通信接口協(xié)議，這是為了提高航標燈終端對不同版本航標燈燈器的兼容性，使舊版本的航標燈燈器能與目前的智能航標燈測控系統(tǒng)成功連接;

（5）通過北斗衛(wèi)星通信與監(jiān)控中心的服務(wù)器建立連接;

（6）解析并執(zhí)行服務(wù)器的指令及定時上報采集到的數(shù)據(jù)，當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)超出設(shè)定的閾值時或者航標燈測控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時也能及時上報給監(jiān)控中心。

智能航標燈終端系統(tǒng)工作流程見圖2。

為延長航標燈終端的使用壽命和減少電量消耗，航標燈終端測控系統(tǒng)設(shè)置了低功耗待機模式。當(dāng)航標燈終端的消息接收隊列中無消息儲存且此時從機無消息上報時，航標燈終端開啟低功耗待機定時器。若在定時器達到最大定時的這段時間內(nèi)航標燈終端一直保持空閑狀態(tài)，待到了最大定時時間后終端會進入到低功耗待機模式來降低其電量消耗。當(dāng)監(jiān)控中心或者從機有消息來時，或者到了航標燈終端主動上報數(shù)據(jù)的時間，航標燈終端會從低功耗待機模式中被喚醒進入工作模式來解析數(shù)據(jù)或上報數(shù)據(jù)。航標燈終端系統(tǒng)低功耗待機模式觸發(fā)流程見圖3。

航標燈燈器帶有256種燈質(zhì)，可以對過往船舶因航道中的不同情況作出相應(yīng)提醒。因此，航標燈終端對航標燈燈器的控制是保證航道中船舶安全通行的重要組成部分。航標燈終端對航標燈燈器采用自報和查詢―應(yīng)答為一體的控制。航標燈終端在上電判斷從機RS-485通信接口協(xié)議時，將航標燈燈器的初始工作參數(shù)發(fā)送給航標燈燈器，隨后燈器應(yīng)答并按照終端發(fā)送的工作參數(shù)進行工作。若航標燈終端接收到服務(wù)器的航標燈燈器參數(shù)設(shè)置指令或查詢指令時，航標燈終端按照與航標燈燈器的通信協(xié)議向航標燈燈器發(fā)送相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置指令或查詢指令。航標燈燈器每天定時向航標燈終端上報自身的工作參數(shù)和數(shù)據(jù)，有助于航道管理人員能在航標燈燈器發(fā)生故障時及時對其進行維修，以確保過往船舶的安全通行。

3 系統(tǒng)監(jiān)控服務(wù)器端

智能航標燈測控系統(tǒng)服務(wù)器的功能是電子海圖管理、航標燈信息管理、報警處理等。電子海圖管理具有儲存電子海圖數(shù)據(jù)、實時顯示航標燈位置等作用。航標燈信息管理則是定時向航標燈終端發(fā)送查詢指令，獲取航標燈的工作狀態(tài)及附近海域的環(huán)境數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析，以便判斷航標燈或者附近海域是否存在潛在危險，然后將各項數(shù)據(jù)和結(jié)果儲存到數(shù)據(jù)庫中。報警處理是當(dāng)航標燈發(fā)生故障向服務(wù)器發(fā)送報警信息時，服務(wù)器能及時告知客戶端，以便管理人員及時解決報警問題。服務(wù)器接入互聯(lián)網(wǎng)，以便當(dāng)客戶端需要電子海圖和航標燈等信息或者需要控制航標燈時，服務(wù)器能通過互聯(lián)網(wǎng)接收到相應(yīng)指令并進行相關(guān)處理。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計基于北斗衛(wèi)星通信的智能航標燈測控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對航標燈工作狀態(tài)及航標燈位置的測控，并可以通過浮鼓設(shè)備采集航標燈周圍的環(huán)境信息。航標燈終端將這些信息通過北斗衛(wèi)星通信發(fā)送給服務(wù)器，由服務(wù)器對航標燈終端采集的數(shù)據(jù)進行分析，并將各項數(shù)據(jù)和分析結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫?？蛻舳诵枰綐藷粝嚓P(guān)數(shù)據(jù)時，就可以從數(shù)據(jù)庫中獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。航道管理人員需要控制航標燈時，可以通過客戶端向服務(wù)器發(fā)送指令，再由服務(wù)器將相關(guān)指令由北斗衛(wèi)星通信發(fā)送給航標燈終端，最后航標燈終端實現(xiàn)相應(yīng)控制?；诒倍沸l(wèi)星通信的智能航標燈測控系統(tǒng)可代替經(jīng)常天氣不好、交通不便等海域的航標現(xiàn)場巡檢，以及減少航標維護費用，極大地保障了過往船舶的安全。

參考文獻：

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