目前我國很多地區(qū)，尤其是經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)采用的航標(biāo)系統(tǒng)長期以來都是獨立分布的，不能與監(jiān)控管理中心實現(xiàn)信息交互，具體體現(xiàn)在航標(biāo)被放置后，只能按既定流程運行，監(jiān)控管理中心無法對管區(qū)內(nèi)的每一部航標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控和實時控制。為了檢查航標(biāo)燈是否運轉(zhuǎn)正常，航道航標(biāo)監(jiān)管部門必須定期派人去現(xiàn)場巡查。由于不能事先得知航標(biāo)燈的運行情況，因此必須一一巡視，缺乏目的性，從而導(dǎo)致管理成本高昂，這一點在航標(biāo)分布區(qū)域廣大，交通惡劣的情況下顯得格外突出。更重要的是，在兩次巡視之間，一旦航標(biāo)燈漂移或毀壞，管理中心無法及時獲知并采取補救措施，這將會對該水域的航道運輸帶來極大的安全隱患。

    GSM無線通信技術(shù)和嵌入式微處理器的不斷發(fā)展，以及GPS全球定位系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，為高性能、低成本的遠(yuǎn)程智能航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)[1]。
    本文利用8位AVR微處理器Atmega128與專用GSM/GPRS模塊Q24設(shè)計了一種智能化的遠(yuǎn)程航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控管理中心可以通過GSM短信或GPRS無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送指令，設(shè)置航標(biāo)燈的閃爍模式等工作參數(shù)；而航標(biāo)終端可利用自身配備的GPS接收器Copernicus II測量位置與時間，并將燈的工作狀態(tài)與時間位置信息定時傳送給監(jiān)控中心,從而實現(xiàn)多臺航標(biāo)終端的智能化管理。
     試驗證明航標(biāo)系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能夠?qū)^大范圍的航標(biāo)終端實現(xiàn)低成本的智能監(jiān)控，擺脫了傳統(tǒng)人力檢測周期長、實時性差等缺點；同時由于利用了現(xiàn)有的GSM/GPRS無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，所以能夠以較低的輻射功率覆蓋很大的范圍，因此具有良好的應(yīng)用前景。
1 硬件系統(tǒng)設(shè)計
    本航標(biāo)燈的具體工作原理如下：主控MCU監(jiān)控LED燈的啟動與亮度,同時MCU通過GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)接收監(jiān)控中心的指令,設(shè)置航標(biāo)燈的各項工作參數(shù)；另一方面，航標(biāo)終端可利用自身配備的GPS接收模塊實時測量自身的位置與時間，并將燈的工作狀態(tài)與位置時間信息同樣利用GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)定時傳送給監(jiān)控中心。所以整個航標(biāo)系統(tǒng)可以分為監(jiān)控、通信、GPS定位以及電源管理四個子系統(tǒng)，如圖1所示。

    系統(tǒng)使用的主控單元為AVR 8 位微處理器Atmega128。該MCU采用RISC結(jié)構(gòu)，擁有4 KB SRAM和128 KB可編程Flash；同時外設(shè)資源也十分豐富，除了一般單片機所共有的定時器/計數(shù)器等常用模塊之外，還集成了航標(biāo)終端所需要的PWM、多路ADC和SPI接口，能夠以盡可能簡化的外圍電路滿足航標(biāo)終端的設(shè)計要求[2]。
1.1 監(jiān)控模塊
    航標(biāo)燈的主要作用是為過往的船只提供航道指示，當(dāng)太陽光的亮度下降到一定程度時，就需要開啟航標(biāo)燈。因此監(jiān)控模塊的一個重要功能就是實時監(jiān)測太陽光的亮度。本航標(biāo)系統(tǒng)直接利用Atmega128內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器對太陽能電池板的輸出電壓進(jìn)行采集；當(dāng)其輸出低于4 V的門限電平時，就認(rèn)為光照已經(jīng)不足，需要開啟航標(biāo)燈。
    MCU通過專用驅(qū)動芯片MAX1698實現(xiàn)對LED航標(biāo)燈的驅(qū)動和亮度控制。具體電路如圖2所示[3]。

    MAX1698為高效率的直流升壓模塊，可以為LED航標(biāo)燈提供足夠的電流驅(qū)動能力。第4腳ADJ上的控制電壓可以調(diào)節(jié)輸出電流，達(dá)到調(diào)節(jié)航標(biāo)燈亮度的作用。這里使用的是PWM控制方式，即利用Atmega128內(nèi)部的PWM模塊產(chǎn)生脈沖寬度可控的PWM信號，經(jīng)過RC低通濾波后形成ADJ腳上的控制電壓。這樣MCU只需通過程序設(shè)置PWM信號的脈寬，就可以實現(xiàn)對LED航標(biāo)燈的多級亮度調(diào)節(jié)。
        為了方便檢測人員在巡視時能夠快速地了解航標(biāo)燈是否處于正常狀態(tài)，系統(tǒng)安裝了一個通用UHF收發(fā)模塊。檢測人員發(fā)出UHF檢測信號，燈上的接收器接收到此信號，生成一個test信號。MCU一旦檢測到此test信號，就控制航標(biāo)燈按預(yù)定的模式閃爍，通知檢測人員此燈處于正常工作狀態(tài)；反之，燈無法正常閃爍，檢測人員由此得知系統(tǒng)工作不正常，需要進(jìn)一步檢查。
1.2 通信模塊
　　通信模塊是航標(biāo)燈系統(tǒng)的核心，承擔(dān)著遙測遙控與數(shù)據(jù)通信的重任，即：通過GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)可靠地接收監(jiān)控中心的指令，供主控MCU分析使用；另一方面，將航標(biāo)內(nèi)置GPS接收器提供的時間位置數(shù)據(jù)與燈的工作狀態(tài)信息同樣利用GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)定時傳送給監(jiān)控中心。
    本設(shè)計采用的通信模塊為Wavecom公司的高性能無線CPU Q24，可以兼容GSM與GPRS模式[4]。為了方便二次開發(fā)，Q24集成了SPI、I2C、串口、音頻等通用接口以及與SIM卡和天線的專用接口，可以方便地與終端主控MCU建立數(shù)據(jù)傳輸,并且快捷地接入GSM/GPRS無線網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)控制中心與航標(biāo)終端的無線數(shù)據(jù)傳輸功能，具體電路如圖3所示[5]。

1.3 GPS定位模塊
    GPS模塊采用美國Trimble公司的Copernicus II，為一款超薄低功耗的GPS接收器。該模塊整合了GPS數(shù)據(jù)接收所需要的射頻前端和基帶處理系統(tǒng)，可以將GPS數(shù)據(jù)直接傳送給后端的處理器而無需過多的外部電路。Copernicus II支持12通道接收能力，能夠在信號較微弱地區(qū)提供位置、速度和時間數(shù)據(jù)，水平定位精度優(yōu)于5 m。
    模塊的輸出數(shù)據(jù)支持NMEA、TSIP和TAIP三種協(xié)議。本航標(biāo)燈系統(tǒng)采用NMEA協(xié)議，因為其具有與地圖軟件更好的接口能力，具體的電路如圖4所示[6]。

1.4 電源管理
    為了保證航標(biāo)終端穩(wěn)定可靠地工作，系統(tǒng)使用了太陽能電池+鐵鋰電池的電源管理方案。MCU利用內(nèi)置的ADC實時采集鐵鋰電池的輸出電平VLi，當(dāng)VLi≤4.8 V時啟動太陽能電池的充電功能，以避免鐵鋰電池在低電壓工作狀態(tài)下發(fā)生損壞。在這種管理模式下鐵鋰電池可以獲得更長的壽命,大大優(yōu)于傳統(tǒng)航標(biāo)燈使用的鉛蓄電池。
2 軟件系統(tǒng)設(shè)計
    本航標(biāo)終端的軟件可以分為GSM/GPRS數(shù)據(jù)通信、GPS數(shù)據(jù)上傳、遙控檢測與電源管理模塊，如圖5所示。

    各程序模塊之間采用中斷優(yōu)先級的方式加以調(diào)度管理?；诤綐?biāo)終端的工作特點，優(yōu)先級的次序為：GSM短信通信(或GPRS數(shù)據(jù)通信)>GPS數(shù)據(jù)通信>UHF遙檢>鐵鋰電池監(jiān)控>太陽能電池監(jiān)控。
    所有這些任務(wù)模塊都是基于?滋C/OS操作系統(tǒng)平臺。?滋C/OS是一種免費公開源碼、結(jié)構(gòu)小巧、具有可剝奪實時內(nèi)核的實時操作系統(tǒng)，其內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度與管理、時間管理、任務(wù)間同步與通信、內(nèi)存管理和中斷服務(wù)等功能，最小內(nèi)核可編譯至2 KB，尤其適合小型控制系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)良以及可擴(kuò)展性強等優(yōu)點[7]。
    無線CPU Q24在正常情況下與監(jiān)控中心通過GSM短信服務(wù)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，此時芯片的GPRS功能處于關(guān)閉狀態(tài)以降低功耗,只有當(dāng)監(jiān)控中心以GSM短信方式發(fā)出GPRS數(shù)傳指令時，Q24才啟動相應(yīng)的GPRS通信功能,接收監(jiān)控中心的控制指令,并定時上傳燈的工作狀態(tài)與時間位置信息[8]。具體的程序流程如圖6所示。
    本文利用AVR MCU與專用GSM/GPRS模塊設(shè)計了智能化的遠(yuǎn)程航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控中心可以通過GSM(上接第99頁)
短信或GPRS無線網(wǎng)絡(luò)控制航標(biāo)燈的工作模式；而航標(biāo)終端可利用相同的方式將自身的工作狀態(tài)與時間位置信息定時傳送給監(jiān)控中心，從而實現(xiàn)中心對多臺航標(biāo)終端的智能化遠(yuǎn)程管理。
        相比于傳統(tǒng)的人工監(jiān)測航標(biāo)終端，該系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：(1)克服了人力檢測周期長、實時性差以及間隔期間不可控等缺點； (2)利用了現(xiàn)有的GSM/GPRS無線網(wǎng)絡(luò)，能夠以較低的輻射功率覆蓋很大的范圍；(3)利用太陽能電池對長壽命的鐵鋰電池進(jìn)行及時的充電，保證了電源系統(tǒng)的長期安全可靠性。因此本航標(biāo)系統(tǒng)具有良好的適用性與應(yīng)用推廣前景。
參考文獻(xiàn)
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[5] 科聯(lián)電子科技有限公司. Q24模塊用戶硬件設(shè)計參考手冊[Z]. 2005.
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[8] 陳劍鳴. 基于GPRS/GPS/GIS的智能航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)[D].廣州：華南理工大學(xué)，2005.