摘 要： 在探討了航標功能需求的基礎上，給出了有效的航標遙控遙測終端軟硬件設計方案，著重闡述了SIM548C模塊與LPC2136的硬件連接及GPRS連接過程和GPS信息采集的軟件實現(xiàn)。結合GPS定位、GPRS通信及微控制器技術，能夠?qū)崟r、準確地檢測航標及終端狀態(tài)信息，并能遠程設置航標燈及終端的工作參數(shù)。
關鍵詞： 航標遙控遙測終端；GPS；GPRS；LPC2136
我國航道眾多，水運發(fā)達，保證航運安全的工作至關重要。航標作為為水上活動提供安全信息的設施，是保證航運安全的重要裝置。對航標狀態(tài)進行有效控制和準確檢測，不僅能保證航標裝置的正常工作，更能減少航運事故發(fā)生率，確保航運安全。
國內(nèi)外已經(jīng)對航標遙控遙測系統(tǒng)進行了多年的研究[1-3]，也獲得了諸多成果，但是由于航標工作環(huán)境的特殊性（潮濕、受撞擊率高、易受電磁干擾等），在系統(tǒng)穩(wěn)定性和定位精度等方面仍無法完全滿足實際需求[4-5]。本文通過分析航標遙控遙測終端裝置的功能需求，給出了基于GPS、GPRS技術及LPC2136微控制器的終端設計方案，旨在設計出一個穩(wěn)定可靠的終端裝置，提升航標遙控遙測系統(tǒng)的整體性能。實驗證明，該終端裝置能穩(wěn)定可靠地運行，具有重要的現(xiàn)實意義和可觀的市場價值。
1 終端功能
航標包括岸標和水上浮標。岸標由于位置固定而不需要進行GPS定位，而浮標則需要進行GPS定位以測量其地理位置。本文針對浮標的特點和功能，對其進行設計，實現(xiàn)的主要功能如下：
（1）航標位置檢測。通過GPS模塊實現(xiàn)，確保航標沒有偏離規(guī)定區(qū)域，以防引發(fā)安全事故。
（2）電流檢測。蓄電池充放電電流以及LED燈工作電流的檢測。
（3）電壓檢測。蓄電池充放電電壓、工作電壓及航標燈工作電壓的檢測。
?。?）撞擊檢測。通過加速度計實現(xiàn)撞擊量的檢測。航標受到船只猛烈撞擊后，可能導致航標及終端工作失常，應及時報警，以便檢查維護。
?。?）終端與燈器的通信。實現(xiàn)終端對燈器燈質(zhì)的控制和狀態(tài)采集。
（6）終端與服務器的通信。依據(jù)既定通信規(guī)約，當服務器查詢到本地終端并要求其提供相應狀態(tài)信息時，終端及時準確地完成服務器要求。服務器未要求本地終端進行相關操作時，本地終端應能定時發(fā)送心跳信息，以告知服務器其在線狀態(tài)。
2 終端硬件設計
依據(jù)航標遙控遙測終端裝置的功能需求，設計的終端硬件如圖1所示。系統(tǒng)以LPC2136為主控制器，主要占用資源包括I2C接口、A/D轉(zhuǎn)換接口、UART接口、復位電路接口及部分GPIO口[6]。I2C接口掛接LIS302DL加速度計及FM24L256鐵電存儲芯片，分別用來采集終端撞擊數(shù)據(jù)和終端數(shù)據(jù)存儲。A/D轉(zhuǎn)換接口上包含專用電流檢測芯片MAX4071及分壓電阻。GPS、GPRS功能模塊SIM548C和RS485模塊MAX3072通過串口與微控制器相連，以進行相關數(shù)據(jù)通信。
整個系統(tǒng)由12 V蓄電池供電。除外接航標燈器由12 V蓄電池直接供電外，終端上還需要4.5 V和3.3 V電源，本設計選用了LM2575和LM1117兩款降壓穩(wěn)壓芯片以滿足系統(tǒng)不同電壓需求。終端復位電路選用了MAX708S電源監(jiān)控芯片。系統(tǒng)電源電壓下降到一定值并達一定時間時，向單片機復位引腳發(fā)送復位信號，使得終端復位。
當服務器通過GPRS方式向終端發(fā)送遙控遙測命令時，終端將依據(jù)接收到的命令類型采集各類狀態(tài)信息或者設定工作模式，并將結果通過GPRS方式反饋到服務器端。整個終端裝置要實現(xiàn)的主要功能是終端與服務器的GPRS通信以及終端的GPS精確定位。
選用GPS和GPRS二合一模塊SIM548C[7]，通過串口與LPC2136進行通信。終端利用該模塊實現(xiàn)定位數(shù)據(jù)的采集及GPRS數(shù)據(jù)的通信。該模塊的GPS定位精度為10 m，若刷入支持DGPS的固件，精度能達到1~5 m，支持NMEA-0813協(xié)議；GPRS部分內(nèi)置TCP協(xié)議棧，降低了開發(fā)難度。模塊整體結構設計緊湊，便于布板和安裝。
由于SIM548C模塊的GPRS部分含有1個正常工作用串口及1個調(diào)試用串口，并且GPS部分含有2個適合不同協(xié)議的串口，共4個串口，再加上與燈器連接的RS485接口也需占用1個串口資源，因此需要對微控制器的串口進行擴展。本系統(tǒng)中選用CD4052雙四選一多路選擇開關對LPC2136的串口1進行擴展。串口1正常情況下與SIM548C模塊支NMEA-0813協(xié)議[8]的串口相連，以便實時讀取GPS數(shù)據(jù)。微控制器的串口0直接與GPRS正常工作的串口相連，隨時偵聽來自服務器端的遙控遙測命令。若偵聽到燈器設定命令時，通過CD4052可將UART1口切換到RS485接口，實現(xiàn)終端與燈器的通信。如果是狀態(tài)信息采集命令，則直接進行相應狀態(tài)信息的采集，將采集數(shù)據(jù)打包并通過GPRS方式發(fā)送到服務器。SIM548C硬件連接電路如圖2所示。
其中，阿拉伯數(shù)字依次代表UTC時間、定位狀態(tài)、緯度、緯度半球、經(jīng)度、經(jīng)度半球、地面速率、地面航向、UTC日期、磁偏角、磁偏角方向和模式指示等信息。各信息之間由逗號符分隔，并將逗號符作為標識符，通過依次統(tǒng)計語句中的逗號符，可以提取到所需的時間和經(jīng)緯度信息。
服務器與終端以及終端與燈器之間的通信包括命令解析及數(shù)據(jù)打包，完全依據(jù)既定的航標遙控系統(tǒng)通信規(guī)約。該規(guī)約規(guī)定了航標遙測遙控系統(tǒng)中，航標燈器（帶有標準RS485串口的智能燈器）與航標遙控遙測終端RTU設備之間、終端與監(jiān)控中心計算機（服務器）之間的數(shù)據(jù)傳輸幀格式、數(shù)據(jù)編碼及傳輸規(guī)則。
例如，終端裝置接收到一組GPS語句為：
“$GPGGA，042824.000，3150.3194，N，11722.3232，E，1，04，1.4，-56.2，M，0.7，M，，0000*71
$GPGSA，A，3，08，20，17，01，，，，，，，，，1.7，1.4，1.0*3D
$GPGSV，3，1，10，28，65，326，，01，55，038，22，20，41，120，42，11，36，047，*7A
$GPGSV，3，2，10，17，36，297，12，08，36，215，43，07，17，191，，19，06，077，18*76
$GPGSV，3，3，10，32，31，084，25，04，13，227，24*77
$GPRMC，042824.000，A，3150.3194，N，11722.3232，E，0.60，343.50，221011，，，A*6F
$GPVTG，343.50，T，，M，0.60，N，1.1，K，A*0A”
首先將刪選出所需要的“$GPRMC，042824.000，A，3150.3194，N，11722.3232，E，0.60，343.50，221011，，，A*6F”這條語句。依據(jù)通信規(guī)約，這段數(shù)據(jù)將被打包成“042824N31503194E1172232322210111210”，除最后4位表示終端ID號外，其余均是從GPRMC語句中提取出來的時間及經(jīng)緯度信息。然后，通過GPRS方式將這段數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器端，服務器端將發(fā)送應答幀到終端以表明數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功。
航標遙控遙測終端裝置集GPRS、GPS技術于一身，能夠?qū)崿F(xiàn)對航標狀態(tài)的實時監(jiān)測，減少了人力物力的重復投資，有效提高了航標管理水平。本文簡要闡述了航標遙控遙測終端的功能需求，并提出了一種航標遙控遙測終端硬軟件設計方案，著重對GPS和GPRS功能的實現(xiàn)進行了介紹。終端實驗板在實驗室與遠程服務器連接正常，通信穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)基本的遙控遙測功能，證明了本方案的可行性。
后期的主要工作是進一步提高終端工作穩(wěn)定性及定位精確度。例如可以在終端上加入光線傳感器，提升判別白天夜晚的靈敏度和準確度；定位精確度雖然受到選取模塊精度的影響，但也可以通過提高終端后臺數(shù)據(jù)處理能力及改善終端工作方式加以提高。
參考文獻
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