王萬昭，王惠良，和志強

(1．河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，河北石家莊 050061；2．河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)科研處，河北石家莊 050061)

基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的航標遙控遙測單元設(shè)計

王萬昭1，王惠良1，和志強2

(1．河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，河北石家莊 050061；2．河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)科研處，河北石家莊 050061)

針對遠離海岸線GPRS信號無法覆蓋區(qū)域航標的遙控遙測需求，設(shè)計研發(fā)了基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的航標遙控遙測單元，介紹了水文氣象采集模塊、航標狀態(tài)監(jiān)控模塊、中央處理模塊和數(shù)據(jù)通信模塊的設(shè)計原理，實現(xiàn)了航標的智能化管理及海洋水文氣象信息的感知。

航標；北斗導(dǎo)航系統(tǒng)；遙控遙測；感知

近年來隨著中國海運經(jīng)濟的飛速發(fā)展，海上運輸規(guī)模不斷增大，航道安全的重要性日益凸顯。目前，航道安全監(jiān)測系統(tǒng)已在近海海域投入使用，可以實現(xiàn)港域航標的有效管理及航道附近水文氣象信息的監(jiān)測。這些監(jiān)測系統(tǒng)多采用GPS(全球定位系統(tǒng))和GPRS/GSM(通信分組無線服務(wù)/蜂窩無線通信)[1-3]技術(shù)實現(xiàn)對航標的精確定位及信息傳輸，但是受到GPRS信號覆蓋范圍小的限制，無法實現(xiàn)對遠離陸地航標設(shè)施的遙控遙測。中國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不僅可以提供精確定位、導(dǎo)航和授時，還具有雙向短報文通信功能[4]，可以實現(xiàn)GPRS信號覆蓋不到區(qū)域的數(shù)據(jù)傳輸?；诒倍穼?dǎo)航系統(tǒng)的航標遙控遙測單元的設(shè)計，可以有效豐富航道安全監(jiān)測信息的傳輸途徑，對于遠離海岸航標的智能化管理和水文氣象信息的采集及中國航海安全具有重要意義[5]。

1 總體設(shè)計

如圖1所示，遙控遙測單元是航標的核心部件，可以實時采集水文氣象信息和航標設(shè)施的各種電氣參數(shù)，并傳輸至地面監(jiān)測中心。它由水文氣象采集模塊、航標狀態(tài)監(jiān)控模塊、中央處理模塊和數(shù)據(jù)通信模塊組成。其中，水文氣象采集模塊由多個傳感器組成，可以實現(xiàn)對流速、流向、能見度等水文氣象信息的實時采集。航標狀態(tài)監(jiān)控模塊采集航標的各種電氣參數(shù)，實現(xiàn)對航標器工作狀態(tài)的監(jiān)測。中央處理模塊是遙控遙測單元的核心，完成對待發(fā)送數(shù)據(jù)的壓縮編碼和已接收數(shù)據(jù)的解壓解碼，并控制各模塊協(xié)調(diào)工作。數(shù)據(jù)通信模塊通過北斗衛(wèi)星與地面監(jiān)測中心進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)信息的傳輸[6-8]。

圖1 航標結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of navigation mark

如圖2所示，遙控遙測單元的水文氣象采集模塊采集航標附近海域的水文氣象信息，進行A/D轉(zhuǎn)換，并存儲在SRAM中。航標狀態(tài)監(jiān)控模塊采集航標設(shè)施的各種電氣參數(shù)，進行數(shù)據(jù)編碼，并存儲在SRAM中；同時，接收中央處理模塊控制命令，對航標燈的開啟、關(guān)閉和亮度變化等進行控制。中央處理模塊的CPU從SRAM中讀取數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行壓縮編碼后形成固定格式數(shù)據(jù)包，并發(fā)送至數(shù)據(jù)通信模塊；同時，中央處理模塊從數(shù)據(jù)通信模塊接收數(shù)據(jù)包，對數(shù)據(jù)包進行解壓解碼后形成控制命令，并發(fā)送至航標狀態(tài)監(jiān)控模塊。數(shù)據(jù)通信模塊負責(zé)數(shù)據(jù)包的發(fā)送與接收，并產(chǎn)生精確的定位數(shù)據(jù)。

圖2 遙控遙測單元總體設(shè)計Fig.2 Overall design of telecontrol and telemetry unit

2 詳細設(shè)計

2.1水文氣象采集模塊

水文氣象采集模塊由水文信息采集設(shè)備、氣象信息采集傳感器和數(shù)據(jù)采集平臺構(gòu)成。其中，水文信息采集設(shè)備采用“闊龍”聲學(xué)多普勒海流波浪測量儀。與同類型儀器相比，其測量數(shù)據(jù)更加精確，自主定義和多項選擇測流層，可測量流速、流向、水溫、水位等多項海流水文信息，為世界上大多數(shù)海洋環(huán)境監(jiān)測部門選用。

氣象采集傳感器包括05106型號風(fēng)速風(fēng)向傳感器、HMP45C溫濕度傳感器和SVS1能見度傳感器，可以達到耐用、抗腐蝕、質(zhì)量輕、安裝方便、測量精確、能夠自動獲取數(shù)據(jù)的效果。氣象采集傳感器的控制端口與數(shù)據(jù)處理模塊CPU的I/O口連接，接收中央處理模塊的控制，將氣象數(shù)據(jù)發(fā)送到SRAM的指定地址。

數(shù)據(jù)采集平臺采用的是美國CAMPBELL公司生產(chǎn)的CR800。與同類型產(chǎn)品相比，CR800同時支持I/O口和RS232串口通信，適用溫度范圍更廣，并且支持模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。CR800數(shù)據(jù)采集平臺用來接收水文采集設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，并通過串口與中央處理模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)送入SRAM中。

2.2航標狀態(tài)監(jiān)控模塊

圖3 航標狀態(tài)監(jiān)控模塊設(shè)計Fig.3 Design of monitoring and controlling module of navigation mark

如圖3所示，航標狀態(tài)監(jiān)控模塊由參數(shù)采集電路、驅(qū)動控制電路、監(jiān)控CPU和電源模塊組成[9]。其中，參數(shù)采集電路采集航標燈的動態(tài)電壓、動態(tài)電流、靜態(tài)電壓、靜態(tài)電流和報警電壓等工作參數(shù)，并將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號發(fā)送到監(jiān)控CPU。監(jiān)控CPU接收中央處理模塊發(fā)來的控制命令，通過驅(qū)動電路，對航標燈和電源模塊的各項控制參數(shù)進行設(shè)置，實現(xiàn)航標燈的開啟、關(guān)閉、亮度變化的智能化控制；同時，監(jiān)控CPU將參數(shù)采集電路采集的電氣參數(shù)進行編碼，并發(fā)送至中央處理模塊。電源模塊可以為各個模塊提供需要的電壓，同時接受驅(qū)動控制電路控制，實現(xiàn)遙控遙測單元的工作模式的切換。

監(jiān)測控制模塊具有單獨的監(jiān)控CPU，與中央處理模塊的CPU并行工作。本設(shè)計通過編程實現(xiàn)2個CPU之間的雙機通信。監(jiān)控CPU與中央處理CPU都具有獨立的時鐘電路，因此本設(shè)計選用異步串行通信的方式，保證2個模塊之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β省?個CPU既是接收端也是發(fā)送端，約定第1位為起始位，中間8位為數(shù)據(jù)位，最后1位為校驗位，每次傳輸1個字節(jié)。

2.3中央處理模塊

中央處理模塊是遙控遙測單元的核心部件，由CPU、外接存儲器SRAM和UART串行通信接口等組成。其中，中央處理模塊CPU的型號為STC89C52[10]，可以在線調(diào)試，具有64 KB內(nèi)存，并支持存儲擴展。并且，中央處理模塊采用44.236 8 MHz有源晶振，CPU在進行串行通信時的最大波特率達到115 200 bit/s，可以滿足數(shù)據(jù)通信模塊所有的數(shù)據(jù)傳輸速度。

中央處理模塊從外圍模塊依次獲取水文氣象數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)和航標燈狀態(tài)數(shù)據(jù),并存儲在SRAM中。CPU對數(shù)據(jù)進行組合編碼加密，形成固定格式的數(shù)據(jù)包，并通過串行通信接口發(fā)送到北斗通信模塊。同時，中央處理模塊通過北斗通信模塊接收地面基站發(fā)送的指令數(shù)據(jù)包，并對數(shù)據(jù)包進行解壓解密，然后轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)測控制模塊。中央處理模塊的功能通過在STC89C52中編程實現(xiàn)，程序流程如圖4所示。

圖4 中央處理模塊程序流程圖Fig.4 Flowchart of core processing module

中央處理模塊需要多個串行通信接口與外圍控制模塊進行數(shù)據(jù)交互，因此用CPU的普通I/O口模擬串行通信以滿足需求。串行通信的傳輸格式如下：1位的起始位、8位數(shù)據(jù)位和1位的校驗位，每次傳輸1個字節(jié)。程序采用計數(shù)中斷的方式，通過中斷計數(shù)和程序指令周期計算數(shù)據(jù)傳輸間隔時間，實現(xiàn)準確傳輸。發(fā)送字符程序如下：

void WByte(uchar input)

{

uchar i=8;

TR0=1;

TXD=(bit)0;

WaitTF0();

while(i--)

{

TXD=(bit)(input&0x01);

WaitTF0();

input=input>>1;

}

TXD=(bit)1;

WaitTF0();

TR0=0;

}

2.4數(shù)據(jù)通信模塊

數(shù)據(jù)通信模塊由北斗1代RDSS模塊和北斗2代通信組成。其設(shè)計要求是每次傳輸不大于150 KB的數(shù)據(jù)包，每100 s傳輸1次，定位精度在10 m以內(nèi)，能夠在-20～55 ℃溫度內(nèi)正常工作。

北斗1代RDSS模塊具有導(dǎo)航定位和短報文通信功能，并支持本地串口進行參數(shù)配置，但是北斗1代RDSS模塊的定位精度為100 m，不能滿足設(shè)計需求。北斗2代GNSS模塊不具備短報文通信功能，但是定位精度可以達到3 m，滿足設(shè)計需求。因此，本設(shè)計聯(lián)合采用北斗1代RDSS模塊和北斗2代GNSS模塊。并且，北斗1代RDSS模塊每次可以發(fā)送120個漢字或420個BCD代碼的信息量，通信間隔為60 s，通信成功率達到95%以上，串口的傳輸速率可以達到115 200 bit/s。選用的北斗2代GNSS模塊型號為UM220，由和芯星通公司生產(chǎn)，支持BD2 B1和GPS L1兩個頻點。與同類型產(chǎn)品相比，它的溫度和濕度適用范圍更廣，完全滿足項目的需求。

數(shù)據(jù)通信模塊的主要功能是接收中央處理模塊的數(shù)據(jù)，并發(fā)送數(shù)據(jù)包到地面監(jiān)測中心。同時，接收監(jiān)控中心發(fā)來的控制信息，并將其轉(zhuǎn)發(fā)給中央處理模塊。通信內(nèi)容和指令內(nèi)容都采用ASCII碼編碼，以$為起始位，以校驗位為結(jié)束標志，不同字符之間用“，”分隔，并以字符串的形式進行傳輸。通過編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動拼接，自動形成數(shù)據(jù)通信指令，實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)傳輸。對于接收的數(shù)據(jù)包，也可以很方便地解包，提取出其中的傳輸內(nèi)容。發(fā)送命令的程序如下：

table1[]={0x24,0x53,0x4A,0x53,0x43,0x00,0x0d,0x04,0xbd,0xbf,0x00,0x00,0x26};

void send(uchar dat)

{ ES=0;

SBUF=dat;

while(!TI);

TI=0;

ES=1;}

for(i=0;table1[i]!='

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