（通信与信息系统专业论文）基于无线传感网络与ais的航标遥测遥控系统设计与实现.pdf

武汉理工大学学位论文独创性声明及使用授权书 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：弛名良日期2 0 1 7 q - 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大 学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信 息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生。签名，：弛敏导师( 签名) ：夕名乞b 日期功忆牛 u ! ：此表经研究生及导师签名后，请装订在学位论文摘要前页。 3 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 航标是为各种水上活动提供安全信息的重要设施。航标运行状态的好坏， 将直接影响到船舶航行的安全。传统的航标只能提供简单的视觉导航作用，并 不能将航道数据发送给船舶，而且航标工作状态只能去现场才能知晓，劳动力 成本很高。航标遥测遥控系统解决了传统航标互相孤立，将航标与监控中心连 成网络，通过先进的无线通信技术，实时地将导航数据发给过往船舶和自身工 作状态上报监控中心，同时监控中心也可以对航标发送控制指令。目前，我国 航标遥测遥控系统尚处于研究和小范围试点使用阶段，过程中发现的问题主要 有：功耗过大，需要外加电源系统；误报警多，工作不稳定；功能设计不实用， 安装接线复杂，防水工艺差：数据传输成功率不高，航标遥测遥控终端不上报 数据。这些情况都会导致工期延续几年，迟迟不能投入实际运行，离“提高航 道管理水平，节省航标维护费用 目标还很远，甚至还给维护部门增加了负担。 为了提升航标助航的效果，减低航标终端的功耗，改善现有航标遥测遥控 系统管理方式，本文利用先进的通讯技术、计算机技术、传感器技术、g p s ( 全 球定位系统) 技术等，设计了一种适用于内河的低功耗、高效率的基于z i g b e e 无线传感网络与a i s ( 船舶自动识别系统) 的航标遥测遥控系统，并分析了系统的 框架和各组成部分及功能。本文重点研究了航标信息采集单元的软硬件实现方 案，硬件设计包括电源电路、g p s 模块接口电路、电压电流采集电路、加速度 采集电路、接口电路、相关控制电路等；软件部分包括系统软件结构和灯质识 别算法；其次，重点研究了系统的通信部分，包括航标系统的通信方案、a i s 和 z i g b e e 报文格式定义、a i s 报文解析等。最后，本文对系统的三个重点部分进行 了测试，分别为信息采集单元、z i g b e e 通信单元和a i s 通信单元。测试结果证 明了这两部分均满足需求，可以有效的完成各自功能。 基于z i g b e e 与a i s 的航标遥测遥控系统不仅可以解决目前内河航标系统的 诸多问题，而且可以推动水上交通安全的发展。 关键字：航标；z i g b e e 无线传感网路；a i s ：遥测遥控 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a t o n ( a i d st on a v i g a t i o n ) i so n eo ft h em a j o rf a c i l i t i e sf o rv a r i o u sw a t e r a c t i v i t i e st op r o v i d es e c u r i t yi n f o r m a t i o n t h eo p e r a t i o nc o n d i t i o no fa t o nw i l lh a v e d i r e c te f f e c to nn a v i g a t i o ns e c u r i t y t r a d i t i o n a la t o no n l yo f f e r ss i m p l ea n dv i s u a l n a v i g a t i o ng u i d a n c e ，u n a b l et os e n dt h ew a t e r w a yd a t at os h i p s o n l yw h e nr e a c h i n g t h es i t e ，w ec a ng e tt ok n o wt h ew o r k i n gc o n d i t i o no fa t o n ，w h i c hl e a dt oh i 曲l a b o r c o s t s r e m o t em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mh a sw o r k e do u tt h ep r o b l e mo fm u t u a l i s o l a t i o no ft r a d i t i o n a la t o n ，c o n n e c tt h ea t o nw i t hs u p e r v i s i o nc e n t e ri nn e t w o r k , a n ds e n dt h en a v i g a t i o nd a t at op a s s i n gb ys h i p si nr e a lt i m et h r o u g ha d v a n c e d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw h i l es u p e r v i s i o nc e n t e rs e n dt h ec o n t r o l i n s t r u c t i o nt oa t o na sw e l l a tp r e s e n t ，r e m o t em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mi nc h i n a a r es t i l li nt h es t a g eo fr e s e a r c h i n ga n dp i l o t i n gi ns o m ea r e a s o m ep r o b l e m sa r e f o u n di nt h ep r o g r e s s ，s u c ha se x c e s s i v ep o w e rc o n s u m p t i o n ，e x t r ap o w e rs y s t e m , m a n yf a l s ea l a r m ，i n s t a b i l i t y , u n p r a c t i c a lf u n c t i o nd e s i g n , c o m p l i c a t e de r e c t i o na n d w i r i n g ，p o o rw a t e r p r o o f , l o ws u c c e s sr a t eo fd a t at r a n s m i s s i o n ，a n df a i l i n gs e n d i n g d a t at or e m o t em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m t h e s ep r o b l e m sw i l ll e a dt oy e a r s d e l a y o fc o n s t r u c t i o n ，f a i l i n gp u ti n t op r a c t i c ei nal o n gt i m e ，k e e p i n gf a ra w a yf r o mt h e t a r g e to fi m p r o v i n gw a t e r w a ym a n a g e m e n t ，s a v i n gt h ec o s to fa t o nm a i n t e n a n c e ，a n d e v e ni n c r e a s i n gt h eb u r d e nf o rm a i n t e n a n c ed e p a r t m e n t t oi m p r o v et h ea t o na i d - t o - n a v i g a t i o n ，l o w e ra t o nt e r m i n a lc o m s u p t i o n ，a n d i m p r o v ee x i s t i n gm a n a g e m e n to fr e m o t em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m ，b a s e do n z i g b e ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka n da i s ，a t o nr e m o t em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m o f l o wc o n s u m p t i o na n dh i 【g he f f i c i e n c yi sd e s i g n e df o ri n l a n dw a t e r ，a n dt h eo u t l i n e o fs y s t e ma sw e l la st h ec o m p o n e n t sa n dt h e i rf u n c t i o n sa r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r t h i sp a p e r , f i r s t l yi ti se m p h a t i c a l l yi n t r o d u c e da b o u ta c h i e v i n gp r o j e c to fs o ra n d h a r dw a r eo fa t o nd a t aa c q u i s i t i o nu n i t ，h a r d w a r ed e s i g n ，i n c l u d i n gp o w e rc i r c u i t ， g p sm o d u l e si n t e r f a c e c i r c u i t ，v o l t a g e c u r r e n t a c q u i s i t i o nc i r c u i t ，a c c e l e r a t e d a c q u i s i t i o nc i r c u i t ，i n t e r f a c ec i r c u i t ，r e l e v a n tc o n t r o lc i r c u i t s o f t w a r ei n c l u d e s i l s y s t e ms o l , r a r es t r u c t u r ea n dr e c o g n i t i o na l g o r i t h mo fl i g h tc h a r a c t e r s e c o n d l y , i ti s i n t r o d u c e dt h a ts y s t e mc o m m u n i c a t i o n ，i n c l u d i n gc o m m u n i c a t i o np r o g r a mo fa t o n s y s t e m ，f o r m a td e f i n i t i o no fa i sa n dz i g b e em e s s a g e ，a n a l y s i so fa i sm e s s a g ea n d s oo n l a s tb u tn o tl e a s t ，t h et w om a j o rp a r t so fs y s t e m ，w h i c hw e r ei n f o r m a t i o n c o l l e c t i o nu n i ta n dz i g b e ec o m m u n i c a t i o nu n i t , a r et e s t e di nt h ep a p e r t h er e s u l t s p r o v et h a tm e e t i n gt h er e q u i r e m e n t so ft h et w op a r t sc o u l df u l f i l lr e s p e c t i v ef u n c t i o n s e f f e c t i v e l y t h ea t o nr e m o t em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nz i g b e ea n da i s n o to n l ys o l v e sm a n y p r o b l e m si nt h ec u r r e n ts y s t e mo fi n l a n dw a t e ra t o n ，b u ta l s op r o m o t c st h ed e v e l o p m e n to fo v e r w a t e rc o m m u n i c a t i o n s e c u r i t y k e y w o r d s ：a t o n ；z i g b e ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ；a i s ； r e m o t em o n i t o ra n dc o n t r o l 1 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论。1 1 1 课题背景及意义。l 1 2 国内外发展现状。2 1 2 1 国外研究概况2 1 2 2 国内研究概况3 1 3 研究目的与主要内容4 第2 章z i g b e e 与a i s 技术基础6 2 1z i g b e e 技术6 2 1 1z i g b e e 技术特点6 2 1 2z i g b e e 模块7 2 2a i s 技术。9 2 3 第3 章 3 1 3 2 3 3 2 2 1a i s 收发系统框架。9 2 2 2a i s 通信。l0 本章小结1 1 航标遥测遥控系统总体设计。1 2 基于z i g b e e 与a i s 的航标遥测遥控系统一1 2 3 1 1 管理系统软件设计1 3 3 1 2 航标遥测遥控终端设计1 5 3 1 3 通信系统设计l7 系统功能分析3l 3 2 1 助航功能31 3 2 2 实时报警功能3l 3 2 3 遥测功能3 2 3 2 4 定时存储数据功能。3 2 3 2 5 休眠功能3 2 本章小结3 3 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章信息采集单元设计3 4 4 1 信息采集单元硬件设计3 4 4 1 1 硬件系统框图3 4 4 1 2 采集电路分析3 5 4 2 采集单元嵌入式软件设计3 9 4 2 1 软件功能分析。3 9 4 2 2 软件结构流程4 0 4 2 3 灯质识别算法设计4 1 4 2 4g p s 数据采集4 2 4 3 本章小结。4 3 第5 章系统测试4 4 5 1 信息采集单元测试4 4 5 2z i g b e e 通信距离测试4 6 5 3a i s 通信距离测试。4 8 5 4 本章小结5 1 第6 章总结与展望5 2 6 1 论文工作总结5 2 6 2 未来研究工作的展望5 2 致谢5 4 参考文献5 5 作者在攻读硕士学位期间发表的论文_ 5 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 水上航运系统是交通运输系统中很重要的一部分n i 。而航道的正确标识航 标是船舶航运安全的重要保障，是帮助船舶安全、经济和便利航行而设置的视 觉的、音响的和无线电的有信息服务作用的设施。 随着经济和社会的快速发展，对水运交通运输安全的要求也不断提高，而 目前航道维护方式落后，与信息化、数字化的航道管理模式不相符，需要水上 交通管理部门提高航运服务水平、改善航运通航环境，利用先进技术改造提升 传统技术水平。 航标作为保证航运安全的重要设施，其数字化，高效化，智能化是提升通 航环境的必要条彳牛1 2 1 。然而，在我国，内河航标基本上都是独立分布的，并不能 实现与监控中心的信息交互，而且控制电路相对简单，系统稳定性不高，功能 单一。航标一旦被放置后，就只能按照固定程序运行，在管理中心无法实现对 航标的远程监控和诊断。如果需要检查航标灯运转是否正常，航标监管部门必 须定期安排人去现场巡查。由于航标分布范围很大，需要巡查的地点很多，所 以对航标的巡查工作的工作量非常大，由于事先无法知道航标灯的运行情况， 对航标灯的巡查、维护缺乏目的性和有效性。如果在非巡查时间，航标灯漂移 或毁坏，监管中心无法得知信息并采取有效地补救措施，这将会对该水域的航 道运输带来非常大的不确定因素。 显然，目前的航标系统，并不能满足安全航行的要求，并不能满足现代化 航运的要求，并不能满足“数字航道 的要求。所以必须利用现有的先进技术， 建立一套高智能，高效率的航标遥测遥控系统1 3 l 。无线通信技术、g l s ( 地理信息 系统) 技术、g p s 全球定位技术、m c u ( 微控制器单元) 技术、网络技术和传感 器技术的不断发展为解决上述问题带来了新的思路与方法1 4 1 。利用以上技术，设 计一个基于z i g b e e 、a i s 、g p s 和g i s 的航标信息系统，能够实现内河航标管理 的智能化，从而提升航标助航的准确性和监控部门的工作效率，降低劳动力成 本。z i g b e e 最为一种短距离、低功耗的无线通信技术，若将其运用到航标遥测 武汉理工大学硕士学位论文 遥控系统中，将大大减小目前航标的功耗，而a i s 是目前在水上运用非常广泛 的通信技术。如果利用z i g b e e 无线通信技术、a i s 无线通信技术结合现有的g p s 、 计算机技术，建立一套基于z i g b e e 无线传感网络与a i s 航标遥测遥控系统，可 以提高航标工作的可靠性、延长维护周期、提高管理效率、降低维护成本，大 大降低了维护人员的劳动力成本，使监控中心人员能够实时的掌控区域内航标 工作状态，并能够对航标进行远程遥控，顺应了现代化航运的发展要求。由于 z i g b e e 为短距离通信技术，所以基于z i g b e e 与a i s 的航标遥测遥控系统更适合 在内河使用。 1 2 国内外发展现状 随着无线通讯技术、计算机技术、定位技术的进步，在国内外航标都有了 飞跃式的发展。在国外航运比较发达的国家，如美、英、法、日等，早在9 0 年 代初就利用现代通讯技术和计算机技术建立起了先进的航标遥测遥控系统为其 海运系统提供了高效的导航服务。在国内，虽然不及发达国家发展快，但也取 得了一些进步，航标遥测遥控系统也在某些小范围内得到了运用。 9 0 年代后期兴起的a i s 无线通信技术，为航标遥测遥控的实现提供了一个 很好的平台，国际航标组织( i a l a ) 预见到a i s 技术在航标应用上的广阔前景。 在i a l a 的坚持之下，国际电信联盟( i t u ) 通过了a i s 航标应用的有关条款 ( i t u - r m 1 3 7 1 附录2 ) 晦l 。作为- i 1 新兴的技术，a i s 对提高航行安全，提高 管理效率有着十分突出的作用。队l a 近几年来对a i s 在海上航标中的应用做 了许多工作，其中包括a i s 在航标应用中的建议( a 1 2 6 ) ，这将促进a i s 航 标遥测遥控系统的发展。 1 2 1 国外研究概况 美、日、英、法等航运大国，充分利用其不断发展的通讯技术、卫星定位 技术、计算机技术和雷达技术，不仅建立起了国家级航标遥测遥控系统，为其 航标管理部门降低航标运行、维护费用，提高助航服务水平，而且新一代无线 电导航及计算机监管、服务等高技术产品与系统的不断涌现，迅速提高了海事 管理部门的服务和监管水平l 剐。如二十世纪8 0 年代中期，船舶交通服务( v t s ) 系统投入使用，9 0 年代中期，全球导航卫星系统( g n s s ) 投入使用，9 0 年代 2 武汉理工大学硕士学位论文 末期，船舶通用a i s 投入运行。进入二十一世纪后，德国、美国等航运大国， 为加强航运信息服务和管理能力，满足港口、船舶安全管理要求，正在大力提 升v t s 、a i s 系统信息融合和应用能力。 1 2 2 国内研究概况 就航标遥测遥控系统的研究时间来说，我国与国外先进国家大致相同，江 苏省航道局在上世纪9 0 年代就开始了航标遥测遥控系统相关方面的研制工作， 但由于相关技术水平与国外先进国家还有所差距，研制工作开展得并不是很顺 利，航标遥测遥控系统也未能在大范围内得到运用阴。总体来说，我国在航标遥 测遥控系统方面的开发和应用尚处于初级阶段，航标遥测遥控系统的整体水平 还比较落后。 近年来，我国的海运事业快速发展，对监管设施和现代导航的需求越来越 高，为了提高航标遥测遥控系统的发展，我国先后引入d g p s ( 差分全球定位系 统) 差分台站技术、v t s ( 船舶交通服务) 技术和a i s 技术，使航标助航效果 得到了显著提升。 2 0 0 3 年4 月中下旬，长江武汉航道局与武汉大学g p s 工程研究中心共同研 制的航标智能化监控系统也在武汉长江大桥桥区航道投入使用；2 0 0 3 年下半年， 由长江三峡宜昌庙河至重庆忠县航段也开始实现航标的g p s 定位，并建立了监 控中心，实时监测航标的工作状态i s l ；2 0 0 8 年，由大连海事大学承担的长江南京 至浏河口段数字航道与智能航运建设示范工程建设完工，为我国内河航道数字 化发展打下良好的基础；2 0 0 9 年长江三峡库区航标遥测遥控系统开工建设，2 0 1 0 年工程完成，长江三峡库区5 9 公里河段实现了航道数字化、航标信息网络化1 9 1 ； 2 0 1 0 年下半年，长江干线的电子航道图全线贯通并开始试运行，构建起了“长 江数字航道”的基础。另外，在长江三角洲、西江、京杭运河、湖南湘江等地 区都根据当地的需求开发和应用了有关航标遥测遥控的部分内容l l o l ，逐步实现了 航标维护管理模式向数字化和信息化的转变。 目前，我国航标遥测遥控系统发展存在的主要问题： 1 ) 目前的航标遥测遥控系统研制工作基本处于零散状态，仅是某些航段开 发与应用了航标遥测遥控系统的某些功能，而且目前建设的系统相互独立，缺 乏互通互联，信息没有共享，制约了系统的整体效率发挥f 1 1 i ： 2 ) 对社会公众的通航信息服务能力不足，不能够适应建设和谐的航运服务 武汉理工大学硕士学位论文 环境的要求。 为了进一步提高长江航道的管理服务水平，交通运输部长江航道局明确提 出到2 0 1 5 年建成“以长江航道信息专网为依托，以航道基础数据库和数据信息 采集系统为基础，以标准规范、运行协调和管理安全为保障，以业务应用管理 系统为主线，覆盖全线、互联互通、信息共享、科学决策的业务管理、辅助决 策和社会服务的信息化系统1 1 卫。“十二五 期间，长江航道数字化航道建设工程 共投资5 1 7 亿元，与航标遥测遥控系统相关的工程投资4 5 3 亿元。由此可见， 航标遥测遥控系统的发展是未来航标助航发展的方向。 1 3 研究目的与主要内容 本课题主要是通过研究z i g b e e 通信、a i s 通信、数据采集等相关技术，设 计及开发一种基于z i g b e e 无线传感网路与a i s 的航标遥测遥控系统。该系统一 方面可以丰富航标的功能、改善通航环境、保障船舶航行安全、提高航标工作 效率；另一方面，将航标相关信息集成在监控中心的标准电子航道图可视化信 息平台，远程监控航标的工作状态，降低了航标的故障率、提高了航标的智能 型，同时还降低了航标维护成本和劳动强度。 本文的主要研究内容是设计基于z i g b e e 无线传感网路与a i s 的航标遥测遥 控系统，主要是研究了一下几个部分：1 ) 航标遥测遥控系统的系统框架研究； 2 ) 航标遥测遥控系统的系统功能研究；3 ) 航标终端信息采集单元研究；4 ) z i g b e e 与a i s 双网通信融合研究；5 ) 航标遥测遥控系统的测试工作研究。本论文各章 节的内容具体安排如下： 第一章：绪论。介绍本课题的研究目的和意义，并分析了国内外的研究发 展现状，简单介绍了课题研究的研究目的，最后概述了本文的研究内容及论文 结构。 第二章：本章对系统中用到的两种无线通信技术( z i g b e e 、a i s ) 做了介绍。 主要包括z i g b e e 通信的特点以及本系统中所用到的z i g b e e 模块( j n 5 1 3 9 ) 、a i s 通信硬件组成以及通信特点等。 第三章：首先介绍了航标遥测遥控系统的一般组成部分，然后结合本文研 究的主题，重点研究了基于z i g b e e 无线传感网络与a i s 的航标遥测遥控系统的 三个组成部分，分析了各部分的总体结构和功能，最后就系统的5 大基本功能 ( 助航功能、实时报警功能、遥测功能、定时存储数据功能、休眠功能) 做了 4 武汉理工大学硕士学位论文 说明。 第四章：从软硬件两个方面设计了基于z i g b e e 与a i s 的航标遥测遥控系统 的信息采集单元部分，并且介绍了一种简单、可靠的航标灯质识别算法。硬件 设计包括电源电路、g p s 模块接口电路、电压电流采集电路、加速度采集电路、 接口电路、相关控制电路等；软件介绍了系统软件结构、灯质识别算法、g p s 数据采集算法。 第五章：对系统的几个主要测试工作方法做了介绍，包括信息采集单元、 z i g b e e 通信单元、a i s 通信单元。测试信息采集单元的采集误差是否满足要求， 测试z i g b e e 安全通信距离是否满足内河航标间距要求，测试出a i s 通信的最大 可靠通信距离。 第六章：总结本课题所做工作，以及对后续工作进行进一步的展望。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章z i g b e e 与a i s 技术基础 2 1z i g b e e 技术 2 1 1z i g b e e 技术特点 z i g b e e 技术是一种在短距离范围内应用，传输数据速率比较低的无线通信 技术。相对于现有的其他无线通信技术，z i g b e e 技术是一种低成本、低功耗、 低复杂度的技术【n i 。它依据i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，在很多个无线传感器之间相互 协调实现通信。z i g b e e 技术在各领域得到了广泛应用，在基于z i g b e e 与a i s 航标遥测遥控系统中，正是充分利用其低功耗、兼容性高、数据可靠安全等特 点，高效地完成航标间组网和数据传输任务。z i g b e e 技术的特点主要有以下几 点： 1 ) 低功耗 z i g b e e 在工作模式下，由于传输数据量很小，所以收发时间都很短；而在 非工作模式下，z i g b e e 处于休眠模式。然而大部分航标灯都是采用蓄电池供电， 因此低功耗对于航标终端来说，是一个在设计阶段就必须要考虑的问题。正是 由于z i g b e e 通信的低功耗特点，所以选择采用z i g b e e 作为航标之间的通信方式。 2 ) 数据传输可靠 z i g b e e 的媒体接入控制层( m a c 层) 采用t a l k w h e n r e a d y 的碰撞避免机 制1 1 射。另外，z i g b e e 技术对时延敏感的应用做了相应的优化，通信延时和休眠状 态激活延时都很短。 3 ) 网络容量大 利用网络协调器( n e t w o r kc o o r d i n a t o r ) ，则整个网络最大可支持6 5 5 3 6 个 网络节点，数目十分庞大。 4 ) 兼容性好 z i g b e e 技术与现有的控制网络标准可无缝集成。通过网络协调器自动建立 网络，采用载波侦听冲突检测( c s m a c a ) 方式进行信道接入。为了加强传递 的可靠性，还提高了全握手协议。 5 ) 安全性高 6 武汉理工大学硕士学位论文 z i g b e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，在数据传输中提供了三级安全 保障体系1 1 6 i 。 6 ) 成本低 z i g b e e 数据传输速率相对比较低，协议比较简单，且属于免执照频段，所 以可以降低开发成本。 2 1 2z i g b e e 模块 本设计选择英国j e n n i e 公司的j n 513 9 芯片的作为航标遥测遥控终端的微处 理和r f 射频芯片。j n 5 1 3 9 芯片是基于j e n n i e 第二代无线微控制器的低功耗无 线通讯芯片。它能使客户在最短的时间内在最低的成本下实现i e e e 8 0 2 1 5 4 或 z i g b e e 的无线系统，此款芯片减少了用户对于r f 射频设计和测试工装的昂贵漫 长开发时间。j n 5 1 3 9 无线射频微控制器来提供完整的射频和r f 器件的解决方 案，提供了开发无线传感器网络所需要的丰富的外围接口。其内部结构图如图 2 1 所示。 图2 1j n 5 1 3 9 内部结构 此模块内含m c u 、射频收发系统、r a m 、r o m ，且有丰富的对外接口( s p i 、 u a r t 、2 - w i r es e r i a l ) ，另外，此模块还自带协议栈。 7 武汉理工大学硕士学位论文 z i g b e e 航标遥测遥控系统终端嵌入式软件的大体结构如图2 - 2 所示，z i g b e e 应用程序和z i g b e e 协议栈交替的对处理器和外围部件进行操作，为了实现这个 目标，j e n n i e 在z i g b e e 协议栈的基础上提供了b o s ( b a s i co p e r a t i n gs y s t e m ) 。 图2 - 2z i g b e e 软件结构图 a p p c o l d s t a r t ：这个函数是用户应用程序的入口。设备上电后应用程序就从这 个函数开始运行了。j e n n i e 的程序并没有c 语言程序中的m a i n 函数。在这个函 数的函数体中应该调用一系列的协议栈和b o s ( b a s i co p e r a t i o ns y s t e m ) 的初始 化函数 j z ay a p p e v e n t h a n d l e r ：协议栈会周期性的调用这个函数，这里我们定义 了一个时钟，用户可以在这里编写自己的主要应用 j z av s t a c k e v e n t ：协议栈将通过这个函数反馈网络层的一些网络事件，比 如网络启动成功或者节点加入成功，或者数据发送完成等等。 j z a 这个函数主要用来处理外部的硬件中断，比如说时 钟还有串_ v 口p e 等r i p 等h e 。r a l e v e n t ： j z a _ u 8 a f m s g o b j e c t ：用于用户程序接收处理其它节点发送来的m s g 数 8 武汉理工大学硕士学位论文 据。 j z av z d p r e s p o n s e ：这个函数用来接收所发送的z d p 请求的回应，比如说 b i n d i n g 或者m a t c hd e s c i p t o r 的请求。 在多个用户任务中，航标遥测遥控系统数据的采集和处理都是在v a p p t i m e r 任务中完成。主要完成的功能为航标加速度信息、g p s 信息、日光值的采集、 判断、保存、上报；航标灯电压电流信息、太阳能板电压电流信息、电池电压 电流信息的读取、判断、保存、上报；对所有数据进行报警判断及上报。 在多个用户任务中，对封装在a i s 6 号报文中的控制指令、封装在a i s l 7 号 报文中的差分g p s 信息及a i s l 3 号报警应答报文的解析及作出相应措施都是在 j z a 任务中完成。bafmsgobjeet g p s 数据产生的串口接收中断以及航标遭受船只碰撞后由于加速度超过设 定阈值触发的中断都是在z a中进行处理的。 2 2a i s 技术 近年来，相对于其他无线通信技术，a i s 通信的诸多优势使其在国内海事业 务上得到了广泛应用n 7 1 。从功能角度看，a i s 可以实现监视、识别、通信和导航， 能够充分满足水上交通信息发布、船舶动态识别、监控的需要；从经济角度看， a i s 系统比传统的水上无线通信系统更经济1 1 s l ；从技术角度看，a i s 是一种自组 织无线链路的数字通信系统，具有较强的兼容性，有利于系统间的组网，并可 与现有的信息网进行灵活的集成。 在本系统中，航标z i g b e e 无线网络与岸基的通信是系统通信的重要环节， 它是通过a i s 无线通信来实现的( t g l 。a i s 是用于船与船之间、船舶与监控中心之 间的相互识别和信息交互的无线通信系统【2 0 i 。在本航标遥测遥控系统中，航标 z i g b e e 无线通信网络的中心节点，管理着整个网络与外部的通信，它通过a i s 无线通信技术，完成航标与岸基、航标与船只的通信。 2 2 1a i s 收发系统框架 a i s 收发系统包含：a r m 最小系统、调制解调驱动模块、l 路射频发射模 块、2 路射频接收模块、g p s 模块、电源模块、通信模块。硬件框图如图2 3 所 不o 9 武汉理工大学硕士学位论文 7 电源模块卜叫路射频发射模块卜 弋 l ，、。措“l a r m 最小系 叫c m x 7 2 模块 v h f ：s 天线 l 一“ l 统模块 r $ 通信模块s 信7 8 5 块和r s 2 3 2 卜h 叫2 路射频接收模块卜一 2 2 2a i s 通信 图2 - 3a i s 收发系统硬件框图 a i s 通信工作在甚高频( v h f ) 波段，无线传输的带宽为2 5 k h z 或1 2 5 k h z ， 采用g m s k 调制方案，n r z i 方式数据编码，数据传输的比特率为9 6 0 0 b s 。 a i s 通信有三种工作模式：自主连续模式，分配模式和轮询受控模式1 2 u 。a i s 通 信的默认工作模式是自主连续模式，可根据不同情况进行工作模式转换。 船舶自动识别系统是海上移动v h f 通信与时分多址( 1 1 ) m a ) 技术相结合 的通信导航系统。 时分多址( y d m h ) 移动通信系统，具有抗干扰能力强、频率利用率高等优点 陴l 。a i s 通信采用t d m u k 通信方式，将信道分成固定的时隙，一分钟为一帧， 包含2 2 5 0 个时隙，如图2 4 所示。 a i s l a i s 2 图2 - 4a i s 中的t d m a 技术时隙划分示意图 在本系统中，航标终端( 中心节点) 在每帧中指定的时隙向a i s 岸基发送 信号，岸基可以分别在各时隙中接收到航标的信号而不相互干扰l 。同时，岸基 发向多个航标的信号都在预定的时隙中发射，各航标在指定的时隙中接收，然 l o 武汉理工大学硕士学位论文 后，从信号中提取发送的数据2 4 1 。 2 3 本章小结 本章对系统中用到的两种无线通信技术( z i g b e e 、a i s ) 做了介绍。主要包 括z i g b e e 通信的特点以及本系统中所用到的z i g b e e 模块( j n 5 1 3 9 ) 、a i s 通信 硬件组成以及通信特点等。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章航标遥测遥控系统总体设计 3 1 基于z i g b e e 与a i s 的航标遥测遥控系统 航标遥测遥控系统由航标遥测遥控监控中心、航标遥测遥控终端以及通信系 统组成1 2 s 1 。航标遥测遥控总体框架如图3 1 所示： 图3 1 航标遥测遥控系统总体框架图 航标遥测遥控监控中心负责从航标遥测遥控终端收集航标运行信息，对数 据进行存储、显示、处理、报警、编辑、生成、存档、打印和报送航标管理所 需的各类报表1 2 6 ：可通过图形化人机界面，监视、查询、分析航标设备运行信息， 并可向各航标遥测遥控终端发送遥控指令，以检查、控制航标的运行状态；航 标遥测遥控监控中心数据库能够实现系统与系统间的数据共享，并可以为国家 航标监测系统提供航标运行信息；航标遥测遥控监控中心的网络数据服务器可 以为客户端提供远程登录服务功能( 需身份确认) 。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 客户端可以通过网络查询、显示航标遥测遥控信息。客户端的查询权限、 查询内容、功能定位有航标遥测遥控监控中心设定1 2 7 1 ；航标遥测遥控终端是航标 遥测遥控系统的基础数据采集平台，负责采集、控制并发送航标设备的运行参 数，执行监控中心下达的遥控指令1 2 8 1 ；通信系统是航标遥测遥控系统的重要组成 部分，负责传输航标运行参数及控制航标指令数据。 基于z i g b e e 无线传感网络的a i s 航标遥测遥控系统主要是将z i g b e e 与a i s 两种无线网络相结合，充分发挥各个网络的优势，来高效地完成航标遥测遥控 功能。具体工作过程是：在某一区域内通过z i g b e e 无线通信技术将航标组成网 络，然后通过网络中心节点的a i s 无线收发系统，来完成此无线传感网络与a i s 岸基的通信，a i s 岸基可以进一步将收到的航标信息，通过海事专网发送到监控 中心。同时，监控中心也可以通过海事监控管理软件，在同样的链路上给航标 终端下发指令。这样就可以完成航标的遥测遥控功能了。 基于z i g b e e 无线传感网络的a i s 航标遥测遥控系统主要由监控中心系统软 件、航标遥测遥控终端、通信系统组成。下面分别介绍三个组成部分： 3 1 1 管理系统软件设计 航标遥测遥控系统软件主要实现对采集的数据的管理，如存储、显示、处 理、报警，编辑、生成、存档、打印和生成报表1 2 9 1 。监控分中心可以通过图形化 人机界面实现对航标设备的监视、查询遥控，并按时、按需向航标遥测遥控监 控中心上报航标设备运行信息。航标遥测遥控监控中心可对各监控分中心的数 据进行统一存储、处理、显示，及对各分中心发送授权指令。航标遥测遥控监 控中心数据库能够实现系统与系统间的数据共享，可以为a i s 、v t s 、船舶动态 监控以及船舶自动导航等系统提供航标信息服务。 系统整体包括电子航道图显示管理系统、通信伺服系统、数据与系统管理 系统和业务管理系统等几大模块。同时，该系统允许根据实际需要，添加或删 除相应的子系统。系统整体结构图如图3 2 所示： 武汉理工大学硕士学位论文 图3 2 航标遥测遥控监控中心系统软件结构图 1 ) 电子航道图显示管理系统：以电子航道图作为可视化电子显示平台，展 示航标的动态位置信息及变化，通过其可对航标终端进行设置、发送命令及查