（光学工程专业论文）嵌入式航标遥测监控终端的设计.pdf

摘要 摘要 航标是保障水上交通安全的最基本设施，航标遥测遥控功能的实现可以提高航 标运行的可靠性、延长维护周期、提高设备可利用率、降低航标维护成本，保障航 道安全。 本论文设计基于先进性、可靠性、经济实用性、标准化、扩展性等设计原则， 利用现代航标测控技术、计算机网络技术、无线通信技术和数据处理技术等研制嵌 入式航标遥测监控终端，可完成对航标的远程动态监测和状态控制，及时发现航标 异常并尽可能进行远程维护，降低航标维护成本和减轻劳动强度。 电源设计采用高效率d c d c 变换电路和l d o 相结合的拓扑结构，实现整个系 统电源的高效管理；采用多m c u 的处理方式，将灯质的信号整形、撞击检测及数 据采集分离，有效解决了灯质信号多样性、采集难的技术难题；提出外部可控看门 狗的设计方法，实现系统可靠性与低功耗设计的结合；并在软件设计上采用任务限 时服务策略、软件配置等技术，提出数据分层处理、m o d e m 状态机控制模型等方 法，提高数据的准确度、可信度及数据传输的可靠性；实现对终端软件远程自动升 级及断点续传的功能，增强了系统维护的可靠性。 终端在南京、上海以及宜昌等地的运行情况表明：系统和设备运行正常，上传 的数据稳定可靠，终端功能达到预期要求，能较准确反应航标状态，延长了航标巡 检周期，降低了维护成本。 关键词航标、遥测监控、g p r s g s m 、软件分层技术、无线远程升级 中文文摘 中文文摘 航标遥测监控系统可形象地比喻为航标管理的“千里眼”，航标遥测遥控功能的 实现可以提高航标运行的可靠性、延长维护周期、提高设备可利用率、降低航标维 护成本、提高管理效率，做到及时、有针对性的对航标设备进行维护与检修，使维 护人员从大工作量和艰苦的工作环境中解脱出来，使航标管理部门及主管部门能及 时掌握航标工作状态与相关信息，并能方便地对航标设备进行远端遥控检测，适应 当前海运业大流量、高安全通航的要求。 本设计依托课题组承担的省教育厅项目( 旧0 7 0 8 0 ) “嵌入式航标遥测监控终端 系统的研制 对航标遥测监控技术、无线通信技术和数据处理技术等方面展开研究， 完成终端的设计研制；自0 8 年以来，终端已在南京航道局安装近6 0 0 套、上海海事 局安装近3 0 0 套、宜昌航道局安装近2 0 0 套，系统和设备运行正常，上传的数据稳 定可靠，终端功能达到预期要求，能较准确反应航标状态，延长了航标巡检周期， 降低了维护成本。 绪论阐述了论文选题的理由和意义，并对国内外航标遥测监控技术的研究现状 进行分析比较。以提高航标的科技含量和科学管理水平、改善通航环境、保障通航 船舶安全和提供优质服务为研究目标，并阐述设计主要的研究内容及解决的关键技 术难点。 第1 章对终端的工作要求、功能要求、性能指标等进行分析，提出了先进性、 可靠性、经济实用性、标准化、扩展性等设计原则，并提出解决各个单项技术难题 时所采用的思想方法和技术路线。 第2 章提出系统的设计方案。主要包括系统方案、通讯方案、硬件方案、软件 系统及抗干扰设计。并在灯质调理测量、撞击监测、电源方案、数据处理、定位精 度等方面提出确实有效的解决方案。 ( 1 ) 系统方案阐述系统总体设计框图，提出终端必须是一个电源适应能力强、 抗干扰能力强、功耗低、集成模数转换的片上系统，并采用集成度高内部 资源丰富的a r m 7 内核l p c 2 1 3 6 芯片，减少外围器件； ( 2 ) 通讯方案结合航标运行环境、维护工作等情况，对现有g s m 、等常 用的无线传输技术进行分析，提出了利用现有移动g p r s g s m 网络的传输 方案。 i i i 福建师范大学陈聪慧硕士学位论文 ( 3 ) 硬件方案电源设计采用高效率d c d c 变换电路和l d o 相结合的拓扑结 构，实现整个系统电源的高效管理；采用多m c u 的处理方式，将灯质的信 号整形、撞击检测与数据采集分离，有效解决了灯质信号多样性、采集难 的技术难题； ( 4 ) 软件系统对于多传感器数据采用分层处理，降低数据误差的干扰，提高 数据的准确度和可信度；采用g p r s 网络传输g p sr t c m 修正数据，实现 提供g p s 定位精度等； ( 5 ) 抗干扰设计提出了系统在硬件和软件抗干扰方面的措施； 第3 章系统详细设计。详细说明微控制器电路、电源电路、看门狗电路、灯质 采集电路、撞击检测电路、电池电量测量、串口扩展电路、a d 采样电路、m o d e m 电路、g p s 电路的硬件设计。在软件设计上根据系统需求和功能进行模块化设计， 采用任务限时服务策略和软件配置技术；对于多传感器数据采用分层处理，降低数 据误差的干扰，提供数据的准确度和可信度；在数据传输上，对m o d e m 采用状态 机的控制模型，提高数据传输的可靠性；实现对终端软件远程自动升级及断点续传 的功能，增强系统维护的可靠性。阐述终端的多种工作模式及低功耗设计方法。 论文研制的终端具有以下创新和特色： ( 1 ) 终端具备多种节能工作模式，其中休眠模式的静态电流小于3 0 m a d c1 2 v ， 可与航标灯共用一套电源，使得该系统在内河航标灯等野外低功耗设备上 进行大规模应用具备必要的条件，提高终端的适用范围； ( 2 ) 航标终端系统的多层分级处理方法，降低误报警的概率，提高数据准确性； ( 3 ) 终端主动报警功能。在监测到航标异常时，主动发送报警信息； ( 4 ) 采用g p r sv p n 传送g p s 修正数据，提高单点定位精度； ( 5 ) 多串口的嵌入式自动测试系统，提高测试效率； ( 6 ) 多处理器架构的航标终端系统，采用m e m s 设计实现撞击检测，采用低功 耗p i c 单片机研制灯质信号的预处理电路，提高灯质测量的正确性和终端 对各种航标灯器的适应性，促进终端的规模化、实用化。 福建师范大学陈聪慧硕士学位论文 a b s t r a c t p h a r o si so n eo fb a s i cf a c i l i t i e st og u a r a n t e et h es a f e t yf o rw a t e r b o r n et r a n s p o r t t h e i m p l e m e n t a t i o no fp h a r o sr e m o t et e r m i n a lb a s e do ne m b e d d e ds y s t e mc o u l di m p r o v et h e r e l i a b i l i t yo fp h a r o s ，e x t e n d 。t h em a i n t e n a n c ec y c l e ，r a i s ee q u i p m e n tu t i l i z a t i o n , a n d r e d u c em a i n t e n a n c ec o s t s ，s oa st oe n h a n c es a f e t yo fs e a - r o u t e t h ed e s i g nb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fa d v a n c i n g ，r e l i a b i l i t y , e c o n o m i cp r a c t i c a l i t y , s t a n d a r d i z e a t i o na n de x p a n s i b i l i t y , u s e dt h et e c h n o l o g yo fp h a r o sr e m o t ed e t e c ta n d c o n t r o l ，c o m p u t e rn e t w o r k , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dd a t ap r o c e s s i n g ，i m p l e m e n t d e t e c t i n ga n dc o n t r o l l i n gt h es t a t u so fp h a r o s ，f i n d i n go u ta n ds o l v i n gt h ee x c e p t i o na s s o o na sp o s s i b l e ，s oa st or e d u c et h ec o s t sa n dl a b o r so fp h a r o sm a i n t e n a n c e w i t ht h et o p o l o g yo fd c - d cc o n v e r tc i r c u i ta n dl d oc i r c u i t ，a c h i e v i n g 1 1 i g h p r e f o r m a n c e o fp o w e rm a n a g e m e n t 一u s e dm u l t i - m c ut om e a s u e el i g h t i n g c h a r a c t e r i s t i c sa n di m p a c td e t e c t i n g ，s e p a r a t e dt h es h a p i n ga n da c q u i s i t i o no fl i g h r i n g c h a r a c t e r i s t i c ss i g n a l ，e f f i c i e n t l ys o l v e st h ep r o b l e mo fa c q u i s i t i o nt h em u l t i f o r ms i g n a l w i t ht h em e t h o do fc o n t r o l l a b l ew a t c h d o gc i r c u i tt oa ：1 l l a l l c er e l i a b i l i t yo fs y s t e m ，b u t a l s oa c h i e v el o wp o w e rc o n s u m p t i o nd e s i g n u s i n gp o f i c yo ft i m e l i m i t e ds e r v i c ea n d c o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g yi ns o l , w a r ed e s i g n , w i mt h em e t h o do fd a t al a y e r e d p r o c e s sa n d s t a t em a c h i n eo fm o d e mt oi m p r o v et h ea c c u r a c ya n dc r e d i t a b l eo ft h er e s u l t ，e n h a n c e t h er e l i a b i l i t yo ft r a n s p o r t i m p l e m e n t a t i o no fr e m o t et e r m i n a ls o f t w a r eu p g r a d e s a u t o m a t i c a l l ya n dc o n t i n u a l l y , a n de n h a n c e st h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e mm a i n t e n a n c e t h ep e r f o r m a n c eo ft e r m i n a la tn a n j i n g ，s h a n g h a ia n dy i c h a n gs h o w st h a t ：s y s t e m s a n de q u i p m e n t o p e r a t i n gn o r m a l l y , t h er e s u l ti ss t a b l ea n dr e l i a b l e ，a c h i e v i n gt h ed e s i r e d r e q u i r e m e n t s ，c a r tb em o r ea c c u r a t er e s p o n s et ot h ep h a r o ss t a t u s ，w h i c he x t e n d i n g m a i n t e n a n c ec y c l ea n dr e d u c i n gm a i n t e n a n c ec o s t k e y w o r d s ：p h a r o s ，r e m o t et e r m i n a l ，g p r s g s m ，s o f t w a r el a y e r e dt e c h n o l o g y , w i r e l e s sr e m o t eu p d a t i n gs o f t w a r e 福建师范大学硕士学位论文独创性和使用授权声明 本人( 姓名) 陈聪董学号窒q q 鱼q z 垒互专业迸堂王猩 所呈交 的学位论文( 论文题目：嵌入式航标遥测监控终端的设计) 是本 人在导师指导下，独立进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除论文中已特别标明引用和致谢的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本论文的研究工作做出贡献的 个人或集体，均已在论文中作了明确说明并表示谢意，由此产生的一切 法律结果均由本人承担。 本人完全了解福建师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 福建师范大学有权保留学位论文( 含纸质版和电子版) ，并允许论文被 查阅和借阅；本人授权福建师范大学可以将本学位论文的全部或部分内 容采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，并按国家 有关规定，向有关部门或机构( 如国家图书馆、中国科学技术信息研究 所等) 送交学位论文( 含纸质版和电子版) 。 ( 保密的学位论文在解密后亦遵守本声明) 学位论文作者签名：獬 签字日期： 叼年册日 獬：鳟气 签字日期： 卵年鼻夥衫日 绪论 绪论 第一节论文选题的理由或意义 航标是指供船舶定位、导航或者用于其他专用目的的助航设施，包括视觉航标、 无线电导航设施和音响航标等，是保障水上交通安全的最基本设施，对支持水上交 通运输、海洋开发、渔业捕捞、国防建设和维护国家主权均起着重要作用【1 】【2 】。从“自 然航标 到设置“人工航标 ，从最早的自然物标到今天的综合信息服务，世界航标 事业走过漫长的岁月，经历从天然到人工、从岸基到星基、从近程到远程、从实体 到数字、从单一功能到综合信息服务几个里型3 】【4 】。 视觉航标作为传统的目测导航工具之一，仍在我国各港口和航道中扮演着重要 角色，是水上运输、海洋开发等水上作业必不可少的安全保障。但我国航标维护和 管理仍然停留在劳动密集型阶段，主要依靠巡检船定时巡检和过往船只的义务报告 等形式进行维护1 6 ，航标维护周期长，特别是由于自然或人为的突发因素，造成航 标损坏、漂离，电池老化或航标灯器损坏等情况时，往往不能及时发现并修复，给 来往的船只造成危险，极大地影响航道安全和航道的使用率。这种维护方式已经明 显滞后于航运发展的需要，迫切需要提高航道管理和航标维护的水平，实行航标维 护和管理的自动化、智能化【5 1 。 航标遥测监控系统可形象地比喻为航标管理的“千里眼”，航标遥测遥控功能的 实现可以提高航标运行的可靠性、延长维护周期、提高设备可利用率、降低航标维 护成本、提高管理效率，做到及时、有针对性的对航标设备进行维护与检修，使维 护人员从大工作量和艰苦的工作环境中解脱出来，使航标管理部门及主管部门能及 时掌握航标工作状态与相关信息，并能方便地对航标设备进行远端遥控检测，适应 当前海运业大流量、高安全通航的要求【7 1 。航标维护人员足不出户地在监控中心里 可了解几百公里外的航标当前状态，及时地预见和了解远程航标将会出现或已经出 现的问题，并及时进行针对性的维护，这对提高航标的正常发光率，保障航道安全 具有主要意义。 第二节国内外研究现状 随着科技进步和航海技术的发展，航标不断更新换代，目前已从传统的灯塔、 福建师范大学陈聪慧硕士学位论文 灯桩、立标、灯浮、导标等视觉航标系统，发展到雷应、差分定位系统、船舶自动 识别系统( a j s ) 、船舶交通服务系统( v t s ) 等近、远程无线电导航、监控设施， 以及将上述这些传统航标和无线电导航手段进行综合的一体化航标助导航系统。传 统的航标维护是一项劳动密集型的工作，主要依靠人工定期巡检、过往船舶报告等 方式，维护效率低，在航标发生故障时，往往不能及时发现并修复，严重影响船舶 安全航运。在国际航标协会第十六届大会上，提出“数字航标”的概念，就是将传 统助航元素用数字化、信息化、虚拟化、可视化方式，在计算机可视环境中进行动 态管理，使“摸不着看不见”和“看得见摸得着 的“信息”用数字的方式经由计 算机系统加工、处理后，以可视化方式显示出来，供管理和服务使用。 随着雷达、计算机、无线通讯、卫星定位等现代科学技术的不断发展，美、英、 法、日等航运大国，充分利用现代电子和通讯技术，不仅建立起国家级航标遥测监 控系统，为其航标管理当局降低航标运行、管理费用，提高管理效能提供服务，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不断涌现，迅速提高 海事管理当局的服务和监管水平【9 】。如二十世纪8 0 年代中期，船舶交通服务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 年代末期，船 舶通用自动识别系统( h 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，其主要表现为 8 】【1 0 】： ( 1 ) 灿s 信息服务。建立本地、国家、区域性h i s 网络中心，为海事管理当局、 港口管理当局、航运代理人、货物管理人、海关和移民等机构，提供h i s 源 收集的航运信息。 ( 2 ) 航行信息服务。由h i s 站向周围船舶提供航标“健康”状态和实时潮高、潮 流、本地气象条件等船舶航行所需的信息和数据。 ( 3 ) v ts 、h i s 信息融合。h i s 系统提供的船舶航行实时数据，有助于提高雷达 在各种气象条件下及雷达遮蔽区和盲区内的探测性能，改善v t s 系统自动识 别和标记能力，避免跟踪交换，并能在v t s 系统增加提供实时航向和航速数 据显示，而s 系统的海上雷达信息，则有助于验证h i s 信息的真伪。 为满足我国海洋事业快速发展对现代导航、监管设施的需求，二十世纪9 0 年代 中后期。我国现代导航技术和监管系统建设进入蓬勃发展期，1 9 9 6 年，我国成功引 入d g p s 差分台站技术，并迅速覆盖我国沿海海域，全球导航卫星系统( g n s s ) 全面 2 绪论 启用。2 0 0 0 年，船舶交通服务t s ) 系统投入使用，2 0 0 4 年，船舶通用自动识别 系统( 灿s ) 投入试运行，并将迎来系统建设高速发展期。交通部海事局在大力引进 全球导航卫星系统( o n s s ) 、船舶交通服务t s ) 系统、船舶通用自动识别( 舢s ) 系统 的同时，1 9 9 9 年，中国海事局提出并制定全国沿海航标遥测、遥控系统建设指导 原则，2 0 0 2 年，北方、东海、南海海区开始进行第一期航标遥测遥控系统建设， 2 0 0 5 年，中国海事局在总结第一期系统建设经验的基础上，提出并制定海区航标 遥测遥控系统技术规范【l l 】，进一步明确航标遥测遥控系统所应达到的基本技术要 求。航标遥测遥控系统与m s 系统信息融合【1 6 】【1 8 】和应用技术【1 7 】的研究，也已处于起 步阶段。文献 1 2 从建设实践出发，提出适合长江航道管理模式的航标遥测监控系 统的构架方案，针对数据通信方式、数据平台标准以及航标定位等问题进行分析和 研究。文献 1 3 】采用g p r s 模块、g p s 接收板和嵌入式微处理器设计集航标定位信 息采集、航标运行状态采集、微处理器控制等于一体的智能航标监控系统。文献 1 4 】 简述航标自动监控系统的重要性、框架结构、基本组成和监测内容对系统的作用 距离、可用性、可靠性和我国组建该系统的基本条件等进行研讨。作者认为，我国 组建航标自动监控系统不但必需，而且可行。 交通部内河航道养护与管理发展纲要( 2 0 0 1 - - 2 0 1 0 年) 【1 5 】和部海事局沿 海航标系统“十五 发展规划与2 0 1 5 年远景目标明确提出建设航标遥测监控系统 的要求，以期实现航标的远程遥测与控制，改变航标的维护模式。随着“数字航道 的规划实施，航标养护的科学化和信息化已迫在眉睫。交通部公路水路交通科技 发展战略将“智能航运 列入交通科技六大发展战略重点之一“智能化数字交通 管理技术”的研究之中。 2 0 0 3 年4 月中旬，由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 智能化航标监控系统在武汉长江大桥区域航道投入使用，该系统是国内首个投入使 用的智能航标监控系统。该系统通过综合利用g p s 技术、g i s 技术、微电子技术、 通信技术等高新技术，在现有的航标上加装一个电子集成模块，将航标的坐标位置、 电池电压、航标灯的亮度等数据定时发送到岸上的控制中心，值班人员可以清晰的 监控到每一个航标的工作状态，并可及时通知航道站对发生问题的航标进行维护和 恢复。 从2 0 0 3 年底起，长江航道局己经开始对三峡库区的航道进行助航系统改造，并 投入使用智能航标监控系统。 福建师范大学陈聪慧硕士学位论文 2 0 0 4 年长江航道局在三峡库区航道改革项目中，结合正在进行的长江航道管养 体制改革，集成多项先进技术，重点解决航标遥测监控系统的实用化问题该系统 的结构如图1 所示： 图1 航标避测监控系统框图 目前，国内己投入使用的航标遥钡0 监控系统从逻辑上分为监控终端、无线通信 层、网络通信层、系统服务层、应用服务层五层结构。监控终端负责现场传感检测 航标工作状态和参数，如航标灯状态参数、浮标位置参数等，出现报警时及时上传 数据，处理与监控中心之间的通信事务，响应监控中心的遥控指令。监控终端与无 线通信运营商之间通信采用g p r s 网络，g s m 短信作为辅助通信手段，并遵循移动 终端无线通信接口标准。网络通信层提供监控中心的数据通信接入服务通信接口 服务完成中心与终端设备之间的通信，负责协议转换、数据汇集，包括监控中心的 通信服务器和专线、网关。系统服务层提供航标监控数据处理、g i s 信息管理与操 作服务和业务数据服务。监控数据处理服务负责与上层应用的通信接口，数据的分 发与处理，操作命令的认证、下发、确认，数据的存储、分析，是本系统的核心部 件。g 1 s 信息管理服务提供电子海图空间数据的管理、编辑、维护，航标信息的动 态维护与发布。数据库存储服务管理受控的所有航标信息以及用户信息、终端设备 信息等。应用服务层在下层承载的基础上实现所有应用业务逻辑。系统采用组件式 结构，灵活方便，因此具有良好的通用性和可扩充性。 第三节研究目标、研究内容和解决的关键问题 航标遥测遥控系统建设目标是：以提高航标的科技含量和科学管理水平、改善 通航环境、保障通航船舶安全和提供优质服务为目的，以国际标准化的电子航道图 作为可视化信息平台利用现代航标测控技术、计算机网络技术、无线通信技术和 绪论 数据处理技术，完成对航标的远程动态监测和状态控制，及时发现航标异常并尽可 能进行远程维护，从而提高航标正常率，为船舶提供有效的助航服务；同时降低航 标维护成本和减轻劳动强度，并为航标管理决策提供科学依据【1 1 1 。 航标遥测遥控系统功能包括航标遥测、遥控以及现场维护功能： ( 1 ) 航标遥测：对航标运行状况和参数的实时在线采集、检测、处理、自动报警 与数据自动上传。 ( 2 ) 航标遥控：管理人员远程实现对航标运行参数和状况的远程设置、查询、改 变及控制等。 ( 3 ) 航标现场维护：实现对航标进行新设、临时设置、变更、撤消等的管理。 ( 4 ) 航标管理：实现航标配布管理、报表查询与统计分析。( 主要体现在监控中 心应用软件功能上) 本文的主要研究内容是航标遥测监控终端的研制，航标遥测监控终端作为航标 遥测监控系统的重要组成部分，是信息的主要来源，负责对航标运行状况和参数的 实时在线采集、检测、处理、自动报警与数据自动上传以及接受远程中心对运行参 数和状况的远程设置、查询、改变及控制等。 航标遥测监控终端的复杂性与难点技术归纳起来有以下几点： ( 1 )如何实时采集和处理航标的各种参数，特别是灯质等参数； ( 2 )如何保证系统的稳定性和可靠性( 包括终端的可靠性、通信系统的可靠 性) ； ( 3 )如何有效地适应多种灯器灯质信号的测量； ( 4 )如何提高系统的智能化程度，提高数据判断与预警的正确性； ( 5 )如何实现终端软件可靠的远程自动升级。 第一章系统概述 第一章系统概述 第一节系统要求 l 工作要求 通常，终端安装于航标布设点现场，完成对航标的遥测、遥控等功能，针对航 标终端站特殊的工作环境，它应达到以下的工作要求【l l 】： ( 1 ) 工作温度： 3 0 巧5 。 ( 2 ) 抗腐蚀性：较强的防腐、防潮、防水浸能力。 ( 3 ) 工作能耗：航标设备大多依赖于太阳能电池或蓄电池供电，终端站必须是一 个低能耗系统。 2 功能要求【1 1 】1 1 9 】 ( 1 ) 对航标运行状况和参数的实时在线采集、检测、处理、自动报警与数据自动 上传：主要的监测对象如下： a ) 航标灯：工作电压、电流； b ) 太阳能电池：充电电压、充电电流； c ) 蓄电池：电压、电流、充放电能量； d ) g p s 定位； e ) 撞击监测： 0 环境监测：环境温度、蓄电池箱温度。 ( 2 ) 航标管理人员通过无线网络实现对航标运行参数、配置参数的远程设置、查 询等。主要的控制参数如下： a ) 航标灯遥控检测、开关控制； b ) 采集量报警参数设定。 c ) 终端工作参数配置 3 性能指标 ( 1 ) 测量精度：电压： o 1v ；电流： o 0 1a ； ( 2 ) 耗电指标：航标遥测遥控终端安装完成后，将与航标灯具共用一套电源供电， 为保证供电系统长期稳定工作，考虑浮标供电方案及航标灯具功率等因素制 定以下功耗指标： 7 福建师范大学陈聪慧硕士学位论文 a ) 最大功耗：1 w 1 2 v ( g p s 工作、g p r s g s m 通信模块发射) ： b ) 正常功耗：0 6 w 1 2 v ( g p s 工作、g p r s g s m 通信模块不发射) ； c ) 休眠功耗：o 2 w 1 2 v 。 ( 3 ) 定位精度：桥区浮标定位精度小于5 米，其他浮标定位精度小于1 5 米。 ( 4 ) 其他指标：启动时间：冷启动 v s 肿，此时b q 2 6 2 2 0 对放电电荷和放电 时间进行统计，并保存在芯片内部的寄存器。b a t 引脚连接到电池的正极，用于测 量电池的电压。主机通过h d q 引脚使用单总线协议和b q 2 6 2 2 0 通信，获取电池的 充放电情况及电池电压和温度值。 图1 4b q 2 6 2 2 0 电路 f i g 14s c h e m eo fb q 2 6 2 2 0 b q 2 6 2 2 0s p r 和s r n 引脚之间可测量的最大压差为1 0 0 m v ，当采样电阻为o 0 5 欧姆时，能测量的最大电流为2 a ；在实际运行中，蓄电池一般采用太阳能板充电， 第三章嵌入式航标遥测监控终端 充电的最大电流不超过1 5 a ，所以该电路的设计能满足系统的要求。 7 串口扩展 航标终端系统需要更多的串口与多个设备进行串行通信。在本设计中，采用 p h i l i p s 公司的带s p i 接口串口扩展芯片s c l 6 i s 7 5 2 4 7 1 实现。 s c l 6 i s 7 5 2 具有s p i 总线接口，双通道高性能的u a r t 提供高达5 m b i t s 的数据 率，低工作和睡眠电流；它还为应用提供8 个额外可编程的f o 脚，3 3 v 或2 5 v 操 作，3 3 v 时的睡眠电流低于3 0 衅，6 4 字节f i f o ( 发送器和接收器) ，器件含有极 小的h v q f n 3 2 和t s s o p 2 8 封装，使其理想地适用于便携式和电池操作的应用中。 其s p i 接口最高速率为4 m b i t s 其电路连接如图1 5 所示： 图1 5s c l 6 1 f 7 5 2 串1 ：3 扩展芯片电路图 8 加采样电路 模拟量测量包括航标灯、电池、太阳能板等的电压、电流。电压直接通过滤波 电路送入a d 转换器进行处理。电流的测量则通过电流传感器将电流转换成电压量， 再通过滤波电路送入删的加转换器，如图1 6 所示。 福建师范大学陈聪慧硕士学位论文 图1 6 模拟数据采集原理图 几 几 。 p 一p a 3 1 黼喊 _ s a村睁嘲 廿2止f 阱仉f b 牛 d s o i 蹦一 匕z 一i l s o ? 【) 牛2 d 5 0 9d 5 0 4 c)匕l j i ! 终端的电流和电压测量电路设计上有两种方法： ( 1 ) 串接电阻：当被测电流较小( 小于2 a ) ，可在被测的电缆上串接一个小的 测量电阻，该电阻选用精密的金属膜电阻，其阻值以不影响灯器或充电控 制器工作为准并尽量选用低阻值( 如0 1 欧或0 2 欧) ，这样发热小耗电少。 为防止闪光灯器脉冲电流冲击造成电阻长期频繁热胀冷缩而断丝的情况， 选用5 个以上的精密电阻并联连接来获得高可靠的小电阻阻值；另外对于 充电电流的测量选用康铜丝作为测量电阻，当然，如何选用还需要在施工 前详细测量蓄电池电缆的电阻和测量太阳能电池电缆的电阻，测量时不能 影响电池和充电控制器的工作： ( 2 ) 采用霍尔电流传感器：适用于被测电流大( 大于2 a ) ，做法是将被测电缆 绕行( 小电流时可绕多圈) 穿过开环或闭环的电流传感器，通过电磁感应 测量工作电流，这种情况就没有以上在电路中串接电阻带来的风险，但在 小电流测量时精度不够。 9m o d e m 电路 选用s i m e n s 公司最新的m c 5 5g p r s g s m i s o 通信模块，其优势：可靠性好、 集成度高、高频部分屏蔽、嵌入软件功能强、内置t c p i p 协议和特别适合工业级遥 测监控数传应用，模块的技术参数如下： ( 1 ) 双频：e g s m 9 0 0 和g s m l 8 0 0 ； ( 2 ) g p r s ：多通道类别8 ： ( 3 ) s m s - m t m o c b p d u 模式； 第三章嵌入式航标遥测监控终端 ( 4 ) 嵌入t c p i p 、u d p i p 协议； ( 5 ) 支持s t k 应用，支持数据、语音、短消息和传真； ( 6 ) a t 命令集控制； ( 7 ) 支持电压范围：3 0 - - 4 2 v ：处于睡眠状态时仅3 0 m a 电流 如图1 7 ，m c 5 5 模块通过串口与l p c 2 1 3 6 的u a r t i 接口t x d i 、r x d i 连接， 使模块与微处理器( l p c 2 1 3 6 ) 进行数据交换。l p c 2 1 3 6 使用两个i o 口控制m c 5 5 模块的复位，一个直接控制m c 5 5 模块的供电输出，另一个与模块p w o n 相连，使 m c 5 5 模块在死机时能够实现自动重启，保证通信的正常进行。m c 5 5 的s i m 卡接 口与s m 卡座可靠相连，保证模块与s i m 卡通信正常。 口匣耍匠j 堡里l 一 图1 7m c 5 5g p r s i g s m 模块原理图 f i g 17s c h e m a t i co fm c 5 5g p r s i g s mm o d u l e ，娶熙l 3 3 3 4 i x d 啪爨g n d 话 i 娶雩型 r t s 岱m3 2 肿 ：黑熙 c t sg s m3 t 器 。删 d s rg s m 菀 d承呈饕一5希删一29dtr d 氨 g s m 1 0 刚口r r g n d 5 抛u盯2rxd 4 2 。 g n d 3 g 2 町量_ - - i r o w 47 m a 瑚 岱、， j v 征例 r 嗍 i - 由 i a 脚r j x j 塘7 ： 2 27 ： t 剪 r l n c t i m h a n 1 7 j ： 2 8 1 0 1 0 i i 肼i 峦 1 0 1 3 m 凹 1 6 ：； e a r n 2 i7 j | i i k 1 0 l lz 7 1 0 6 l i lghoioe a r p ：二 a r sd 9 、 v o c i i 叩， 拍 1 0 1 2 d a d i 一 i o l 瓜lv b a t b b 4 3j iu6 v b a t 激篙 4 2j 门 u 班d i 日 曩r l kl l v b 眦 4 l g m r s t1 3 黝等洲 p 州o i lp 、州 柚p w o l q g m d a t a1 2 毗【m 翟o ”恙妇 鞠v o c 马1 4 、， v r 驯眦 1 0g p s 电路 本系统选用美国天宝公司( t r i m b l el a s s e i l ) 的i qg p s 接收器【5 ，它的外形尺 寸仅邮票大小，为2 6m m x 2 6 m m x6 m m ，并且耗电量极低，模块置于一个金属外 壳内以便于携带，该外壳还起保护和屏蔽的作用。 福建师范大学陈聪慧硕士学位论文 表1i qg p s 模块的主要指标 t a b l e1f e a t u r eo fi qg p sm o d u l e 基本 接收器l 1 ( 1 5 7 5 4 2 m h z ) ，c a 码，1 2 通道，连续追踪，3 2 位c p u 特征 更新率 t s i p 1 h z ；v m a 1 h z 动态性能 加速度：4 9 ( 3 9 2 籼2 ) m 加速度：2 0 米秒3 再次捕获： 2 秒( 9 0 ) 捕获时间 热启动： 1 0 秒( 5 0 ) ， 1 3 秒( 9 0 ) 温启动： 3 8 秒( 5 0 ) ， 4 2 秒( 9 0 ) 性能 冷启动： 5 0 秒( 5 0 ) ， 8 4 秒( 9 0 ) 特点 水平： 5 米( 5 0 ) ， 8 米( 9 0 ) 定位精度 垂直精度： 1 0 米( 5 0 ) ， 1 6 米( 9 0 ) 速度：o 0 6 籼 定时精度( i p p s ) 时间：1 p p s ：+ 5 0 纳秒 高度 g p s 低功耗d g p r s 低功耗a r m 低功耗： 在已报警的状态下，终端已配置为低功耗模式 ( 3 ) 点名状态 - - ) g p s 低功耗d g p r s 低功耗a r m 低功耗：都不允许 ( 4 ) g p s 低功耗专全速运行状态： 低功耗限时到 接收到中心控制指令 定时发送数据时间到 其它航标状态发送异常( 包括过渡状态中的异常) 第三章嵌入式航标遥测监控终端 g p r s 退出低功耗 ( 5 ) g p r s 低功耗专全速运行状态： 低功耗限时到 定时发送数据时间到 航标状态发送异常 ( 6 ) a r m 低功耗专全速运行状态：终端全速运行的时间可以设置，通常程序默 认为2 分钟。 第四节通讯协议 1 通信接口 图3 7 航标遥测监控终端通讯框图 f i g 3 7c o m m u n i c a t i o n ss t r u c t u r eo fp h a r o sr e m o t et e r m i n a lb a s e do ne m b e d d e ds y s t e m 铖标鉴控中心 通信骚务器 敷锯毒隘务墨 电子海巨监控台 通信联两设备 大器幕显示设备 d 9 剃 ，、一 r w 蔼量电路t 灯器参薮 奄嚣参鼗 状吝报警 玮凌参数 r s 一 2 3 2 ，、 或t 厂】里 能5 靛标灯詈 遥控设i ： 灯覆 b 先阚值 强翻亮灭 督景复位 遥蔼 t 喀本静 分也可以由 r t u 完或) 遥测遥控终端和服务器之间采用g p r s g s m 网络进行通信。 遥测遥控终端与灯器之间采用串行通信接口( r s 2 3 2 串口或r s 4 8 5 ) ，传输速率： 9 6 0 0 b p s ，一位起始位、八位数据长度、一位停止位、偶校验；在协议的设计上借鉴 在工业上广泛应用的m o d b u s 协议，使协议更加标准化【5 6 】【5 7 1 。 2 终端与智能灯器通信协议 终端和灯器通信的帧格式如下： 4 9 福建师范大学陈聪慧硕士学位论文 地址域( 灯器地址) 功能域( 功能码) 数据域( d a t a ) 校验域( c h e c k s u m ) ( 1 ) 传输规定 终端和灯器之间采用主从模式进行通信，所有的通信均由终端发起。每个字符 之间无需空闲间隔，两帧之间空闲间隔最少需要3 5 个字符。在接收超时一段时间 ( 最少需要3 5 字节) 后，校验c r c 值，若检出差错，则舍弃此帧数据，开始等待新 一帧数据；若无差错，则此帧数据有效。 ( 2 ) 地址域 本规约中地址域为1 字节长度的固定区域。 在下行报文中，地址域为所要接收该报文的目的站址( 灯器地址) ：在上行报文中， 地址域为该报文的发送源站址( 灯器地址) 。 灯器地址用一字节的二进制码编码表示，其地址范围：0 0 h - - 一f f h ，其中0 0 h 地 址为保留地址。具体如下： d 7d 6d 5d 4d 3d 2d 1d 0 定义 ooooo000 保留地址 0o00oo01 1 号地址 o0ooo010 2 号地址 111l1l11 2 5 5 号地址 ( 3 ) 功能域 本规约中功能域为1 字节长度的固定区域，用于填写功能码。功能码用1 字节 的二进制码编码表示，其地址范围：0 0 h f f h ，其中0 0 h 为无效，0 1 h f f h 为有 效。在本规约中，除0 0 h 以外，未经定义的功能码皆为备用。 功能码 功能( 命令) o 无效 0 1 h 备用 0 2 h 备用 0 3 h 遥测功能( 读灯器数据命令) 0 9 h 备用 1 0 h 遥控功能( 写灯器数据命令) l l h 备用 f f h 备用 第三章嵌入式航标遥测监控终端 a 、遥测功能命令 终端向灯器发送遥测指令，灯器响应指令，回送一帧，其数据域应包括灯器的 地址、灯器类型( 换泡器、旋转灯或l e d 灯) 、日光值、日光阀值、静态电压、动 态电流、动态电压、好灯个数、当前灯质、拨码设置灯质、串口设置灯质、充电电 压高低门限值、工作电压的过压和欠压报警值、灯器工作状态( 亮灭，强制不强制) 等信息。 b 、遥控功能命令 终端向灯器发送指令帧，其数据域包括串口设置灯质、设置日光阀值、设置充 电电压高低门限值、设置灯器地址和类型、工作电压过压欠压报警值等内容，以及 强制灯亮或灭。 ( 4 ) 校验域 帧校验( c h e c k ) 采用1 6 位循环冗余校验法( c r c ) 。帧校验从地址域开始至数据域 结束。 帧校验域占用两个字节，包含一个1 6 位的二进制值。在通信报文中，该c r c 的1 6 位二进制值低字节c r c ( l ) 在前，高字节c r c ( h ) 在后。 1 6 位循环冗余校验( c r c ) 的生成式为：x 1 6 + x 1 5 + x 2 + 1 3 终端与服务器通信协议 终端和服务器通信的帧格式如下 起始字符( 或固定长度报文头) 控制域 数据域 结束字符 校验和 ( 1 ) 传输规定 终端只有在前一次通信任务结束之后，才能开始新一次的通信任务。服务器收 到终端传送的数据，如果是g p r s ，则需要应答；如果是短消息，无需应答。 ( 2 ) 起始字符 固定为”$ ”，协议中的其它部分数据不能出现该字符。 ( 3 ) 控制域 代表着当前终端所处的状态，及工作模式。具体表示如下： 福建师范大学陈聪慧硕士学位论文 n ：轮询终端按照指定时间间隔发送数据 q ：第一次报警发生位移 z ：第一次报警发生漂移 b ：第一次报警航标灯有问题 a ：重复报警 c ：点名 ( 4 ) 数据域 包含着终端当前实时数据。其中包括终端的实时状态( 低功耗状态、g p s 数据 是否有效、是否差分等) 、灯器坐标经纬度、蓄电池充放电电量情况、灯器类 型( 换泡器、旋转灯或l e d 灯) 、日光值、日光阀值、静态电压、动态电流、 动态电压、好灯个数、当前灯质、拨码设置灯质、串口设置灯质、充电电压高 低门限值、工作电压的过压和欠压报警值、灯器工作状态( 亮灭，强n 不强 制) 等信息 ( 5 ) 结束符 由字符幸加上终端d ( 6 ) 校验和 对于上行数据不包含校验和，下行数据采用异或和