基于北斗導航系統的航標遙控遙測單元設計

2014-08-24 09:37:01王萬昭王惠良和志強

河北工業科技 2014年2期

王萬昭，王惠良，和志強

(1．河北經貿大學信息技術學院，河北石家莊 050061；2．河北經貿大學科研處，河北石家莊 050061)

基于北斗導航系統的航標遙控遙測單元設計

王萬昭1，王惠良1，和志強2

(1．河北經貿大學信息技術學院，河北石家莊 050061；2．河北經貿大學科研處，河北石家莊 050061)

針對遠離海岸線GPRS信號無法覆蓋區域航標的遙控遙測需求，設計研發了基于北斗導航系統的航標遙控遙測單元，介紹了水文氣象采集模塊、航標狀態監控模塊、中央處理模塊和數據通信模塊的設計原理，實現了航標的智能化管理及海洋水文氣象信息的感知。

航標；北斗導航系統；遙控遙測；感知

近年來隨著中國海運經濟的飛速發展，海上運輸規模不斷增大，航道安全的重要性日益凸顯。目前，航道安全監測系統已在近海海域投入使用，可以實現港域航標的有效管理及航道附近水文氣象信息的監測。這些監測系統多采用GPS(全球定位系統)和GPRS/GSM(通信分組無線服務/蜂窩無線通信)[1-3]技術實現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，無法實現對遠離陸地航標設施的遙控遙測。中國自主研發的北斗衛星導航系統不僅可以提供精確定位、導航和授時，還具有雙向短報文通信功能[4]，可以實現GPRS信號覆蓋不到區域的數據傳輸。基于北斗導航系統的航標遙控遙測單元的設計，可以有效豐富航道安全監測信息的傳輸途徑，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施的各種電氣參數，并傳輸至地面監測中心。它由水文氣象采集模塊、航標狀態監控模塊、中央處理模塊和數據通信模塊組成。其中，水文氣象采集模塊由多個傳感器組成，可以實現對流速、流向、能見度等水文氣象信息的實時采集。航標狀態監控模塊采集航標的各種電氣參數，實現對航標器工作狀態的監測。中央處理模塊是遙控遙測單元的核心，完成對待發送數據的壓縮編碼和已接收數據的解壓解碼，并控制各模塊協調工作。數據通信模塊通過北斗衛星與地面監測中心進行數據交互，實現信息的傳輸[6-8]。

圖1 航標結構圖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轉換，并存儲在SRAM中。航標狀態監控模塊采集航標設施的各種電氣參數，進行數據編碼，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中讀取數據，對數據進行壓縮編碼后形成固定格式數據包，并發送至數據通信模塊；同時，中央處理模塊從數據通信模塊接收數據包，對數據包進行解壓解碼后形成控制命令，并發送至航標狀態監控模塊。數據通信模塊負責數據包的發送與接收，并產生精確的定位數據。

圖2 遙控遙測單元總體設計Fig.2 Overall design of telecontrol and telemetry unit

2 詳細設計

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備、氣象信息采集傳感器和數據采集平臺構成。其中，水文信息采集設備采用“闊龍”聲學多普勒海流波浪測量儀。與同類型儀器相比，其測量數據更加精確，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，為世界上大多數海洋環境監測部門選用。

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

數據采集平臺采用的是美國CAMPBELL公司生產的CR800。與同類型產品相比，CR800同時支持I/O口和RS232串口通信，適用溫度范圍更廣，并且支持模數轉換功能。CR800數據采集平臺用來接收水文采集設備發送的數據，并通過串口與中央處理模塊進行數據傳輸，經過A/D轉換后，將數據送入SRAM中。

2.2航標狀態監控模塊

圖3 航標狀態監控模塊設計Fig.3 Design of monitoring and controlling module of navigation mark

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

監測控制模塊具有單獨的監控CPU，與中央處理模塊的CPU并行工作。本設計通過編程實現2個CPU之間的雙機通信。監控CPU與中央處理CPU都具有獨立的時鐘電路，因此本設計選用異步串行通信的方式，保證2個模塊之間數據傳輸的成功率。2個CPU既是接收端也是發送端，約定第1位為起始位，中間8位為數據位，最后1位為校驗位，每次傳輸1個字節。

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]，可以在線調試，具有64 KB內存，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，可以滿足數據通信模塊所有的數據傳輸速度。

中央處理模塊從外圍模塊依次獲取水文氣象數據、定位數據和航標燈狀態數據,并存儲在SRAM中。CPU對數據進行組合編碼加密，形成固定格式的數據包，并通過串行通信接口發送到北斗通信模塊。同時，中央處理模塊通過北斗通信模塊接收地面基站發送的指令數據包，并對數據包進行解壓解密，然后轉發給監測控制模塊。中央處理模塊的功能通過在STC89C52中編程實現，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據交互，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位數據位和1位的校驗位，每次傳輸1個字節。程序采用計數中斷的方式，通過中斷計數和程序指令周期計算數據傳輸間隔時間，實現準確傳輸。發送字符程序如下：

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數據通信模塊

數據通信模塊由北斗1代RDSS模塊和北斗2代通信組成。其設計要求是每次傳輸不大于150 KB的數據包，每100 s傳輸1次，定位精度在10 m以內，能夠在-20～55 ℃溫度內正常工作。

北斗1代RDSS模塊具有導航定位和短報文通信功能，并支持本地串口進行參數配置，但是北斗1代RDSS模塊的定位精度為100 m，不能滿足設計需求。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，滿足設計需求。因此，本設計聯合采用北斗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，支持BD2 B1和GPS L1兩個頻點。與同類型產品相比，它的溫度和濕度適用范圍更廣，完全滿足項目的需求。

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

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]!='