基于衛星無線通信技術的輪船在線監控系統的設計與研究*

2015-08-22 08:19:47陳黎黎吳孝銀

西昌學院學報(自然科學版) 2015年2期

關鍵詞：系統

盧彪，陳黎黎，吳孝銀

（宿州學院信息工程學院，安徽宿州 234000）

基于衛星無線通信技術的輪船在線監控系統的設計與研究*

盧彪，陳黎黎，吳孝銀

（宿州學院信息工程學院，安徽宿州 234000）

針對遠航輪船在遠航過程中無GPRS信號導致地面無法在線監控遠航輪船航運狀態的問題，本文采用了核心控制芯片STM42F372RC和衛星無線通訊芯片BGS67A為平臺，進行了遠航輪船在線監控系統的設計與研究。首先，給出了遠航輪船在線監控系統的整體設計結構。然后，對該系統進行了相應的硬件軟件結構設計。最后，經過實時數據測試證明了該監控系統具有實用性強、穩定性高、24小時連續監控等特點。

遠航輪船；在線監控；核心控制；BGS67A

海洋運輸是使用船舶通過海上航道來完成貨物的運送，是國際貿易實現商品互換的最重要的輸送方式之一。根據統計，每年通過海上航道實現貨物運送量占國際貿易運輸總量的80％以上。海洋運輸利用天然海洋通道運送貨物，具有運量大、成本低等優點。然而，遠航輪船在遠航過程中無GPRS信號，導致在船舶遇險時地面無法做出緊急救援[1]。

本文采用ARM芯片作為核心信號控制，設計了遠航輪船在線監控系統。該系統主要是采用GPS信號定位技術與衛星無線通訊技術。該系統能夠根據遠航輪船的作業狀態進行定時回傳遠航輪船的地理位置以及航運狀態信息，解決了地面緊急救援遇險遠航輪船過程中出現的地理位置定位不準確導致救援不及時等問題[2]。

1 在線監控系統總體設計

遠航輪船在線監控系統通過裝載在遠航輪船上的信號接收控制芯片實時遠程定位遠航輪船的地理位置信息、遠航輪船航度、遠航輪船的航向、遠航輪船遇險求救等信號，然后，信號采集電路板將采集到的遠航輪船作業狀態通過衛星無線通訊模塊發送到海洋專用通訊衛星[3]。最后，海洋專用通訊衛星將遠航輪船作業狀態信息傳輸到地面接收站。地面接收站可以根據采集到的輪船狀態數據信息通過網絡傳送給監控指揮中心，從而進行信號分析做出相應的指揮。該在線監控系統總體設計結構圖如圖1所示。

圖1 在線監控系統總體結構圖設計

2 在線監控系統硬件設計

2.1 在線監控硬件總體設計

在線監控系統硬件系統設計主要包括：核心控制模塊、GPS地理位置定位采集模塊、衛星無線通訊模塊和數據采集存儲模塊等，系統硬件總體設計結構圖如圖2所示。

圖2 在線監控系統硬件總體設計結構圖

ARM芯片STM42F372RC主要完成輪船狀態信息的加工處理以及A/D轉換控制。ARM處理器對收到的GPS地理位置定位信號分析處理后定時通過海洋專用衛星上傳至地面接收站。其中，GPS地理位置定位模塊采用MB87Q2040，該模塊可以實時更新GPS地理位置信息。衛星無線通訊模塊采用BGS67A模塊，該通訊模塊可以通過海洋專用通訊衛星與地面接收站之間進行24小時、大區域、高精度的全雙工信號傳送。為了能夠將遠航輪船的地理位置定位等信息長時間的保存下來，該系統使用大容量的EPPROM數據存儲來實現外部Flash數據存儲。

2.2 核心控制芯片模塊

在線監控系統主控制核心芯片采用的是ARM 9芯片STM42F372RC作為核心處理器。該芯片是64位、具備Cortex M4內核的高級處理器芯片，工作的最高頻率能夠到達108 MHz[4]。核心控制芯片STM42F372RC模塊作為在線監控系統的核心設計，主要完成工作內容包括：（1）采集遠航船舶的地理位置、航速航向等信號加以分析處理；（2）將處理后的船舶相關信號通過衛星無線通訊模塊回傳至海洋專用通訊衛星。GPS原始地理位置定位信息會實時傳遞至ARM芯片的串口緩沖區進行短暫儲存，ARM芯片對其確認完成后，通過控制芯片的串口將信號發送至衛星無線通訊模塊。遇險緊急求救信號是通過專屬一鍵呼救GPIO接口發送至ARM芯片，然后通過無線通訊BGS67A模塊將遇險求救信號通過衛星上傳至地面接收站，監控指揮中心根據求救信息以及GPS定位等信息快速做出相應的緊急救援處理。

2.3 GPS定位信息模塊

GPS定位信息模塊采用MB87Q2040芯片來實現輪船的地理位置定位與輪船速度數據采集。MB87Q2040芯片具有高靈敏度、高精度、低功耗和探測范圍廣的特點。MB87Q2040定位模塊實現的功能主要包括：（1）精準定位遠航船舶地理位置。（2）精準定位采集數據時間。GPS通過串口實現與ARM芯片消息回傳，GPS地理位置定位模塊的設計圖如圖3所示。

圖3 GPS定位模塊的設計圖

2.4 衛星無線通訊模塊

無線通訊數據傳輸技術是通過衛星通訊模塊BGS67A來實現的，BGS67A無線通訊模塊是基于海洋專用通訊衛星的高頻信號收發模塊[5]。BGS67A衛星無線通訊模塊以精準度高、靈敏性強的特點來實現快速數據收發的功能，其每一回合數據傳送字節數目可達8400字節，而每一回合的數據字節接收總量達到12000字節。

海洋專用衛星通信系統是由四部分組成，即空間段、網絡協調站、衛星地面站和衛星船站。BGS67A即為衛星船站。船舶發送的信號經衛星接收站處理后經專用路由器發送至地面信號接收站供監控指揮中心調度使用[6]。衛星無線通訊模塊BGS67A實現的無線通訊功能流程如圖4所示。

圖4 衛星無線通訊模塊BGS67A無線通訊功能流程

BGS67A為客戶提供了6個可設置的數/模信號轉換口、一路RESET 323串口和一路RSET 548串口方便客戶擴容使用。衛星無線通訊模塊BGS67A是利用中斷信號的方式去完成ARM芯片采用串口傳送信號的。ARM核心控制芯片對采集信號經過校驗確認無誤后，BGS67A模塊才能繼續進行信號傳送。BGS67A模塊接收到客戶發送的遠程信號命令后要通過串口將命令傳送至ARM核心控制芯片，然后ARM核心控制芯片利用特有的中斷信號功能去完成串口傳送信息的二次加工處理。經過信號的校驗確認無誤之后，才會繼續執行相應的下一個命令動作。

2.5 Flash數據存儲模塊

由于在線監控系統所涉及的軟件程序、船舶航行狀態數據比較龐大，因此系統對Flash存儲容量的需求比較高。在線監控系統在實現信號收發功能的過程中設計的數據儲存采用的是大容量的EPPROM數據存儲，EPPROM大容量存儲模塊存儲的內容在掉電狀況下不會消失，Flash數據存儲模塊上傳的定位數據包為60個字節，總共可以存儲78568條地理位置定位消息[6]。按照地理位置定位信息存儲頻率，EPPROM大容量存儲模塊總計可以儲存約20天的地理位置定位數據。

3 在線監控系統軟件設計

3.1 在線監控系統軟件整體設計

在線監控系統軟件設計主程序采用的是軟件設計結構模塊化處理，模塊化設計方式降低了程序設計的復雜度，使程序設計、調試和維護等操作簡單化[7]。在線監控系統的軟件模塊化設計內容主要包括四個模塊：（1）核心控制芯片主程序模塊設計；（2）GPS地理位置定位信號采集模塊設計；（3）衛星無線通訊軟件模塊設計；（4）在線監控系統的平臺軟件模塊設計。衛星無線通訊模塊是可以實現軟件的二次開發功能設計的，該部分的軟件設計可以進行獨立開發。在線監控系統的軟件功能設計整體流程圖如圖5所示。

圖5 軟件整體流程圖

3.2 STM42F372RC的啟動/串口使用流程

STM42F372RC芯片采用的是Cortex M4內核，在復位入口處可以直接執行啟動文件“STM42F372RC_start.s”。Cortex M4內核在執行復位指令動作后，會自動從開始地址的前32位字節中抽取復位接口中的中斷向量值，然后通過跳轉的方式去完成中斷復位動作的命令操作。STM42F372RC核心控制芯片的啟動過程主要包括：（1）初始化堆棧；（2）定義向量表；（3）轉移中斷向量表；（4）時鐘頻率設置；（5）初始化中斷寄存器；（6）進入 main（）主函數；（7）執行應用程序[8]。STM42F372RC芯片啟動的流程圖如圖6所示。

圖6 STM42F372RC啟動流程圖

STM42F372RC的串口使用流程主要包括7個過程：（1）外設時鐘的啟動；（2）NVIC信息的設置；（3）GPIO接口的信息設置；（4）串口信息的設置；（5）串口初始化處理；（6）中斷使能收發；（7）使能串口。STM42F372RC的串口使用流程如圖7所示。

圖7 STM42F372RC的串口使用流程圖

3.3 衛星無線通訊模塊設計

衛星無線通訊模塊的串口數據傳送值設置情況如下：數據位設置為14；檢驗位設置為“None”；STOP位設置為0；每秒傳送的比特值設置為12000 bps。衛星無線通訊模塊軟件設計部分采用的是Scheme語言。Scheme語言具有語法簡潔、遞歸效率高、可移植性好、靈活性強、啟動速度快、適合嵌入在其他程序里的特點，非常適合作為腳本語言和嵌入語言。它能滿足衛星無線通訊模塊軟件設計的靈活擴展性、私人化定制的需求。

3.4 監控平臺軟件設計

在線監控系統平臺軟件是遠航船舶與地面監控中心的客戶端軟件平臺。地面監控指揮中心可以利用監控平臺軟件實現動態觀察輪船的航行狀態，同時可以對輪船進行相應的操作管理。在線監控平臺軟件設計如圖8所示。

圖8 監控平臺軟件設計

在線監控系統平臺軟件設計的功能主要包括：（1）對輪船進行實時定位跟蹤；（2）監控遠航輪船航行狀態；（3）搜索觀察海洋地圖某處的具體地理信息；（4）實時監測海水的深度以及海洋天氣環境狀況；（5）實現船舶航行航向導航等功能。

4 系統測試

本文用6個觀測點作為觀測樣本進行驗證性觀測試驗，在線監控系統性能的評價條件包括地理位置定位是否精確、長時間的大容量數據回傳是否丟包兩項內容來檢測在線監控系統的性能。在進行測試試驗的過程中，在線監控系統在每個測試地點最少保證一個星期的連續數據觀測，同時還要檢測實時回傳數據是否準確與Flash存儲數據內容是否準確。現通過提取服務器接收到的觀測點1的數據為例子來驗證該在線監控系統的穩定性和可靠性，在線監控系統觀測點1測試圖如圖9所示。

圖9 在線監控系統觀測點1測試圖

從圖9中提取一條十六進制的數據：

16 122 CF C8F1 58 BC 30 01 01 01 01 01 01 01 01 01 01 5A A3 67 68 F1 36

對應的ASCII碼表示的數據如下：

16122CFC8F1FBC