岳陽轄區(qū)航標(biāo)遙觀系統(tǒng)研發(fā)

周彩

摘要：在線觀察航標(biāo)高清圖像，可以提高航標(biāo)維護效率。根據(jù)長江航道航標(biāo)維護管理工作特點與實際需求，提出了航標(biāo)遠程圖像視頻采集系統(tǒng)功能，設(shè)計了系統(tǒng)框架以及硬件結(jié)構(gòu)，分析了系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。系統(tǒng)設(shè)計方案有助于推動“互聯(lián)網(wǎng)+”在航道維護技術(shù)中的應(yīng)用，更好地發(fā)揮長江數(shù)字航道建設(shè)工程效用。

關(guān)鍵詞：內(nèi)河航道；浮標(biāo)；遙測遙控；遙控遙觀

中圖分類號：U61 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）2-0045-04

航標(biāo)遙測遙控終端系統(tǒng)是航道動態(tài)監(jiān)測平臺的前端信息采集與控制系統(tǒng)，集數(shù)據(jù)采集存儲、無線數(shù)據(jù)通信、位置參數(shù)采集、以及無線擴展等功能于一體的遙測遙控平臺，負責(zé)航標(biāo)位移、航標(biāo)燈狀態(tài)、航標(biāo)附屬設(shè)備狀態(tài)等工作情況的遠程監(jiān)測與控制，以及與航道動態(tài)監(jiān)測平臺數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)同步。岳陽轄區(qū)在夏季經(jīng)常出現(xiàn)水草堆積覆蓋航標(biāo)的情況，一線工作人員每日需要對有水草堆積的航標(biāo)進行卸草，還要對其余航標(biāo)進行巡視，工作強度較大，且部分航標(biāo)會存在碰損、盜失的現(xiàn)象，故對航標(biāo)的遙觀，進行遠程管理，能夠減少不必要的巡航業(yè)務(wù)，提升工作效率。本文將在航標(biāo)遙測遙控的基礎(chǔ)上，設(shè)計遙觀系統(tǒng)，摸索互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)在航標(biāo)維護管理中的應(yīng)用。

1 航標(biāo)遙觀系統(tǒng)功能設(shè)計分析

1.1 系統(tǒng)需求分析

航標(biāo)遙觀系統(tǒng)是基于航標(biāo)遙測終端的改進與提高，包括航道動態(tài)監(jiān)測平臺的前端信息采集與控制系統(tǒng)，集數(shù)據(jù)采集存儲、無線數(shù)據(jù)通信、位置參數(shù)采集、以及無線擴展等功能于一體的遙測遙控平臺，負責(zé)航標(biāo)位移、航標(biāo)燈狀態(tài)、航標(biāo)附屬設(shè)備狀態(tài)等工作情況的遠程監(jiān)測與控制，以及與航道動態(tài)監(jiān)測平臺數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)同步。

1.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)采用一體化設(shè)計。即航標(biāo)遙測監(jiān)控終端與太陽能一體化航標(biāo)燈進行高度集成，形成航標(biāo)燈、太陽能電池以及遙測監(jiān)控終端的一體化。

航標(biāo)遙測遙控終端系統(tǒng)各模塊高度集成，RTU設(shè)備以及燈器控制器與蓄電池固定在一個殼體內(nèi)部；航標(biāo)遙測遙控終端共用航標(biāo)燈的蓄電池和太陽能供電系統(tǒng)。RTU高度集成，采用衛(wèi)星定位/通信二合一天線，天線固定在燈罩下面，無需暴露在航標(biāo)燈外。太陽能充放電控制器集成在航標(biāo)燈器控制器上，提高了產(chǎn)品的集成度，簡化了安裝接線。

航標(biāo)遙觀系統(tǒng)由航標(biāo)遙測遙控終端RTU、航標(biāo)燈嵌入式控制器、供電系統(tǒng)、遙觀相機等構(gòu)成，見圖1。其中航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)如圖2所示由以下幾部分組成：電源模塊、ARM模塊、GPS定位模塊、4G通信模塊、加速度模塊、外擴flash模塊、電壓電流檢測模塊、狀態(tài)指示燈模塊、太陽能充電控制模塊、485數(shù)據(jù)通信接口、485燈器通信接口、網(wǎng)絡(luò)相機。另外還包含太陽能電池板、磷酸鐵鋰電池以及燈器板。

2 航標(biāo)遙觀系統(tǒng)設(shè)計

2.1岳陽航標(biāo)遙觀系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信

根據(jù)本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)情況，航標(biāo)遙測遙控終端RTU基于默認的物聯(lián)網(wǎng)的通用4G/3G/GPRS /GSM數(shù)據(jù)通道與航道動態(tài)監(jiān)測平臺進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)定時或主動報警等數(shù)據(jù)上報、遠程遙測遙控的功能。當(dāng)4G/3G/GPRS /GSM數(shù)據(jù)通信失敗時，自動采用SMS短信方式通信，終端離線后的喚醒方式為使用呼叫和短信喚醒。

2.1.1 4G/3G/GPRS /GSM通信模式

采用4G/3G/GPRS通信模式時，終端撥號到4G/3G/GPRS /GSMVPN網(wǎng)絡(luò)或公網(wǎng)，并向指定IP發(fā)起連接，連接成功后，向航道動態(tài)監(jiān)測平臺傳輸數(shù)據(jù)。航標(biāo)遙測遙控終端數(shù)據(jù)交換示意圖見圖2。

根據(jù)航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)的應(yīng)用特點，航標(biāo)遙測遙控終端RTU與航道動態(tài)監(jiān)測平臺間的通信可以選擇SMS、TCP或UDP等多種承載方式；在采用IP作為網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議時，可根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)通訊質(zhì)量采用TCP或UDP方式。網(wǎng)絡(luò)通訊質(zhì)量較好時，優(yōu)先選擇TCP/IP協(xié)議作為傳輸層協(xié)議。另外，航標(biāo)遙測遙控終端也具備接收和發(fā)送SMS通訊模式下的異步信息能力。

2.1.2 SMS通信方式

航標(biāo)遙測遙控終端RTU與航道動態(tài)監(jiān)測平臺間的數(shù)據(jù)交換格式和傳輸管理采用SMS兼容方式。當(dāng)GPRS、3G或4G網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常狀況而導(dǎo)致通信失敗時，航標(biāo)遙測遙控終端RTU可以自動切換，使用SMS短信方式通信，以保證數(shù)據(jù)在信號較差情況下仍可傳輸至航道動態(tài)監(jiān)測平臺。當(dāng)4G/3G/GPRS /GSM網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時終端RTU可自動從SMS短信方式切換回4G/3G/GPRS /GSM方式與航道動態(tài)監(jiān)測平臺進行數(shù)據(jù)交互。

本系統(tǒng)設(shè)計的數(shù)據(jù)通信模塊主要由通信管理、協(xié)議處理和通信監(jiān)測三個模塊組成。通信管理模塊主要負責(zé)所有與航道動態(tài)監(jiān)測平臺的業(yè)務(wù)交互流程。通信監(jiān)測模塊通負責(zé)監(jiān)測4G/3G/GPRS /GSM通信事件，自動進行相關(guān)通信方式的切換，并將通信情況上報給通信管理模塊。協(xié)議處理模塊負責(zé)解析報文并組幀相關(guān)應(yīng)答報文，同時處理數(shù)據(jù)信息后，按照數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)打包數(shù)據(jù)。

2.2 通信監(jiān)測模塊設(shè)計

航標(biāo)遙測遙控終端的通信暢通及穩(wěn)定性對整個遙測遙控系統(tǒng)來說至關(guān)重要，而長時間采用SMS短信方式其資費要遠高于4G/3G/GPRS /GSM方式，為確保通信穩(wěn)定和費用低廉二者的統(tǒng)一，在RTU終端軟件中設(shè)計了完善、穩(wěn)定的通信監(jiān)測模塊，負責(zé)4G/3G/GPRS、SMS通信的自動切換、終端離線后的呼叫和短信喚醒。

2.2.1 4G/3G/GPRS /GSM和短信自動切換

在采用4G/3G/GPRS方式通信時，通信監(jiān)測模塊根據(jù)終端RTU與航道監(jiān)測平臺之間的數(shù)據(jù)交互過程中的丟包率、數(shù)據(jù)包重發(fā)次數(shù)、心跳連接失敗次數(shù)、連接斷開時間等4G/3G/GPRS通信相關(guān)參數(shù)的統(tǒng)計情況，準(zhǔn)確判斷當(dāng)前4G/3G/GPRS網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)劣。當(dāng)以上參數(shù)出現(xiàn)異常并達到4G/3G/GPRS連接已斷開閾值時，通信監(jiān)測模塊主動將通信方式切換為SMS短信方式與監(jiān)測平臺保持數(shù)據(jù)通信。在使用SMS短信方式通信過程中，通信監(jiān)測模塊仍然定時嘗試發(fā)起4G/3G/GPRS連接，一旦嘗試采用4G/3G/GPRS重新穩(wěn)定連接成功并與航道監(jiān)測平臺服務(wù)器數(shù)據(jù)交互成功，則監(jiān)測模塊即控制終端RTU從短信方式切換回4G/3G/GPRS通信方式，在確保數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定性的前提下有效的節(jié)省通信費用。endprint

2.2.2 終端離線后的喚醒方式

終端離線后的喚醒方式為使用呼叫和短信喚醒。當(dāng)終端處于下線狀態(tài)，而終端服務(wù)通信平臺需要終端上線處理業(yè)務(wù)的時候，終端服務(wù)通信平臺下發(fā)遠程喚醒命令。遠程喚醒的一種方式是通過監(jiān)測平臺直接呼叫RTU的方式喚醒，還有一種是通過SMS承載下發(fā)遠程喚醒的命令。遠程喚醒命令為單向下行報文，承載報文為MANAGEMENT_TLV_REQ報文，報文內(nèi)含請求TLV組CTRL_TLV_GROUP。TLV組內(nèi)附遠程控制命令0x1007，命令碼為0x1強制登錄，實現(xiàn)流程圖如圖3。

2.3 數(shù)據(jù)交換協(xié)議實現(xiàn)

航標(biāo)遙測遙控終端RTU與航道動態(tài)監(jiān)測平臺間的數(shù)據(jù)交換完全遵循《長江航道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)技術(shù)要求》之“終端與數(shù)據(jù)平臺交換協(xié)議”，即《長江航道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)信息傳輸流程及格式技術(shù)要求》。本方案由通信管理模塊、協(xié)議處理模塊負責(zé)實現(xiàn)該協(xié)議。通信管理模塊負責(zé)所有與航道動態(tài)監(jiān)測平臺的業(yè)務(wù)交互。獨立通信管理模塊不僅是在軟件程序的邏輯設(shè)計上更加清晰、合理，更可以保證終端與數(shù)據(jù)平臺間高效、及時的數(shù)據(jù)響應(yīng)。

協(xié)議處理模塊負責(zé)解析報文，根據(jù)得到的命令類型代碼（如表1），組幀相關(guān)應(yīng)答報文。同時處理數(shù)據(jù)信息后，按照數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)打包數(shù)據(jù)。

2.4 數(shù)據(jù)交換通道設(shè)計

本系統(tǒng)從軟硬件方面保證多種2G/3G/4G無線模塊的兼容性設(shè)計，支持基于通用GSM、TD-SCDMA、WCDMA、TD-LTE、FDD-LTE的通信方式，同時可擴展Zigbee、AIS通信模塊。

硬件設(shè)計上采用支持GSM、TD-SCDMA，WCDMA、TD-LTE、FDD-LTE 等多種通信模塊管腳貼裝兼容的印制板設(shè)計，因此從硬件上兼容以上多種通信模塊的貼裝替換。對于不能兼容管腳封裝的模塊，可設(shè)計接口兼容的通信部件進行替換。程序軟件中具有多種模塊的底層驅(qū)動支持，應(yīng)用層采用透明傳輸設(shè)計，因此從應(yīng)用程序代碼上完全支持以上多種通信數(shù)據(jù)的處理。

2.5 可擴展性設(shè)計

航標(biāo)遙測遙控終端RTU可擴展Zigbee模塊，從而提供無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）接入方式。根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用的需求，既可以作為WSN網(wǎng)關(guān)接入其他無線傳感器節(jié)點，也可以作為節(jié)點，與WSN網(wǎng)關(guān)設(shè)備進行數(shù)據(jù)通信，作為一種補充的通信方式。本系統(tǒng)采用的Zigbee模塊為Jennic公司的JN5139。JN5139是一系列低功耗低成本無線微控制器，適用于IEEE802.15.4和ZigBee的軟件應(yīng)用。該模塊工作在2.4 GHz～2.5GHz頻段，發(fā)射功率為19dBm，接收靈敏度為-100dBm，同時該模塊還具備128位ABS加密的安全機制。

2.6 太陽能及供電系統(tǒng)設(shè)計

太陽能及供電系統(tǒng)為RTU的工作提供電力支持，RTU和航標(biāo)燈共用一套電源。RTU供電系統(tǒng)為RTU的日常工作提供電力支持，主要由3.2V/150AH片狀磷酸鐵鋰電池組（含電池管理電路）、6V/22W太陽能電池板（含保護裝置）組成供電系統(tǒng)。電源采用一體化方案，由一套電源系統(tǒng)為航標(biāo)燈、航標(biāo)遙測遙控終端進行供電。考慮到系統(tǒng)的高度集成，將充放電控制器、航標(biāo)燈器控制器內(nèi)置在RTU內(nèi)，從而簡化了設(shè)備間的連線。

通過低功耗設(shè)計達到節(jié)能、省電的要求，采用大容量小體積的3.2V/150AH片狀磷酸鐵鋰電池，可實現(xiàn)系統(tǒng)連續(xù)工作時間≥50天。

3 岳陽航標(biāo)遙觀系統(tǒng)實現(xiàn)與應(yīng)用

系統(tǒng)主要包括航標(biāo)遙觀燈和航標(biāo)遙觀控制系統(tǒng)兩部分組成，如圖4示，航標(biāo)終端安裝于航標(biāo)船上，其中一個攝像頭對航標(biāo)船前的纜繩進行監(jiān)控，攝像頭2對航標(biāo)終端進行監(jiān)控。航標(biāo)會每天定時拍攝航標(biāo)船的情況，遠程傳送至監(jiān)控室，操作人員也可以根據(jù)實際需要，遠程對航標(biāo)進行拍照觀察，也能直接觀看實時視頻，隨時掌握現(xiàn)場情況。

通過將航標(biāo)遙觀系統(tǒng)安裝到長江岳陽航道處示范應(yīng)用以來如圖5、圖6所示，明顯提高了其工作效率，減輕了巡航的工作強度，航標(biāo)的遙觀系統(tǒng)具有現(xiàn)實意義。

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