摘  要： 在探討了航標(biāo)功能需求的基礎(chǔ)上，給出了有效的航標(biāo)遙控遙測(cè)終端軟硬件設(shè)計(jì)方案，著重闡述了SIM548C模塊與LPC2136的硬件連接及GPRS連接過(guò)程和GPS信息采集的軟件實(shí)現(xiàn)。結(jié)合GPS定位、GPRS通信及微控制器技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)航標(biāo)及終端狀態(tài)信息，并能遠(yuǎn)程設(shè)置航標(biāo)燈及終端的工作參數(shù)。
關(guān)鍵詞： 航標(biāo)遙控遙測(cè)終端；GPS；GPRS；LPC2136

　我國(guó)航道眾多，水運(yùn)發(fā)達(dá)，保證航運(yùn)安全的工作至關(guān)重要。航標(biāo)作為為水上活動(dòng)提供安全信息的設(shè)施，是保證航運(yùn)安全的重要裝置。對(duì)航標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行有效控制和準(zhǔn)確檢測(cè)，不僅能保證航標(biāo)裝置的正常工作，更能減少航運(yùn)事故發(fā)生率，確保航運(yùn)安全。
國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)航標(biāo)遙控遙測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了多年的研究[1-3]，也獲得了諸多成果，但是由于航標(biāo)工作環(huán)境的特殊性（潮濕、受撞擊率高、易受電磁干擾等），在系統(tǒng)穩(wěn)定性和定位精度等方面仍無(wú)法完全滿足實(shí)際需求[4-5]。本文通過(guò)分析航標(biāo)遙控遙測(cè)終端裝置的功能需求，給出了基于GPS、GPRS技術(shù)及LPC2136微控制器的終端設(shè)計(jì)方案，旨在設(shè)計(jì)出一個(gè)穩(wěn)定可靠的終端裝置，提升航標(biāo)遙控遙測(cè)系統(tǒng)的整體性能。實(shí)驗(yàn)證明，該終端裝置能穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和可觀的市場(chǎng)價(jià)值。
1 終端功能
　航標(biāo)包括岸標(biāo)和水上浮標(biāo)。岸標(biāo)由于位置固定而不需要進(jìn)行GPS定位，而浮標(biāo)則需要進(jìn)行GPS定位以測(cè)量其地理位置。本文針對(duì)浮標(biāo)的特點(diǎn)和功能，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：
?。?）航標(biāo)位置檢測(cè)。通過(guò)GPS模塊實(shí)現(xiàn)，確保航標(biāo)沒(méi)有偏離規(guī)定區(qū)域，以防引發(fā)安全事故。
?。?）電流檢測(cè)。蓄電池充放電電流以及LED燈工作電流的檢測(cè)。
?。?）電壓檢測(cè)。蓄電池充放電電壓、工作電壓及航標(biāo)燈工作電壓的檢測(cè)。
?。?）撞擊檢測(cè)。通過(guò)加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)撞擊量的檢測(cè)。航標(biāo)受到船只猛烈撞擊后，可能導(dǎo)致航標(biāo)及終端工作失常，應(yīng)及時(shí)報(bào)警，以便檢查維護(hù)。
?。?）終端與燈器的通信。實(shí)現(xiàn)終端對(duì)燈器燈質(zhì)的控制和狀態(tài)采集。
　（6）終端與服務(wù)器的通信。依據(jù)既定通信規(guī)約，當(dāng)服務(wù)器查詢到本地終端并要求其提供相應(yīng)狀態(tài)信息時(shí)，終端及時(shí)準(zhǔn)確地完成服務(wù)器要求。服務(wù)器未要求本地終端進(jìn)行相關(guān)操作時(shí)，本地終端應(yīng)能定時(shí)發(fā)送心跳信息，以告知服務(wù)器其在線狀態(tài)。
2 終端硬件設(shè)計(jì)
　依據(jù)航標(biāo)遙控遙測(cè)終端裝置的功能需求，設(shè)計(jì)的終端硬件如圖1所示。系統(tǒng)以LPC2136為主控制器，主要占用資源包括I2C接口、A/D轉(zhuǎn)換接口、UART接口、復(fù)位電路接口及部分GPIO口[6]。I2C接口掛接LIS302DL加速度計(jì)及FM24L256鐵電存儲(chǔ)芯片，分別用來(lái)采集終端撞擊數(shù)據(jù)和終端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。A/D轉(zhuǎn)換接口上包含專用電流檢測(cè)芯片MAX4071及分壓電阻。GPS、GPRS功能模塊SIM548C和RS485模塊MAX3072通過(guò)串口與微控制器相連，以進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)通信。

　整個(gè)系統(tǒng)由12 V蓄電池供電。除外接航標(biāo)燈器由12 V蓄電池直接供電外，終端上還需要4.5 V和3.3 V電源，本設(shè)計(jì)選用了LM2575和LM1117兩款降壓穩(wěn)壓芯片以滿足系統(tǒng)不同電壓需求。終端復(fù)位電路選用了MAX708S電源監(jiān)控芯片。系統(tǒng)電源電壓下降到一定值并達(dá)一定時(shí)間時(shí)，向單片機(jī)復(fù)位引腳發(fā)送復(fù)位信號(hào)，使得終端復(fù)位。
　當(dāng)服務(wù)器通過(guò)GPRS方式向終端發(fā)送遙控遙測(cè)命令時(shí)，終端將依據(jù)接收到的命令類型采集各類狀態(tài)信息或者設(shè)定工作模式，并將結(jié)果通過(guò)GPRS方式反饋到服務(wù)器端。整個(gè)終端裝置要實(shí)現(xiàn)的主要功能是終端與服務(wù)器的GPRS通信以及終端的GPS精確定位。
　選用GPS和GPRS二合一模塊SIM548C[7]，通過(guò)串口與LPC2136進(jìn)行通信。終端利用該模塊實(shí)現(xiàn)定位數(shù)據(jù)的采集及GPRS數(shù)據(jù)的通信。該模塊的GPS定位精度為10 m，若刷入支持DGPS的固件，精度能達(dá)到1~5 m，支持NMEA-0813協(xié)議；GPRS部分內(nèi)置TCP協(xié)議棧，降低了開發(fā)難度。模塊整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，便于布板和安裝。
　由于SIM548C模塊的GPRS部分含有1個(gè)正常工作用串口及1個(gè)調(diào)試用串口，并且GPS部分含有2個(gè)適合不同協(xié)議的串口，共4個(gè)串口，再加上與燈器連接的RS485接口也需占用1個(gè)串口資源，因此需要對(duì)微控制器的串口進(jìn)行擴(kuò)展。本系統(tǒng)中選用CD4052雙四選一多路選擇開關(guān)對(duì)LPC2136的串口1進(jìn)行擴(kuò)展。串口1正常情況下與SIM548C模塊支NMEA-0813協(xié)議[8]的串口相連，以便實(shí)時(shí)讀取GPS數(shù)據(jù)。微控制器的串口0直接與GPRS正常工作的串口相連，隨時(shí)偵聽來(lái)自服務(wù)器端的遙控遙測(cè)命令。若偵聽到燈器設(shè)定命令時(shí)，通過(guò)CD4052可將UART1口切換到RS485接口，實(shí)現(xiàn)終端與燈器的通信。如果是狀態(tài)信息采集命令，則直接進(jìn)行相應(yīng)狀態(tài)信息的采集，將采集數(shù)據(jù)打包并通過(guò)GPRS方式發(fā)送到服務(wù)器。SIM548C硬件連接電路如圖2所示。

　其中，阿拉伯?dāng)?shù)字依次代表UTC時(shí)間、定位狀態(tài)、緯度、緯度半球、經(jīng)度、經(jīng)度半球、地面速率、地面航向、UTC日期、磁偏角、磁偏角方向和模式指示等信息。各信息之間由逗號(hào)符分隔，并將逗號(hào)符作為標(biāo)識(shí)符，通過(guò)依次統(tǒng)計(jì)語(yǔ)句中的逗號(hào)符，可以提取到所需的時(shí)間和經(jīng)緯度信息。    
　服務(wù)器與終端以及終端與燈器之間的通信包括命令解析及數(shù)據(jù)打包，完全依據(jù)既定的航標(biāo)遙控系統(tǒng)通信規(guī)約。該規(guī)約規(guī)定了航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)中，航標(biāo)燈器（帶有標(biāo)準(zhǔn)RS485串口的智能燈器）與航標(biāo)遙控遙測(cè)終端RTU設(shè)備之間、終端與監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)（服務(wù)器）之間的數(shù)據(jù)傳輸幀格式、數(shù)據(jù)編碼及傳輸規(guī)則。
例如，終端裝置接收到一組GPS語(yǔ)句為：
“$GPGGA，042824.000，3150.3194，N，11722.3232，E，1，04，1.4，-56.2，M，0.7，M，，0000*71
$GPGSA，A，3，08，20，17，01，，，，，，，，，1.7，1.4，1.0*3D
$GPGSV，3，1，10，28，65，326，，01，55，038，22，20，41，120，42，11，36，047，*7A
$GPGSV，3，2，10，17，36，297，12，08，36，215，43，07，17，191，，19，06，077，18*76
$GPGSV，3，3，10，32，31，084，25，04，13，227，24*77
$GPRMC，042824.000，A，3150.3194，N，11722.3232，E，0.60，343.50，221011，，，A*6F
$GPVTG，343.50，T，，M，0.60，N，1.1，K，A*0A”
　首先將刪選出所需要的“$GPRMC，042824.000，A，3150.3194，N，11722.3232，E，0.60，343.50，221011，，，A*6F”這條語(yǔ)句。依據(jù)通信規(guī)約，這段數(shù)據(jù)將被打包成“042824N31503194E1172232322210111210”，除最后4位表示終端ID號(hào)外，其余均是從GPRMC語(yǔ)句中提取出來(lái)的時(shí)間及經(jīng)緯度信息。然后，通過(guò)GPRS方式將這段數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器端，服務(wù)器端將發(fā)送應(yīng)答幀到終端以表明數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功。
　航標(biāo)遙控遙測(cè)終端裝置集GPRS、GPS技術(shù)于一身，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)航標(biāo)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，減少了人力物力的重復(fù)投資，有效提高了航標(biāo)管理水平。本文簡(jiǎn)要闡述了航標(biāo)遙控遙測(cè)終端的功能需求，并提出了一種航標(biāo)遙控遙測(cè)終端硬軟件設(shè)計(jì)方案，著重對(duì)GPS和GPRS功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了介紹。終端實(shí)驗(yàn)板在實(shí)驗(yàn)室與遠(yuǎn)程服務(wù)器連接正常，通信穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)基本的遙控遙測(cè)功能，證明了本方案的可行性。
　后期的主要工作是進(jìn)一步提高終端工作穩(wěn)定性及定位精確度。例如可以在終端上加入光線傳感器，提升判別白天夜晚的靈敏度和準(zhǔn)確度；定位精確度雖然受到選取模塊精度的影響，但也可以通過(guò)提高終端后臺(tái)數(shù)據(jù)處理能力及改善終端工作方式加以提高。
參考文獻(xiàn)
[1] EL-MEDANY W M， ALOMARY A， AL-HAKIM R， et al. Implementation of GPRS-based positioning system using PIC microcontroller[C]. 2010 Second International Conference on Computational Intelligence， Communication Systems and Networks（CICSYN），2010：365-368.
[2] 鄭佳春.基于嵌入式LINUX的航標(biāo)遙測(cè)遙控終端的開發(fā)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2009（10）：98-100.
[3] 吳允平，蔡聲鎮(zhèn)，李汪彪，等.基于單片機(jī)的航標(biāo)終端系統(tǒng)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2006（8）：70-72，79.
[4] 李木.淺談航標(biāo)遙測(cè)系統(tǒng)存在的問(wèn)題[J].航測(cè)技術(shù)，2009（3）：12-14.
[5] 李鵬宇.淺議航標(biāo)遙測(cè)遙控現(xiàn)狀與發(fā)展[J].航測(cè)技術(shù)，2009（4）：24-26.
[6] 周立功，張華.深入淺出ARM7[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.
[7] Shanghai SIMCOM Wireless Solutions Ltd. SIM548C hardware design V1.01[Z]. 2008.
[8] National Marine Electronics Association. http：//www.nmea.org[2012-01-09].
[9] Shanghai SIMCOM Wireless Solutions Ltd. SIM548C AT commands set[Z]. 2008.