摘  要： 針對白洋淀濕地靜態(tài)監(jiān)測節(jié)點存在維護(hù)困難等問題，提出了一種采用無人船作為動態(tài)監(jiān)測節(jié)點的方法。應(yīng)用GPS技術(shù)和GPRS技術(shù)實現(xiàn)對無人船的定位監(jiān)控，系統(tǒng)主要分為船載單元和監(jiān)控中心兩大部分。船載單元采集、傳輸無人船定位信息以及接收上位機(jī)命令控制船體運(yùn)動。使用C#語言在Visual Studio2010環(huán)境下開發(fā)監(jiān)控中心軟件，監(jiān)控中心實現(xiàn)無人船在電子地圖中的定位顯示和船體控制命令的下發(fā)。實驗表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有使用方便、維護(hù)簡單等優(yōu)勢。

　　關(guān)鍵詞： 無人船；定位；電子地圖；遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

　　白洋淀濕地是華北地區(qū)溫帶濕地的典型代表，對改善華北地區(qū)生態(tài)環(huán)境起著非常重要的作用[1]。由于華北地區(qū)持續(xù)干旱及近年來淀區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增加，使白洋淀濕地生態(tài)系統(tǒng)正受到前所未有的壓力，因此在白洋淀濕地建立長期的監(jiān)測站點就顯得尤為重要。目前濕地生態(tài)監(jiān)測節(jié)點主要由靜態(tài)監(jiān)測節(jié)點組成，靜態(tài)節(jié)點覆蓋范圍小、維護(hù)困難，對于一些復(fù)雜水域很難利用靜態(tài)節(jié)點監(jiān)測。無人船可以在水上航行，因此可以利用無人船作為動態(tài)節(jié)點進(jìn)入該區(qū)域完成任務(wù)，無人船擴(kuò)大了濕地現(xiàn)場監(jiān)測范圍。系統(tǒng)主要對無人船遠(yuǎn)距離控制技術(shù)進(jìn)行研究，采用全球定位系統(tǒng)GPS（Global Positioning System）技術(shù)實現(xiàn)自主定位，為了更直觀地顯示無人船位置，引入了電子地圖進(jìn)行位置匹配[2]；監(jiān)控中心完成船體位置顯示和船體控制命令下發(fā)，真正實現(xiàn)了對無人船的遠(yuǎn)程控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

　　系統(tǒng)應(yīng)用GPS定位技術(shù)和GPRS無線通信技術(shù)實現(xiàn)對濕地?zé)o人船的遠(yuǎn)程監(jiān)控。無人船遠(yuǎn)程監(jiān)控包括遠(yuǎn)程監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制兩部分，遠(yuǎn)程監(jiān)測實現(xiàn)船體位置定位及實時顯示，遠(yuǎn)程控制則是遠(yuǎn)距離控制無人船運(yùn)動方向。

　　1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

　　無人船監(jiān)控系統(tǒng)主要由船載單元和監(jiān)控中心兩部分構(gòu)成。采用無線通信方式實現(xiàn)監(jiān)控中心和船載單元之間的數(shù)據(jù)通信，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

　　船載單元主要由GPS模塊、GPRS模塊、驅(qū)動模塊和微處理器組成，監(jiān)控中心由一臺可以聯(lián)網(wǎng)的計算機(jī)組成，船載單元利用GPRS模塊連入GPRS網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控中心連接Internet網(wǎng)絡(luò)，兩者之間采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行信息交換。

　　1.2 系統(tǒng)功能分析

　　無人船利用裝載的GPS模塊可以對船體進(jìn)行定位，微處理器將接收到的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，提取出位置信息并通過GPRS模塊發(fā)送到Internet服務(wù)器，監(jiān)控中心軟件通過添加電子地圖更直觀地顯示無人船位置，同時也可以利用SQL數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。監(jiān)控中心可以向船載單元下發(fā)控制指令，當(dāng)微處理器通過GPRS模塊接收到控制指令后將其解析為相應(yīng)控制字并寫入驅(qū)動模塊，然后驅(qū)動模塊根據(jù)控制字控制電機(jī)轉(zhuǎn)向，最終達(dá)到操控?zé)o人船運(yùn)動的目的。

2 船載單元設(shè)計

　　2.1 船載單元硬件搭建

　　船載單元硬件主要包括微處理器、GPS模塊、GPRS模塊和驅(qū)動模塊等。微處理器選擇STM32F103增強(qiáng)型系列，其內(nèi)核是ARM32位的Cortex-M3CPU，工作頻率最高可達(dá)72 MHz，同時配置128 KB閃存程序存儲器、最大64 KB SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器）、11個定時器、13個通信接口和2通道12位D/A轉(zhuǎn)換器，該增強(qiáng)型單片機(jī)具有功能強(qiáng)、能耗低、可靠性高等特點[3]。采用信號接收器G591作為GPS定位模塊，該模塊具備多徑探測和矯正功能，定位精度可達(dá)3 m，具有基準(zhǔn)時鐘范圍大、靈敏度高和抗干擾能力強(qiáng)等特點，因此很適合在濕地環(huán)境中應(yīng)用。采用GTM900無線通信模塊作為系統(tǒng)GPRS模塊，該模塊支持標(biāo)準(zhǔn)的AT指令集，同時配有豐富的頭文件資料。系統(tǒng)選擇L293D作為船載單元的電機(jī)驅(qū)動模塊，該模塊采用ST公司全新的L293D功率型雙向驅(qū)動芯片，具有易于安裝、穩(wěn)定性高、使用方便等特點。船載單元硬件連接方式如圖2。

　　G591模塊通過串口1向STM32發(fā)送無人船定位信息；GTM900模塊通過串口2與STM32芯片建立通信，GPRS模塊主要完成數(shù)據(jù)打包發(fā)送和接收功能；STM32芯片通過串口3和RS232連接，通過RS232接口與計算機(jī)連接實現(xiàn)程序下載；STM32通過I/O口向驅(qū)動模塊L293D發(fā)送控制字，驅(qū)動模塊根據(jù)控制字對電機(jī)轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制，從而達(dá)到操控?zé)o人船運(yùn)動的目的。

　　2.2 船載單元軟件設(shè)計

　　船載單元程序主要包括以下兩個部分：GPS定位數(shù)據(jù)向監(jiān)控中心的發(fā)送和船載單元接收上位機(jī)控制命令并執(zhí)行。其中船載單元與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)通信是通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)連接實現(xiàn)。

　　2.2.1 數(shù)據(jù)發(fā)送

　　船載單元程序需要對中斷、串口、I/O口進(jìn)行初始化，當(dāng)船載單元上電后，各個模塊開始工作，STM32微處理器控制程序開始初始化。首先需要建立無線通信，STM32利用GTM900模塊向控制中心建立的服務(wù)器申請網(wǎng)絡(luò)連接，建立TCP/IP連接；然后GPS模塊開始獲取位置信息，當(dāng)STM32監(jiān)聽到GPS數(shù)據(jù)到來時開串口1中斷，讀取GPS數(shù)據(jù)并提取出經(jīng)緯度信息；最后單片機(jī)通過串口2向GTM900發(fā)送數(shù)據(jù)并啟動GTM900模塊將數(shù)據(jù)打包通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送到監(jiān)控中心[4]。數(shù)據(jù)發(fā)送過程如圖3。

　　其中GPS數(shù)據(jù)遵從NMEA-0183協(xié)議，GPS數(shù)據(jù)有多種語句格式，本設(shè)計讀取GPRMC格式，其內(nèi)容格式為：$GPRMC，<UTC時間>，<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>，<模式指示>*hh。STM32芯片依據(jù)此協(xié)議格式提取出經(jīng)緯度信息?；具^程為：（1）STM32對讀取的語句進(jìn)行判斷，如果開頭是GPRMC則進(jìn)行第二步判斷，否則繼續(xù)監(jiān)聽；（2）判斷語句的定位信息段是否為‘A’，若是‘A’則表明GPS定位成功，信息有效；（3）提取出經(jīng)緯度信息[5]。

　　2.2.2 數(shù)據(jù)接收執(zhí)行

　　GTM900模塊通過TCP/IP協(xié)議接收來自控制中心的指令，當(dāng)GTM900接收到控制命令后，單片機(jī)利用AT指令集調(diào)用GPRS數(shù)據(jù)并開啟串口2中斷函數(shù)判斷收到的數(shù)據(jù)，如果是控制指令則STM32根據(jù)設(shè)置好的規(guī)則進(jìn)行指令解析并通過I/O口向L293D寫入控制字，L293D根據(jù)控制字驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)完成無人船的運(yùn)動控制。每個電機(jī)需要3個控制信號：EN1（EN2）、IN1（IN3）、IN2（IN4），EN1是電機(jī)1的使能位，EN1為1時電機(jī)1轉(zhuǎn)動，為0時電機(jī)1停止；IN1、IN2控制電機(jī)1的轉(zhuǎn)向，當(dāng)IN1、IN2分別為1、0時，電機(jī)1正轉(zhuǎn)；反之，電機(jī)1反轉(zhuǎn)。例如，L293D引腳IN1、IN2、IN3、IN4、EN1、EN2分別接STM芯片的P1.0~P1.5口，當(dāng)接收的數(shù)據(jù)是控制命令“左轉(zhuǎn)”時，即左側(cè)電機(jī)反轉(zhuǎn)、右側(cè)電機(jī)正轉(zhuǎn)才能完成無人船左轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此STM32芯片需要向P1.0~P1.5分別寫入0、1、1、0、1、1，然后驅(qū)動模塊根據(jù)此控制字完成電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)動，此過程就是船載單元命令接收執(zhí)行過程。

3 監(jiān)控中心軟件設(shè)計

　　監(jiān)控中心軟件采用C#編程語言在Visual Studio 2010環(huán)境下開發(fā)，并加載Arcgis的二次開發(fā)控件MapControl實現(xiàn)電子地圖嵌入。監(jiān)控中心主要實現(xiàn)無人船在電子地圖中的定位顯示和控制命令的下發(fā)。

　　3.1 電子地圖功能

　　電子地圖是顯示無人船位置的較好方式，這種方法更直觀、更容易讓人理解。首先由ArcMap編輯制作出設(shè)計需要的電子地圖圖表，然后使用C#語言在Visual Studio2010開發(fā)環(huán)境中設(shè)計監(jiān)控中心軟件，在監(jiān)控界面拖放二次開發(fā)控件MapControl和ToolbarControl，MapControl來顯示電子地圖，ToolbarControl用來作為電子地圖工具欄，可以直接通過屬性設(shè)置實現(xiàn)添加地圖、放大、縮小等功能。值得注意的是，MapControl控件必須同ToolbarControl控件綁定才可以實現(xiàn)地圖放大縮小等功能。ToolbarControl和MapControl屬于COM組件，一般不在Visual Studio的工具箱中直接顯示，但是可以通過右擊Visual Studio2010的工具箱進(jìn)行添加。

　　3.2 控制命令的下發(fā)

　　本文在Visual Studio2010開發(fā)環(huán)境中使用C#語言編寫控制命令。它同時具有Visual Basic的易用性以及C++的低級內(nèi)存訪問性[6]。當(dāng)上位機(jī)軟件的某個控制按鈕被按下時，該按鈕的Click（）事件隨即被觸發(fā)，控制中心將相應(yīng)的控制命令通過Socket建立的服務(wù)器使用TCP/IP協(xié)議發(fā)送到船載單元。在Visual Studio2010開發(fā)環(huán)境中Socket類被稱為“嵌套字”，是一種描述IP地址和端口號的通信語句。Visual Studio為每個服務(wù)項目分配一個Socket，并將其與端口號進(jìn)行綁定，根據(jù)端口號識別不同的服務(wù)項目。控制命令有“前進(jìn)”、“倒退”、“左轉(zhuǎn)”、“右轉(zhuǎn)”、“啟動”、“結(jié)束”等。

4 系統(tǒng)實驗

　　4.1 實驗過程

　　將船載單元安裝在小車中在河北大學(xué)新校區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場實驗，PC上安裝控制中心軟件，首先運(yùn)行監(jiān)控中心程序，程序開始時即建立Internet服務(wù)器并進(jìn)行監(jiān)聽；然后按下小車的開關(guān)按鈕，船載單元開始工作。當(dāng)船載單元和監(jiān)控中心建立TCP/IP連接之后，按下控制按鈕“啟動”接收GPS數(shù)據(jù)，其他控制按鈕可以實現(xiàn)對小車的運(yùn)動控制。

　　4.2 實驗結(jié)果

　　船載系統(tǒng)設(shè)置GPS的發(fā)送時間間隔為2 s，包括經(jīng)度、緯度和時間信息。小車的運(yùn)動方向可以通過控制按鈕進(jìn)行改變，表1為小車運(yùn)動的部分記錄。

　　通過實驗結(jié)果可知，系統(tǒng)實現(xiàn)了GPS數(shù)據(jù)傳輸、電子地圖實時顯示和船載單元運(yùn)動控制，基本達(dá)到了設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

　　本方案是基于GPS/GPRS的系統(tǒng)軟硬件設(shè)計方法，系統(tǒng)利用TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)了Internet網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，可以很好地完成無人船定位數(shù)據(jù)采集和傳輸，最后利用監(jiān)控中心的電子地圖進(jìn)行顯示。多次實驗表明，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和實用性。此外為了對濕地進(jìn)行更全面的環(huán)境監(jiān)測，還可以添加不同傳感器來完成任務(wù)，使無人船監(jiān)測功能更加豐富完善。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 溫志廣.建立白洋淀濕地自然保護(hù)區(qū)芻議[J].河北師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2003，27（5）：527-530.

　　[2] 崔峰，張明路，丁承君，等.基于GPS/GIS/GSM的移動機(jī)器人定位技術(shù)研究[J].微計算機(jī)信息，2005（11）：99-100.

　　[3] 卜峰，李傳江，李歡，等.基于GPS/GPRS的客車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機(jī)測量與控制，2014，22（1）：79-81.

　　[4] 張洋溢，王忠．基于ARM的GPS/GPRS多功能手持終端的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機(jī)測量與控制，2011，19（12）：50-53.

　　[5] 馬騰，楊宏業(yè).基于GPS/GPRS的車載監(jiān)控終端的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子測量技術(shù)，2009，32（4）：71-74.

　　[6] 陳文剛，宋述勇，韓啟華.用C#編程語言實現(xiàn)變電站GPS遠(yuǎn)程監(jiān)控的探討[J].山西電力，2013（5）：54-57.