基于北斗导航系统的航标遥控遥测单元设计

王万昭，王惠良，和志强

(1．河北经贸大学信息技术学院，河北石家庄 050061；2．河北经贸大学科研处，河北石家庄 050061)

基于北斗导航系统的航标遥控遥测单元设计

王万昭1，王惠良1，和志强2

(1．河北经贸大学信息技术学院，河北石家庄 050061；2．河北经贸大学科研处，河北石家庄 050061)

针对远离海岸线GPRS信号无法覆盖区域航标的遥控遥测需求，设计研发了基于北斗导航系统的航标遥控遥测单元，介绍了水文气象采集模块、航标状态监控模块、中央处理模块和数据通信模块的设计原理，实现了航标的智能化管理及海洋水文气象信息的感知。

航标；北斗导航系统；遥控遥测；感知

近年来随着中国海运经济的飞速发展，海上运输规模不断增大，航道安全的重要性日益凸显。目前，航道安全监测系统已在近海海域投入使用，可以实现港域航标的有效管理及航道附近水文气象信息的监测。这些监测系统多采用GPS(全球定位系统)和GPRS/GSM(通信分组无线服务/蜂窝无线通信)[1-3]技术实现对航标的精确定位及信息传输，但是受到GPRS信号覆盖范围小的限制，无法实现对远离陆地航标设施的遥控遥测。中国自主研发的北斗卫星导航系统不仅可以提供精确定位、导航和授时，还具有双向短报文通信功能[4]，可以实现GPRS信号覆盖不到区域的数据传输。基于北斗导航系统的航标遥控遥测单元的设计，可以有效丰富航道安全监测信息的传输途径，对于远离海岸航标的智能化管理和水文气象信息的采集及中国航海安全具有重要意义[5]。

1 总体设计

如图1所示，遥控遥测单元是航标的核心部件，可以实时采集水文气象信息和航标设施的各种电气参数，并传输至地面监测中心。它由水文气象采集模块、航标状态监控模块、中央处理模块和数据通信模块组成。其中，水文气象采集模块由多个传感器组成，可以实现对流速、流向、能见度等水文气象信息的实时采集。航标状态监控模块采集航标的各种电气参数，实现对航标器工作状态的监测。中央处理模块是遥控遥测单元的核心，完成对待发送数据的压缩编码和已接收数据的解压解码，并控制各模块协调工作。数据通信模块通过北斗卫星与地面监测中心进行数据交互，实现信息的传输[6-8]。

图1 航标结构图Fig.1 Structure of navigation mark

如图2所示，遥控遥测单元的水文气象采集模块采集航标附近海域的水文气象信息，进行A/D转换，并存储在SRAM中。航标状态监控模块采集航标设施的各种电气参数，进行数据编码，并存储在SRAM中；同时，接收中央处理模块控制命令，对航标灯的开启、关闭和亮度变化等进行控制。中央处理模块的CPU从SRAM中读取数据，对数据进行压缩编码后形成固定格式数据包，并发送至数据通信模块；同时，中央处理模块从数据通信模块接收数据包，对数据包进行解压解码后形成控制命令，并发送至航标状态监控模块。数据通信模块负责数据包的发送与接收，并产生精确的定位数据。

图2 遥控遥测单元总体设计Fig.2 Overall design of telecontrol and telemetry unit

2 详细设计

2.1水文气象采集模块

水文气象采集模块由水文信息采集设备、气象信息采集传感器和数据采集平台构成。其中，水文信息采集设备采用“阔龙”声学多普勒海流波浪测量仪。与同类型仪器相比，其测量数据更加精确，自主定义和多项选择测流层，可测量流速、流向、水温、水位等多项海流水文信息，为世界上大多数海洋环境监测部门选用。

气象采集传感器包括05106型号风速风向传感器、HMP45C温湿度传感器和SVS1能见度传感器，可以达到耐用、抗腐蚀、质量轻、安装方便、测量精确、能够自动获取数据的效果。气象采集传感器的控制端口与数据处理模块CPU的I/O口连接，接收中央处理模块的控制，将气象数据发送到SRAM的指定地址。

数据采集平台采用的是美国CAMPBELL公司生产的CR800。与同类型产品相比，CR800同时支持I/O口和RS232串口通信，适用温度范围更广，并且支持模数转换功能。CR800数据采集平台用来接收水文采集设备发送的数据，并通过串口与中央处理模块进行数据传输，经过A/D转换后，将数据送入SRAM中。

2.2航标状态监控模块

图3 航标状态监控模块设计Fig.3 Design of monitoring and controlling module of navigation mark

如图3所示，航标状态监控模块由参数采集电路、驱动控制电路、监控CPU和电源模块组成[9]。其中，参数采集电路采集航标灯的动态电压、动态电流、静态电压、静态电流和报警电压等工作参数，并将模拟信号转化为数字信号发送到监控CPU。监控CPU接收中央处理模块发来的控制命令，通过驱动电路，对航标灯和电源模块的各项控制参数进行设置，实现航标灯的开启、关闭、亮度变化的智能化控制；同时，监控CPU将参数采集电路采集的电气参数进行编码，并发送至中央处理模块。电源模块可以为各个模块提供需要的电压，同时接受驱动控制电路控制，实现遥控遥测单元的工作模式的切换。

监测控制模块具有单独的监控CPU，与中央处理模块的CPU并行工作。本设计通过编程实现2个CPU之间的双机通信。监控CPU与中央处理CPU都具有独立的时钟电路，因此本设计选用异步串行通信的方式，保证2个模块之间数据传输的成功率。2个CPU既是接收端也是发送端，约定第1位为起始位，中间8位为数据位，最后1位为校验位，每次传输1个字节。

2.3中央处理模块

中央处理模块是遥控遥测单元的核心部件，由CPU、外接存储器SRAM和UART串行通信接口等组成。其中，中央处理模块CPU的型号为STC89C52[10]，可以在线调试，具有64 KB内存，并支持存储扩展。并且，中央处理模块采用44.236 8 MHz有源晶振，CPU在进行串行通信时的最大波特率达到115 200 bit/s，可以满足数据通信模块所有的数据传输速度。

中央处理模块从外围模块依次获取水文气象数据、定位数据和航标灯状态数据,并存储在SRAM中。CPU对数据进行组合编码加密，形成固定格式的数据包，并通过串行通信接口发送到北斗通信模块。同时，中央处理模块通过北斗通信模块接收地面基站发送的指令数据包，并对数据包进行解压解密，然后转发给监测控制模块。中央处理模块的功能通过在STC89C52中编程实现，程序流程如图4所示。

图4 中央处理模块程序流程图Fig.4 Flowchart of core processing module

中央处理模块需要多个串行通信接口与外围控制模块进行数据交互，因此用CPU的普通I/O口模拟串行通信以满足需求。串行通信的传输格式如下：1位的起始位、8位数据位和1位的校验位，每次传输1个字节。程序采用计数中断的方式，通过中断计数和程序指令周期计算数据传输间隔时间，实现准确传输。发送字符程序如下：

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数据通信模块

数据通信模块由北斗1代RDSS模块和北斗2代通信组成。其设计要求是每次传输不大于150 KB的数据包，每100 s传输1次，定位精度在10 m以内，能够在-20～55 ℃温度内正常工作。

北斗1代RDSS模块具有导航定位和短报文通信功能，并支持本地串口进行参数配置，但是北斗1代RDSS模块的定位精度为100 m，不能满足设计需求。北斗2代GNSS模块不具备短报文通信功能，但是定位精度可以达到3 m，满足设计需求。因此，本设计联合采用北斗1代RDSS模块和北斗2代GNSS模块。并且，北斗1代RDSS模块每次可以发送120个汉字或420个BCD代码的信息量，通信间隔为60 s，通信成功率达到95%以上，串口的传输速率可以达到115 200 bit/s。选用的北斗2代GNSS模块型号为UM220，由和芯星通公司生产，支持BD2 B1和GPS L1两个频点。与同类型产品相比，它的温度和湿度适用范围更广，完全满足项目的需求。

数据通信模块的主要功能是接收中央处理模块的数据，并发送数据包到地面监测中心。同时，接收监控中心发来的控制信息，并将其转发给中央处理模块。通信内容和指令内容都采用ASCII码编码，以$为起始位，以校验位为结束标志，不同字符之间用“，”分隔，并以字符串的形式进行传输。通过编程实现数据自动拼接，自动形成数据通信指令，实现不同数据传输。对于接收的数据包，也可以很方便地解包，提取出其中的传输内容。发送命令的程序如下：

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]!='';i++)

{

send(table1[i]);

}

程序数组为授时指令单个字符的ASCII码，其中第1位为起始位，最后1位为校验位，以字节为单位发送至GNSS模块中，并返回时间信息。

3 结 语

基于北斗导航系统的航标遥控遥测单元在航标中的应用，实现了对远离海岸线航标的智能化管理和远海水文气象信息的感知，提高了船舶的安全保障。中国自主研发的北斗导航系统还处于发展阶段，各项功能也在不断完善，定位精度和短消息通信能力也在不断提高。因此，基于北斗导航系统的航标遥控遥测单元的应用也会越来越广泛。

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Design of telecontrol and telemetry unit of navigation mark based on Beidou navigation satellite system

WANG Wanzhao1, WANG Huiliang1, HE Zhiqiang2

(1．College of Information Technology, Hebei University of Economics and Business, Shijiazhuang Hebei 050061, China；2.Department of Scientific Research, Hebei University of Economics and Business, Shijiazhuang Hebei 050061, China)

In order to meet the demand of telecontrol and telemetry in area far away from the coastline and where the GPRS signal can not be covered, a telecontrol and telemetry unit based on Beidou navigation satellite system which is also called COMPASS is designed, and the hydrometeorological information collection module, monitoring and controlling module of navigation mark, core processing module and data communication module are described. The navigation mark can be managed intelligently while the marine hydro meteorological information is perceived.

navigation mark; Beidou navigation satellite system; remote control and telemetry; perceiving

1008-1534(2014)02-0156-04

2013-09-23;

2013-11-05

河北省科技支撑计划项目(13210310D)

王万昭(1988-)，男，河北河间人，硕士研究生，主要从事高速数据采集方面的研究。

和志强教授。E-mail：hzqqq@sina.com

TP391.8

A

10.7535/hbgykj.2014yx0214

责任编辑：张士莹

王万昭，王惠良，和志强.基于北斗导航系统的航标遥控遥测单元设计[J].河北工业科技，2014，31(2)：156-159.

WANG Wanzhao, WANG Huiliang, HE Zhiqiang.Design of telecontrol and telemetry unit of navigation mark based on Beidou navigation satellite system[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2014,31(2):156-159.