目前我國(guó)很多地區(qū),，尤其是經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)采用的航標(biāo)系統(tǒng)長(zhǎng)期以來都是獨(dú)立分布的，不能與監(jiān)控管理中心實(shí)現(xiàn)信息交互，具體體現(xiàn)在航標(biāo)被放置后,，只能按既定流程運(yùn)行,，監(jiān)控管理中心無法對(duì)管區(qū)內(nèi)的每一部航標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控和實(shí)時(shí)控制。為了檢查航標(biāo)燈是否運(yùn)轉(zhuǎn)正常,，航道航標(biāo)監(jiān)管部門必須定期派人去現(xiàn)場(chǎng)巡查,。由于不能事先得知航標(biāo)燈的運(yùn)行情況，因此必須一一巡視,，缺乏目的性,，從而導(dǎo)致管理成本高昂，這一點(diǎn)在航標(biāo)分布區(qū)域廣大,，交通惡劣的情況下顯得格外突出,。更重要的是，在兩次巡視之間,，一旦航標(biāo)燈漂移或毀壞，管理中心無法及時(shí)獲知并采取補(bǔ)救措施,，這將會(huì)對(duì)該水域的航道運(yùn)輸帶來極大的安全隱患,。

    GSM無線通信技術(shù)和嵌入式微處理器的不斷發(fā)展，以及GPS全球定位系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,，為高性能,、低成本的遠(yuǎn)程智能航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)[1]。
    本文利用8位AVR微處理器Atmega128與專用GSM/GPRS模塊Q24設(shè)計(jì)了一種智能化的遠(yuǎn)程航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng),。監(jiān)控管理中心可以通過GSM短信或GPRS無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送指令,，設(shè)置航標(biāo)燈的閃爍模式等工作參數(shù)；而航標(biāo)終端可利用自身配備的GPS接收器Copernicus II測(cè)量位置與時(shí)間,，并將燈的工作狀態(tài)與時(shí)間位置信息定時(shí)傳送給監(jiān)控中心,從而實(shí)現(xiàn)多臺(tái)航標(biāo)終端的智能化管理,。
     試驗(yàn)證明航標(biāo)系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能夠?qū)^大范圍的航標(biāo)終端實(shí)現(xiàn)低成本的智能監(jiān)控,，擺脫了傳統(tǒng)人力檢測(cè)周期長(zhǎng),、實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)；同時(shí)由于利用了現(xiàn)有的GSM/GPRS無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,，所以能夠以較低的輻射功率覆蓋很大的范圍,，因此具有良好的應(yīng)用前景。
1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    本航標(biāo)燈的具體工作原理如下：主控MCU監(jiān)控LED燈的啟動(dòng)與亮度,同時(shí)MCU通過GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)接收監(jiān)控中心的指令,設(shè)置航標(biāo)燈的各項(xiàng)工作參數(shù),；另一方面,，航標(biāo)終端可利用自身配備的GPS接收模塊實(shí)時(shí)測(cè)量自身的位置與時(shí)間，并將燈的工作狀態(tài)與位置時(shí)間信息同樣利用GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)定時(shí)傳送給監(jiān)控中心,。所以整個(gè)航標(biāo)系統(tǒng)可以分為監(jiān)控,、通信、GPS定位以及電源管理四個(gè)子系統(tǒng),，如圖1所示,。

    系統(tǒng)使用的主控單元為AVR 8 位微處理器Atmega128,。該MCU采用RISC結(jié)構(gòu)，擁有4 KB SRAM和128 KB可編程Flash,；同時(shí)外設(shè)資源也十分豐富,，除了一般單片機(jī)所共有的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等常用模塊之外，還集成了航標(biāo)終端所需要的PWM,、多路ADC和SPI接口,，能夠以盡可能簡(jiǎn)化的外圍電路滿足航標(biāo)終端的設(shè)計(jì)要求[2]。
1.1 監(jiān)控模塊
    航標(biāo)燈的主要作用是為過往的船只提供航道指示,，當(dāng)太陽光的亮度下降到一定程度時(shí),，就需要開啟航標(biāo)燈。因此監(jiān)控模塊的一個(gè)重要功能就是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)太陽光的亮度,。本航標(biāo)系統(tǒng)直接利用Atmega128內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)太陽能電池板的輸出電壓進(jìn)行采集,；當(dāng)其輸出低于4 V的門限電平時(shí)，就認(rèn)為光照已經(jīng)不足,，需要開啟航標(biāo)燈,。
    MCU通過專用驅(qū)動(dòng)芯片MAX1698實(shí)現(xiàn)對(duì)LED航標(biāo)燈的驅(qū)動(dòng)和亮度控制。具體電路如圖2所示[3],。

    MAX1698為高效率的直流升壓模塊,，可以為L(zhǎng)ED航標(biāo)燈提供足夠的電流驅(qū)動(dòng)能力。第4腳ADJ上的控制電壓可以調(diào)節(jié)輸出電流,，達(dá)到調(diào)節(jié)航標(biāo)燈亮度的作用,。這里使用的是PWM控制方式，即利用Atmega128內(nèi)部的PWM模塊產(chǎn)生脈沖寬度可控的PWM信號(hào),，經(jīng)過RC低通濾波后形成ADJ腳上的控制電壓,。這樣MCU只需通過程序設(shè)置PWM信號(hào)的脈寬，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)LED航標(biāo)燈的多級(jí)亮度調(diào)節(jié),。
        為了方便檢測(cè)人員在巡視時(shí)能夠快速地了解航標(biāo)燈是否處于正常狀態(tài),，系統(tǒng)安裝了一個(gè)通用UHF收發(fā)模塊。檢測(cè)人員發(fā)出UHF檢測(cè)信號(hào),，燈上的接收器接收到此信號(hào),，生成一個(gè)test信號(hào)。MCU一旦檢測(cè)到此test信號(hào),，就控制航標(biāo)燈按預(yù)定的模式閃爍,，通知檢測(cè)人員此燈處于正常工作狀態(tài)；反之,，燈無法正常閃爍,，檢測(cè)人員由此得知系統(tǒng)工作不正常，需要進(jìn)一步檢查。
1.2 通信模塊
　　通信模塊是航標(biāo)燈系統(tǒng)的核心,，承擔(dān)著遙測(cè)遙控與數(shù)據(jù)通信的重任,，即：通過GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)可靠地接收監(jiān)控中心的指令，供主控MCU分析使用,；另一方面,，將航標(biāo)內(nèi)置GPS接收器提供的時(shí)間位置數(shù)據(jù)與燈的工作狀態(tài)信息同樣利用GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)定時(shí)傳送給監(jiān)控中心。
    本設(shè)計(jì)采用的通信模塊為Wavecom公司的高性能無線CPU Q24,，可以兼容GSM與GPRS模式[4],。為了方便二次開發(fā)，Q24集成了SPI,、I2C,、串口、音頻等通用接口以及與SIM卡和天線的專用接口,，可以方便地與終端主控MCU建立數(shù)據(jù)傳輸,并且快捷地接入GSM/GPRS無線網(wǎng)絡(luò),，從而實(shí)現(xiàn)控制中心與航標(biāo)終端的無線數(shù)據(jù)傳輸功能，具體電路如圖3所示[5],。

1.3 GPS定位模塊
    GPS模塊采用美國(guó)Trimble公司的Copernicus II,，為一款超薄低功耗的GPS接收器。該模塊整合了GPS數(shù)據(jù)接收所需要的射頻前端和基帶處理系統(tǒng),，可以將GPS數(shù)據(jù)直接傳送給后端的處理器而無需過多的外部電路,。Copernicus II支持12通道接收能力,，能夠在信號(hào)較微弱地區(qū)提供位置,、速度和時(shí)間數(shù)據(jù)，水平定位精度優(yōu)于5 m,。
    模塊的輸出數(shù)據(jù)支持NMEA,、TSIP和TAIP三種協(xié)議。本航標(biāo)燈系統(tǒng)采用NMEA協(xié)議,，因?yàn)槠渚哂信c地圖軟件更好的接口能力,，具體的電路如圖4所示[6]。

1.4 電源管理
    為了保證航標(biāo)終端穩(wěn)定可靠地工作,，系統(tǒng)使用了太陽能電池+鐵鋰電池的電源管理方案,。MCU利用內(nèi)置的ADC實(shí)時(shí)采集鐵鋰電池的輸出電平VLi，當(dāng)VLi≤4.8 V時(shí)啟動(dòng)太陽能電池的充電功能,，以避免鐵鋰電池在低電壓工作狀態(tài)下發(fā)生損壞,。在這種管理模式下鐵鋰電池可以獲得更長(zhǎng)的壽命,大大優(yōu)于傳統(tǒng)航標(biāo)燈使用的鉛蓄電池。
2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    本航標(biāo)終端的軟件可以分為GSM/GPRS數(shù)據(jù)通信,、GPS數(shù)據(jù)上傳,、遙控檢測(cè)與電源管理模塊，如圖5所示。

    各程序模塊之間采用中斷優(yōu)先級(jí)的方式加以調(diào)度管理,?；诤綐?biāo)終端的工作特點(diǎn)，優(yōu)先級(jí)的次序?yàn)椋篏SM短信通信(或GPRS數(shù)據(jù)通信)>GPS數(shù)據(jù)通信>UHF遙檢>鐵鋰電池監(jiān)控>太陽能電池監(jiān)控,。
    所有這些任務(wù)模塊都是基于?滋C/OS操作系統(tǒng)平臺(tái),。?滋C/OS是一種免費(fèi)公開源碼、結(jié)構(gòu)小巧,、具有可剝奪實(shí)時(shí)內(nèi)核的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),，其內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度與管理、時(shí)間管理,、任務(wù)間同步與通信,、內(nèi)存管理和中斷服務(wù)等功能，最小內(nèi)核可編譯至2 KB,，尤其適合小型控制系統(tǒng),，具有執(zhí)行效率高、占用空間小,、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良以及可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[7],。
    無線CPU Q24在正常情況下與監(jiān)控中心通過GSM短信服務(wù)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，此時(shí)芯片的GPRS功能處于關(guān)閉狀態(tài)以降低功耗,只有當(dāng)監(jiān)控中心以GSM短信方式發(fā)出GPRS數(shù)傳指令時(shí),，Q24才啟動(dòng)相應(yīng)的GPRS通信功能,接收監(jiān)控中心的控制指令,并定時(shí)上傳燈的工作狀態(tài)與時(shí)間位置信息[8],。具體的程序流程如圖6所示。
    本文利用AVR MCU與專用GSM/GPRS模塊設(shè)計(jì)了智能化的遠(yuǎn)程航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng),，監(jiān)控中心可以通過GSM(上接第99頁)
短信或GPRS無線網(wǎng)絡(luò)控制航標(biāo)燈的工作模式,；而航標(biāo)終端可利用相同的方式將自身的工作狀態(tài)與時(shí)間位置信息定時(shí)傳送給監(jiān)控中心，從而實(shí)現(xiàn)中心對(duì)多臺(tái)航標(biāo)終端的智能化遠(yuǎn)程管理,。
        相比于傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)航標(biāo)終端,，該系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)克服了人力檢測(cè)周期長(zhǎng)、實(shí)時(shí)性差以及間隔期間不可控等缺點(diǎn),； (2)利用了現(xiàn)有的GSM/GPRS無線網(wǎng)絡(luò),，能夠以較低的輻射功率覆蓋很大的范圍；(3)利用太陽能電池對(duì)長(zhǎng)壽命的鐵鋰電池進(jìn)行及時(shí)的充電,，保證了電源系統(tǒng)的長(zhǎng)期安全可靠性,。因此本航標(biāo)系統(tǒng)具有良好的適用性與應(yīng)用推廣前景。
參考文獻(xiàn)
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