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法完全滿足實(shí)際需求[4-5],。本文通過分析航標(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：
　（1）航標(biāo)位置檢測(cè),。通過GPS模塊實(shí)現(xiàn),，確保航標(biāo)沒有偏離規(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),。
　（4）撞擊檢測(cè)。通過加速度計(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),。
　（5）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)句中提取出來的時(shí)間及經(jīng)緯度信息,。然后,，通過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。
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