摘  要： 針對白洋淀濕地靜態(tài)監(jiān)測節(jié)點存在維護困難等問題,，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命令控制船體運動,。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)運行穩(wěn)定可靠,，具有使用方便、維護簡單等優(yōu)勢,。

　　關(guān)鍵詞： 無人船,；定位；電子地圖,；遠程監(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、維護困難,，對于一些復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)點進入該區(qū)域完成任務,，無人船擴大了濕地現(xiàn)場監(jiān)測范圍,。系統(tǒng)主要對無人船遠距離控制技術(shù)進行研究，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)了對無人船的遠程控制,。

1 系統(tǒng)總體設計方案

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

　　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)的計算機組成,，船載單元利用GPRS模塊連入GPRS網(wǎng)絡,，監(jiān)控中心連接Internet網(wǎng)絡,，兩者之間采用TCP/IP協(xié)議進行信息交換。

　　1.2 系統(tǒng)功能分析

　　無人船利用裝載的GPS模塊可以對船體進行定位,，微處理器將接收到的GPS數(shù)據(jù)進行解析,，提取出位置信息并通過GPRS模塊發(fā)送到Internet服務器，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)進行存儲,。監(jiān)控中心可以向船載單元下發(fā)控制指令，當微處理器通過GPRS模塊接收到控制指令后將其解析為相應控制字并寫入驅(qū)動模塊,，然后驅(qū)動模塊根據(jù)控制字控制電機轉(zhuǎn)向,，最終達到操控無人船運動的目的。

2 船載單元設計

　　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增強型系列,，其內(nèi)核是ARM32位的Cortex-M3CPU,，工作頻率最高可達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,，該增強型單片機具有功能強,、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3 m,，具有基準時鐘范圍大,、靈敏度高和抗干擾能力強等特點，因此很適合在濕地環(huán)境中應用,。采用GTM900無線通信模塊作為系統(tǒng)GPRS模塊,，該模塊支持標準的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)控制字對電機轉(zhuǎn)向進行控制,，從而達到操控無人船運動的目的。

　　2.2 船載單元軟件設計

　　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)絡和Internet網(wǎng)絡連接實現(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口進行初始化,，當船載單元上電后，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器申請網(wǎng)絡連接,，建立TCP/IP連接,；然后GPS模塊開始獲取位置信息，當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,。基本過程為：（1）STM32對讀取的語句進行判斷,，如果開頭是GPRMC則進行第二步判斷,，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GTM900接收到控制命令后，單片機利用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)設置好的規(guī)則進行指令解析并通過I/O口向L293D寫入控制字,，L293D根據(jù)控制字驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)完成無人船的運動控制。每個電機需要3個控制信號：EN1（EN2）,、IN1（IN3）,、IN2（IN4），EN1是電機1的使能位,，EN1為1時電機1轉(zhuǎn)動,，為0時電機1停止；IN1,、IN2控制電機1的轉(zhuǎn)向,，當IN1、IN2分別為1,、0時,，電機1正轉(zhuǎn)；反之,，電機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，當接收的數(shù)據(jù)是控制命令“左轉(zhuǎn)”時,，即左側(cè)電機反轉(zhuǎn),、右側(cè)電機正轉(zhuǎn)才能完成無人船左轉(zhuǎn)運動，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)此控制字完成電機的正反轉(zhuǎn)運動，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],。當上位機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),，控制中心將相應的控制命令通過Socket建立的服務器使用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為每個服務項目分配一個Socket,，并將其與端口號進行綁定，根據(jù)端口號識別不同的服務項目,?？刂泼钣小扒斑M”、“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新校區(qū)進行現(xiàn)場實驗,，PC上安裝控制中心軟件，首先運行監(jiān)控中心程序,，程序開始時即建立Internet服務器并進行監(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)對小車的運動控制,。

　　4.2 實驗結(jié)果

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

　　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動控制，基本達到了設計要求,。

5 結(jié)束語

　　本方案是基于GPS/GPRS的系統(tǒng)軟硬件設計方法,，系統(tǒng)利用TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)了Internet網(wǎng)絡與GPRS網(wǎng)絡的互聯(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，使無人船監(jiān)測功能更加豐富完善,。

　　參考文獻

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