李 輝 ，苑臣芒 ， 馬曉鑫

（1.安徽師范大學 物理與電子信息學院，安徽 蕪湖 241000；2.北華航天工業(yè)學院 電子系，河北 廊坊 065000）

目前我國很多地區(qū)，尤其是經(jīng)濟不發(fā)達地區(qū)采用的航標系統(tǒng)長期以來都是獨立分布的，不能與監(jiān)控管理中心實現(xiàn)信息交互，具體體現(xiàn)在航標被放置后，只能按既定流程運行，監(jiān)控管理中心無法對管區(qū)內(nèi)的每一部航標進行遠程狀態(tài)監(jiān)控和實時控制。為了檢查航標燈是否運轉(zhuǎn)正常，航道航標監(jiān)管部門必須定期派人去現(xiàn)場巡查。由于不能事先得知航標燈的運行情況，因此必須一一巡視，缺乏目的性，從而導(dǎo)致管理成本高昂，這一點在航標分布區(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，一旦航標燈漂移或毀壞，管理中心無法及時獲知并采取補救措施，這將會對該水域的航道運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、低成本的遠程智能航標監(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)計了一種智能化的遠程航標監(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)置航標燈的閃爍模式等工作參數(shù)；而航標終端可利用自身配備的GPS接收器Copernicus II測量位置與時間，并將燈的工作狀態(tài)與時間位置信息定時傳送給監(jiān)控中心,從而實現(xiàn)多臺航標終端的智能化管理。

試驗證明航標系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能夠?qū)^大范圍的航標終端實現(xiàn)低成本的智能監(jiān)控，擺脫了傳統(tǒng)人力檢測周期長、實時性差等缺點；同時由于利用了現(xiàn)有的GSM/GPRS無線網(wǎng)絡(luò)進行數(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

本航標燈的具體工作原理如下：主控MCU監(jiān)控LED燈的啟動與亮度,同時MCU通過GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)接收監(jiān)控中心的指令,設(shè)置航標燈的各項工作參數(shù)；另一方面，航標終端可利用自身配備的GPS接收模塊實時測量自身的位置與時間，并將燈的工作狀態(tài)與位置時間信息同樣利用GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)定時傳送給監(jiān)控中心。所以整個航標系統(tǒng)可以分為監(jiān)控、通信、GPS定位以及電源管理四個子系統(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；同時外設(shè)資源也十分豐富，除了一般單片機所共有的定時器/計數(shù)器等常用模塊之外，還集成了航標終端所需要的PWM、多路ADC和SPI接口，能夠以盡可能簡化的外圍電路滿足航標終端的設(shè)計要求[2]。

1.1 監(jiān)控模塊

航標燈的主要作用是為過往的船只提供航道指示，當太陽光的亮度下降到一定程度時，就需要開啟航標燈。因此監(jiān)控模塊的一個重要功能就是實時監(jiān)測太陽光的亮度。本航標系統(tǒng)直接利用Atmega128內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器對太陽能電池板的輸出電壓進行采集；當其輸出低于4 V的門限電平時，就認為光照已經(jīng)不足，需要開啟航標燈。

MCU通過專用驅(qū)動芯片MAX1698實現(xiàn)對LED航標燈的驅(qū)動和亮度控制。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LED航標燈提供足夠的電流驅(qū)動能力。第4腳ADJ上的控制電壓可以調(diào)節(jié)輸出電流，達到調(diào)節(jié)航標燈亮度的作用。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，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信號的脈寬，就可以實現(xiàn)對LED航標燈的多級亮度調(diào)節(jié)。

為了方便檢測人員在巡視時能夠快速地了解航標燈是否處于正常狀態(tài)，系統(tǒng)安裝了一個通用UHF收發(fā)模塊。檢測人員發(fā)出UHF檢測信號，燈上的接收器接收到此信號，生成一個test信號。MCU一旦檢測到此test信號，就控制航標燈按預(yù)定的模式閃爍，通知檢測人員此燈處于正常工作狀態(tài)；反之，燈無法正常閃爍，檢測人員由此得知系統(tǒng)工作不正常，需要進一步檢查。

1.2 通信模塊

通信模塊是航標燈系統(tǒng)的核心，承擔著遙測遙控與數(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，將航標內(nèi)置GPS接收器提供的時間位置數(shù)據(jù)與燈的工作狀態(tài)信息同樣利用GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)定時傳送給監(jiān)控中心。

本設(shè)計采用的通信模塊為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)，從而實現(xiàn)控制中心與航標終端的無線數(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 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，能夠在信號較微弱地區(qū)提供位置、速度和時間數(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。本航標燈系統(tǒng)采用NMEA協(xié)議，因為其具有與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實時采集鐵鋰電池的輸出電平VLi，當VLi≤4.8 V時啟動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的壽命,大大優(yōu)于傳統(tǒng)航標燈使用的鉛蓄電池。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

本航標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)先級的方式加以調(diào)度管理?；诤綐私K端的工作特點，優(yōu)先級的次序為：GSM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μC/OS操作系統(tǒng)平臺。μC/OS是一種免費公開源碼、結(jié)構(gòu)小巧、具有可剝奪實時內(nèi)核的實時操作系統(tǒng)，其內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度與管理、時間管理、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、實時性能優(yōu)良以及可擴展性強等優(yōu)點[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)的方式進行數(shù)據(jù)通信，此時芯片的GPRS功能處于關(guān)閉狀態(tài)以降低功耗,只有當監(jiān)控中心以GSM短信方式發(fā)出GPRS數(shù)傳指令時，Q24才啟動相應(yīng)的GPRS通信功能,接收監(jiān)控中心的控制指令,并定時上傳燈的工作狀態(tài)與時間位置信息[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)計了智能化的遠程航標監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控中心可以通過GSM短信或GPRS無線網(wǎng)絡(luò)控制航標燈的工作模式；而航標終端可利用相同的方式將自身的工作狀態(tài)與時間位置信息定時傳送給監(jiān)控中心，從而實現(xiàn)中心對多臺航標終端的智能化遠程管理。

相比于傳統(tǒng)的人工監(jiān)測航標終端，該系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：(1)克服了人力檢測周期長、實時性差以及間隔期間不可控等缺點；(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)利用太陽能電池對長壽命的鐵鋰電池進行及時的充電，保證了電源系統(tǒng)的長期安全可靠性。因此本航標系統(tǒng)具有良好的適用性與應(yīng)用推廣前景。

[1]曹建忠，羅飛.基于 GPRS/GPS/GIS的智能航標監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].計算機應(yīng)用研究，2006(11)：189-190.

[2]Atmel Company.Microcontroller with 128 KB in-system programmable flash[Z].2005.

[3]Maxim Company.High-efficiency step-up current regulator for LEDs[Z].2003.

[4]Wavecom Company.Wireless CPU Q24 series customer design guideline[z].2006.

[5]科聯(lián)電子科技有限公司.Q24模塊用戶硬件設(shè)計參考手冊[Z].2005.

[6]Trimble Company.Copernicus II GPS receiver reference manual[Z].2009.

[7]LABROSSE J.嵌入式實時操作系統(tǒng)UC/OS-II[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[8]陳劍鳴.基于GPRS/GPS/GIS的智能航標監(jiān)控系統(tǒng)[D].廣州：華南理工大學，2005.