張尊續(xù)，劉春平，唐可贊

（1.深圳大學光電子所，深圳518060；2.深圳大學電子科學與技術(shù)學院；3.深圳市微納光子信息技術(shù)重點實驗室）

引 言

本文采用ARM芯片作為控制核心，設(shè)計了一款以GPS定位模塊與衛(wèi)星通信模塊為依托的遠洋船舶實時監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠按照用戶要求定時上傳遠洋船舶的位置信息以及航向信息，解決了傳統(tǒng)船舶定位和救援中出現(xiàn)的問題，保證了船舶動態(tài)監(jiān)測及時、準確、可靠［4]。同時該系統(tǒng)方便擴展其他功能，以便獲得更廣泛的應用。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

搭載在船舶上的專用電路板實時采集船舶的位置、速度、航向、SOS報警等信息。專用電路板將采集到的數(shù)據(jù)處理后，經(jīng)衛(wèi)星通信模塊發(fā)送至海事通信衛(wèi)星，通過海事衛(wèi)星將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娼邮照竟┙o用戶使用。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件總體設(shè)計

硬件系統(tǒng)采取模塊化設(shè)計，主要分為中央處理模塊、GPS定位模塊以及衛(wèi)星通信模塊等，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。數(shù)據(jù)的加工處理及輸入／輸出控制由ST公司的STM32F103VCT6處理器完成。處理器接收到GPS數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)處理并定時上傳加工后的定位數(shù)據(jù)至地面接收站。GPS定位模塊采用Globalsat公司的ET－314，通過該模塊實時更新GPS定位數(shù)據(jù)。衛(wèi)星通信模塊采用加拿大Skywave公司的IDP衛(wèi)星通信模塊，該模塊通過國際海事衛(wèi)星（Inmarsat）來實現(xiàn)與地面接收站之間的全天候、廣區(qū)域、高可靠性的雙向通信。為了備份長時間的定位數(shù)據(jù)，采用了SST公司的SST25VF016B芯片作為外部Flash來實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的功能。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 中央控制模塊

本系統(tǒng)采用STM32F103VCT6處理器作為主控制芯片。STM32F103VCT6是32位的具備Cortex－M3內(nèi)核的處理器，最高工作頻率可達72MHz。

中央控制模塊STM32F103VCT6作為本系統(tǒng)設(shè)計的核心部分，負責數(shù)據(jù)地采集、分析、加工以及安排數(shù)據(jù)上傳工作。GPS原始數(shù)據(jù)會實時傳遞至MCU的串口緩沖區(qū)。MCU驗證處理后，通過串口發(fā)送至衛(wèi)星通信模塊。SOS報警信息通過設(shè)定的GPIO口發(fā)送至MCU，通過衛(wèi)星通信模塊上傳至地面接收站。本模塊硬件原理圖略——編者注。

2.3 GPS定位模塊

定位模塊采用Globalsat公司的Globalsat ET－314芯片，來實現(xiàn)船舶的位置定位與速度采集。Globalsat ET－314模塊使用了SIRF III芯片，具備快速定位、定位精度高、啟動時間短以及探測范圍廣的優(yōu)點。使用Globalsat ET－314模塊實現(xiàn)功能如下：

①精確地采集到地理位置信息。Globalsat ET－314模塊定位的精確度為10m。

②精確地采集時間信息。Globalsat ET－314模塊采集到的時間與GPS時間保持1μs的同步關(guān)系［1]。

圖3 GPS定位示意圖

GPS定位的基本方法為空間距離后方交會，此方法需要知道衛(wèi)星瞬間位置。如圖3所示，假設(shè)t時刻在地面上的待測地點放置GPS信號接收機，測定出GPS信號到達此處接收機的時間為△t，根據(jù)其他已知條件確定以下4個方程式。其中已知衛(wèi)星1，衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4以及地面接收站的地理坐標分別為（x1，y1，z1）、（x2，y2，z2）、（x3，y3，z3）、（x4，y4，z4）、（x，y，z）；d1，d2，d3，d4為測量偽距；c為光速；dt為衛(wèi)星時鐘偏差；dT1，dT2，dT3，dT4為GPS的接收時鐘偏差項。

通過聯(lián)立這4個方程式，可以得到接收機的地理坐標。GPS定位模塊的原理圖如圖4所示，GPS通過串口與MCU獲得通信。

圖4 GPS模塊電路原理圖

2.4 衛(wèi)星通信模塊

衛(wèi)星通信模塊選用的是加拿大Skywave公司的衛(wèi)星通信模塊IDP。IDP的通信基于國際海事衛(wèi)星，通信全球覆蓋不受外界因素限制。IDP還具備傳輸數(shù)據(jù)能力強的優(yōu)點，其單次發(fā)送數(shù)據(jù)可達6 400字節(jié)，單次接收的數(shù)據(jù)量可達10 000字節(jié)［2]。IDP支持二次開發(fā)，方便用戶將IDP接入其他產(chǎn)品中使用。

國際海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)是世界上第一個全球性的移動業(yè)務衛(wèi)星通信系統(tǒng)。Inmarsat通信系統(tǒng)基本是由四部分組成，即空間段、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)站（Network Coordination Station）、衛(wèi)星地面站（Land Earth Station）和衛(wèi)星船站（Mobile Earth Station）。IDP680即為衛(wèi)星船站。發(fā)送信息經(jīng)衛(wèi)星地面站處理后經(jīng)專用網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)至用戶服務器供用戶分析使用。終端發(fā)起通信流程如圖5所示。

圖5 終端發(fā)起通信圖

IDP680為用戶提供了4個可配置I／O口以及1路RS232、1路RS458串口方便用戶集成使用。其接口定義圖略——編者注。

配置衛(wèi)星通信模塊使用中斷方式接收MCU通過串口傳輸過來的數(shù)據(jù)。校驗正確后，衛(wèi)星通信模塊執(zhí)行發(fā)送數(shù)據(jù)功能。用戶發(fā)送的遠程指令，衛(wèi)星通信模塊接收后通過串口傳輸至MCU，MCU使用中斷方式處理串口傳輸過來的數(shù)據(jù)。校驗正確后，執(zhí)行相應的命令動作。

2.5 數(shù)據(jù)存儲模塊

數(shù)據(jù)存儲采用了1片1M×16位的SST25VF016B芯片。上傳的定位數(shù)據(jù)包為27個字節(jié)，總共可以存儲（2×1 024×1 024）／27＝77 672條定位數(shù)據(jù)。按照每分鐘存儲一條定位數(shù)據(jù)的頻率，共計可以存儲77 672／（60×24）＝53天的定位數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件整體設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計完成之后，就要進行軟件的設(shè)計。對軟件同樣采用模塊化的設(shè)計思想。軟件方面主要包括了主程序模塊、GPS定位數(shù)據(jù)采集模塊以及無線通信模塊。衛(wèi)星通信模塊具備二次開發(fā)功能，還需對衛(wèi)星通信模塊進行專門的設(shè)計。系統(tǒng)軟件工作流程如圖6所示。

3.2 STM32F103VCT6的啟動／UART使用過程

STM32F103VCT6芯片采用了Cortex－M3內(nèi)核，并且ST公司提供的固件庫中包括了啟動文件“stm32f10x＿vector.s“［6]。Cortex－M3內(nèi)核復位后，會自動從起始地址的下一個32位空間取出復位中斷入口向量，跳轉(zhuǎn)執(zhí)行復位中斷服務程序。STM32F103VCT6的啟動主要包括初始化堆和棧、向量表的定義和轉(zhuǎn)移、初始化中斷寄存器以及跳轉(zhuǎn)進入main主函數(shù)幾個過程。流程如圖7所示。

STM32F103VCT6的串口使用主要包括啟動外設(shè)時鐘、配置NVIC、配置GPIO口、配置串口、初始化串口、使能收發(fā)中斷、使能串口幾個過程。流程如圖8所示。

3.3 衛(wèi)星通信模塊軟件設(shè)計

衛(wèi)星通信模塊的串口配置情況如下：波特率設(shè)置為9 600bps；數(shù)據(jù)位為8；校驗位設(shè)置為“None”；停止位為1。

衛(wèi)星模塊單獨采用Lua語言進行開發(fā)。Lua是一個小巧的腳本語言。該語言是針對嵌入式應用程序設(shè)計的，能為應用程序提供靈活的擴展和定制功能。Lua體積小、啟動速度快，從而適合嵌入在別的程序里［5]。

圖6 軟件整體流程圖

圖7 STM32F103VCT6啟動過程框圖

使用LUA語言開發(fā)的衛(wèi)星通信模塊部分源代碼略——編者注。

3.4 信息軟件平臺設(shè)計

圖8 STM32F103VCT6的UART使用框圖

CS監(jiān)控平臺是用戶設(shè)備與監(jiān)控中心的信息軟件平臺。監(jiān)控軟件平臺可以動態(tài)展現(xiàn)船舶的實時位置情況，同時可以對船舶進行管理。

CS軟件平臺主要起到如下作用：對船舶進行跟蹤定位，了解船舶的作業(yè)情況；查詢海圖某點處的具體地理情況，包括海水深度、潮高等；距離測算。

4 測試結(jié)果

本文用深圳市內(nèi)5個地點作為測試樣本進行驗證性測試實驗。用定位準確性、長時間回傳數(shù)據(jù)穩(wěn)定性來評價設(shè)計的性能。驗證時，讓本系統(tǒng)在每個地點至少工作1天以上。

同時檢測實時數(shù)據(jù)上傳的準確性與Flash當中存儲數(shù)據(jù)的準確性。現(xiàn)通過服務器接收到的地點1的部分定位數(shù)據(jù)作為例子說明定位的準確性，如圖9所示。

圖9 測試數(shù)據(jù)截圖

提取其中一條數(shù)據(jù)加以分析。十六進制的數(shù)據(jù)如下：15 18CE C9F1 46BD 60 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 4AA1 78 67F0 35。

對應的ASCII碼表示的數(shù)據(jù)如下：＼15＼18＼CE＼C9＼F1F＼BD｀＼00＼00＼00＼00＼00＼00＼00＼00＼00＼00J＼A1xg＼F05

按照協(xié)議，緯度為有符號整數(shù)，其用補碼表示，轉(zhuǎn)為十進制數(shù)值后除以60 000即得緯度數(shù)值。其中，正數(shù)表示北緯，負數(shù)表示南緯，轉(zhuǎn)換時注意符號位的存在。經(jīng)度為有符號整數(shù)，其用補碼表示，轉(zhuǎn)為十進制數(shù)值后除以60 000即得經(jīng)度數(shù)值。其中，正數(shù)表示東經(jīng)，負數(shù)表示西經(jīng)，轉(zhuǎn)換時注意符號位的存在。

本例中，緯度＝（146BD6）h／（60 000）d＝1 338 326／60 000＝22.30543°。經(jīng)度計算時，需取后面25個位（000011001111111000000110101）b＝6811701d，經(jīng)度＝6 811 701／60 000＝113.528 35°。經(jīng)分析知，此位置正是深圳市南山區(qū)馬家龍工業(yè)區(qū)測試地點1處，和實際地點的誤差在15m范圍之內(nèi)。經(jīng)分析5個地點的測試數(shù)據(jù)，都在誤差范圍之內(nèi)。

經(jīng)至少一周時間的測試，每個測試點的回傳數(shù)據(jù)穩(wěn)定且連續(xù)，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。證明了該系統(tǒng)的長時間工作穩(wěn)定性。

結(jié) 語

遠洋船舶監(jiān)控系統(tǒng)使航運界對遠洋船舶監(jiān)控的要求變成了現(xiàn)實，奠定了海洋信息化的基礎(chǔ)。系統(tǒng)研究成果將有力地促進我國航運業(yè)的科學技術(shù)進步，大大加快海洋運輸業(yè)的信息化進程。

系統(tǒng)實時在線監(jiān)控模式極大提升了對遠洋船隊的安全監(jiān)控與搜救能力，從而顯著降低了海難事故發(fā)生的幾率，減少了海難造成的損失；系統(tǒng)成果可推廣應用至船舶節(jié)能減排、海洋環(huán)保等方面，推動了航運業(yè)的可持續(xù)發(fā)展進程［7]。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

［1] GlobalSat Corporation.GPS Engine Board ET－314，2007.

［2] Skywave Corporation.IDP Terminal API Reference Guide，2012.

［3] STMicroeletronics Corporation.STM32F103Datasheet，2011.

［4] 趙麗寧，趙學俊，董曉勇.基于Inmarsat－C通信的船舶動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J] .世界海運，2003（6）.

［5] 萊魯薩利姆斯奇.Lua程序設(shè)計［M] .周惟迪，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［6] 杜春雷.ARM體系結(jié)構(gòu)與編程［M] .北京：清華大學出版社，2003：1－10.

［7] 鄭士君，褚建新，陳正杰，等.遠洋船舶在線監(jiān)控系統(tǒng)研究［C] .／／2008第四屆中國智能交通年會論文匯編，2008.