李巍

摘 要：開展內(nèi)河AIS航標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)研究，對于提高內(nèi)河航道航標(biāo)維護(hù)質(zhì)量和服務(wù)水平十分必要，而且十分緊迫。通過對新型智能航標(biāo)關(guān)鍵技術(shù)的深入研究，將有助于提高內(nèi)河航標(biāo)的信息化、智能化水平，加強(qiáng)數(shù)字航道的建設(shè)，進(jìn)而推動我國的內(nèi)河航運系統(tǒng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：嵌入式AIS 航標(biāo) 推廣應(yīng)用

AIS航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)是以計算機(jī)為基礎(chǔ)的實時在線監(jiān)控和管理的自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過采用先進(jìn)的傳感技術(shù)、通信技術(shù)、人工智能技術(shù)采集航標(biāo)的GPS、加速度、電源、工作狀態(tài)等多種信息，并根據(jù)航標(biāo)進(jìn)行實時的監(jiān)測，以實現(xiàn)航標(biāo)的詳細(xì)數(shù)據(jù)信息采集、遙測、遙控、參數(shù)調(diào)節(jié)、各類信號異常報警等各項功能，從而達(dá)到實時監(jiān)控、智能化的目的。

系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計分為3層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。包括：上層是RMCS航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)軟件；中間層是AIS/GPRS通信系統(tǒng)；下層是AIS航標(biāo)終端構(gòu)成。

1、上層：RMCS航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)軟件

上層RMCS航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)軟件是一個監(jiān)控中心，它連接到后臺的數(shù)據(jù)庫，監(jiān)控中心實時監(jiān)測遠(yuǎn)程端現(xiàn)場的工作狀態(tài)和參數(shù)。當(dāng)接收數(shù)據(jù)異常時，監(jiān)控中心把異常信息記錄于數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)異常數(shù)據(jù)生成處理決策，建議航標(biāo)管理部門采取怎樣的處理措施和方案。

2、中間層：AIS/GPRS通信系統(tǒng)

中間層AIS/GPRS通信系統(tǒng)主要用于監(jiān)控中心和航標(biāo)終端進(jìn)行通訊。通訊鏈路分為162.15MHz的AIS通訊和GPRS通訊。通訊方式有下行命令，包括廣播方式和遙測遙控命令下方方式；上行報告，包括事件觸發(fā)方式、突發(fā)傳輸方式、定時傳輸方式和廣播方式。

3、下層：AIS航標(biāo)終端

下層AIS航標(biāo)終端主要包括：GPS信息采集、航標(biāo)工作狀態(tài)信息采集、加速度信息采集、電池電壓采集和系統(tǒng)工作電流采集終端。RTU的主要作用是進(jìn)行采集航標(biāo)詳細(xì)數(shù)據(jù)及控制和監(jiān)控航標(biāo)的各項參數(shù)。AIS航標(biāo)終端作為系統(tǒng)中的一個遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊單元，可以獨立完成上傳航標(biāo)數(shù)據(jù)或響應(yīng)監(jiān)控中心的控制命令的任務(wù)。

技術(shù)分析

1、主控制電路

AIS航標(biāo)的航標(biāo)燈基本信息采集電路主芯片采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103ZET6工作頻率為高達(dá)72MHz，內(nèi)置高速存儲器（高達(dá)512K字節(jié)的閃存和64K字節(jié)的SRAM），豐富的增強(qiáng)I/O端口，并包含3個12位的ADC、4個通用16位定時器和2個PWM定時器， 2個I2C接口、3個SPI接口、1個SDIO接口、5個USART接口、一個USB接口和一個CAN接口。工作溫度-40℃至+85℃的溫度范圍，電壓2.0V至3.6V，并擁有一系列的省電模式保證低功耗應(yīng)用的要求，在外設(shè)不開、1Mhz工作頻率條件下工作電流僅0.4mA。

2、系統(tǒng)供電電路

電源設(shè)計上主要采用的是各模塊分立式供電，由于多功能航標(biāo)終端的電源穩(wěn)定性受燈器蓄電池、太陽能充電的影響，閃光燈的脈沖瞬間電流、太陽能充電時電壓的變化、通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時瞬間大電流都會給航標(biāo)終端的精密A/D測量帶來干擾，采用獨立式供電、大電容放電電路和電源濾波加上分時工作模式及其他保護(hù)電路的設(shè)計保證了多功能航標(biāo)終端具有較強(qiáng)的抗干擾性。

電源管理系統(tǒng)設(shè)計采用的是高效率低壓差的穩(wěn)壓電源LDO的方式來實現(xiàn)。LDO的電源芯片具有壓降低、動態(tài)性能好等優(yōu)點，為了把航標(biāo)燈的電池上4V～10V的電壓降到監(jiān)控系統(tǒng)所需要3.3V電壓的目的，在本次工程系統(tǒng)中采用的是由美國TI公司的TPS56065芯片組成電源電路，4V輸入電源的變換效率高達(dá)92%以上，同時還可以實現(xiàn)系統(tǒng)的寬供電，在本設(shè)計中，電壓的適應(yīng)范圍為4V～10V，可以適用于絕大多數(shù)工作電壓范圍的航標(biāo)燈。

3、RS485通信電路

本設(shè)計采用MAX3485來實現(xiàn)串口的TTL電平信號轉(zhuǎn)換成485差分信號。485總線通信電路圖如圖2所示。一般情況下，系統(tǒng)不需要增加RL終端電阻，只有在485通信距離超過300米的情況下，要在485通訊的開始端和結(jié)束端增加終端電阻。

4、EEPROM存儲器電路

EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory），電可擦可編程只讀存儲器，一種掉電后數(shù)據(jù)不丟失的存儲芯片。EEPROM可以擦除已有信息，重新編程。其與FLASH最大區(qū)別是FLASH按扇區(qū)操作，EEPROM則按字節(jié)操作，二者尋址方法不同，存儲單元的結(jié)構(gòu)也不同，F(xiàn)LASH適合用作程序存儲器，EEPROM則更多的用作非易失的數(shù)據(jù)存儲器。

為了系統(tǒng)保存需要掉電保存的系統(tǒng)程序參數(shù)，本設(shè)計采用1K字節(jié)8位數(shù)據(jù)寬度的STM24C08 EEPROM存儲器。該存儲器具有寬工作電壓1.8～5.5V、低功耗（1mA典型工作點流、1uA典型待機(jī)電路）、I2C總線接口（3.3V工作電壓下頻率400KHz）、可按字節(jié)讀寫、可按頁讀寫、硬件數(shù)據(jù)寫保護(hù)、寫周期（最大5ms）、自動遞增地址、ESD保護(hù)大于2.5kV、高可靠性（擦寫壽命100萬次、數(shù)據(jù)保持時間100年）等特點。STM24C02電路如圖3所示。

5、電流、電壓檢測電路設(shè)計

在本設(shè)計中，使用ZXCT1010芯片檢測電源的電流。ZXCT1010芯片測量精度高、價格低廉、功耗低、使用方便等優(yōu)點，因此，我們選用ZXCT1010作為電源管理的核心芯片。在航標(biāo)終端，中央處理單元實時監(jiān)控蓄電池的電量，當(dāng)電量不足時向監(jiān)控中心發(fā)出警報同時將系統(tǒng)的整體功耗降到最低，只開啟最基本的功能模塊。通過電阻分壓測量電池電壓，通過專用電流檢測芯片檢測電流，將電流值轉(zhuǎn)化為電壓值，再經(jīng)過單片機(jī)的ADC轉(zhuǎn)換，即可得出電池的電壓和電路的工作電流。檢測電路如圖4所示：

6、碰撞檢測電路設(shè)計

在本系統(tǒng)中，采用加速度傳感器檢測航標(biāo)是否碰撞。傳統(tǒng)的加速度傳感器一般為模擬輸出，用戶需要A/D采樣后，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。MMA7455L提供數(shù)字接口（I2C和SPI），用戶可直接讀取MMA7455L的寄存器得到輸出數(shù)字量，方便用戶的數(shù)據(jù)處理，在沒有A/D接口的MCU上照常使用?？偩€通訊可以使用MCU硬件單元，也可以使用IO模擬通訊，對MCU的支持更加廣泛。MMA7455L加速度模塊電路如圖5所示。

7、太陽能充放電管理電路設(shè)計

太陽能板充放電管理硬件上采用IRF7416、由555定時器和數(shù)字電位器X9313組成的PWM控制模塊來搭建的BUCK降壓電路；軟件上采用擾動觀察法實現(xiàn)MPPT太陽能充放電管理。充電時實現(xiàn)最大功率點跟蹤，提升充電效率，增強(qiáng)蓄電池對太陽能板的適應(yīng)性。過壓時，自動啟動斷開保護(hù)，并具有滑動濾波窗口避免頻繁開關(guān)擾動。

8、AIS發(fā)射機(jī)設(shè)計

AIS在第一層物理層采用了GMSK（高斯最小頻移鍵控）技術(shù)，它決定了發(fā)射和接收的誤碼率。進(jìn)而影響了AIS的實際發(fā)射成功率和預(yù)約成功率。在第二層鏈路層的數(shù)據(jù)鏈路服務(wù)層DLS中，使用了循環(huán)多余碼檢測編碼CRC技術(shù)以及高級數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議HDLC技術(shù)，而數(shù)據(jù)鏈管理實體LME中借鑒了TDMA技術(shù)，通過自組織時分多址協(xié)議SOTDMA進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈聯(lián)結(jié)。AIS采用的通信技術(shù)決定了它的相關(guān)通信參數(shù)，其中SOTDMA協(xié)議是其核心技術(shù)。而TDMA技術(shù)則是當(dāng)今通信技術(shù)的主流，該技術(shù)的頻帶利用率很高，抗干擾性強(qiáng)。

9、RMCS航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)軟件的設(shè)計

RMCS航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)對采集的數(shù)據(jù)的管理。 RMCS航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)軟件整體包括電子航道圖顯示管理系統(tǒng)、通信伺服系統(tǒng)、數(shù)據(jù)與系統(tǒng)管理系統(tǒng)和業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)等幾大模塊。同時，該系統(tǒng)軟件允許根據(jù)實際需要，添加或刪除相應(yīng)的子系統(tǒng)。RMCS系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)圖如下：

研究成果

該系統(tǒng)采用多種方法，在不同的開發(fā)階段對實施完成的航標(biāo)終端系統(tǒng)進(jìn)行了全面效果測試。不同階段測試包括：①功能、性能測試，主要包括功能測試、高溫測試、低溫測試、濕熱測試、浪涌測試、靜電測試等。②模擬測試，對系統(tǒng)集成AIS航標(biāo)終端、RMCS航標(biāo)遙測遙控軟件平臺聯(lián)調(diào)測試。③現(xiàn)場測試，測試系統(tǒng)長時間工作穩(wěn)定性、抗干擾能力和管理系統(tǒng)穩(wěn)定性。如圖7所示。

（作者單位：長江武漢航道局）

在本系統(tǒng)中，采用加速度傳感器檢測航標(biāo)是否碰撞。傳統(tǒng)的加速度傳感器一般為模擬輸出，用戶需要A/D采樣后，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。MMA7455L提供數(shù)字接口（I2C和SPI），用戶可直接讀取MMA7455L的寄存器得到輸出數(shù)字量，方便用戶的數(shù)據(jù)處理，在沒有A/D接口的MCU上照常使用。總線通訊可以使用MCU硬件單元，也可以使用IO模擬通訊，對MCU的支持更加廣泛。MMA7455L加速度模塊電路如圖5所示。

7、太陽能充放電管理電路設(shè)計

太陽能板充放電管理硬件上采用IRF7416、由555定時器和數(shù)字電位器X9313組成的PWM控制模塊來搭建的BUCK降壓電路；軟件上采用擾動觀察法實現(xiàn)MPPT太陽能充放電管理。充電時實現(xiàn)最大功率點跟蹤，提升充電效率，增強(qiáng)蓄電池對太陽能板的適應(yīng)性。過壓時，自動啟動斷開保護(hù)，并具有滑動濾波窗口避免頻繁開關(guān)擾動。

8、AIS發(fā)射機(jī)設(shè)計

AIS在第一層物理層采用了GMSK（高斯最小頻移鍵控）技術(shù)，它決定了發(fā)射和接收的誤碼率。進(jìn)而影響了AIS的實際發(fā)射成功率和預(yù)約成功率。在第二層鏈路層的數(shù)據(jù)鏈路服務(wù)層DLS中，使用了循環(huán)多余碼檢測編碼CRC技術(shù)以及高級數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議HDLC技術(shù)，而數(shù)據(jù)鏈管理實體LME中借鑒了TDMA技術(shù)，通過自組織時分多址協(xié)議SOTDMA進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈聯(lián)結(jié)。AIS采用的通信技術(shù)決定了它的相關(guān)通信參數(shù)，其中SOTDMA協(xié)議是其核心技術(shù)。而TDMA技術(shù)則是當(dāng)今通信技術(shù)的主流，該技術(shù)的頻帶利用率很高，抗干擾性強(qiáng)。

9、RMCS航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)軟件的設(shè)計

RMCS航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)對采集的數(shù)據(jù)的管理。 RMCS航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)軟件整體包括電子航道圖顯示管理系統(tǒng)、通信伺服系統(tǒng)、數(shù)據(jù)與系統(tǒng)管理系統(tǒng)和業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)等幾大模塊。同時，該系統(tǒng)軟件允許根據(jù)實際需要，添加或刪除相應(yīng)的子系統(tǒng)。RMCS系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)圖如下：

研究成果

該系統(tǒng)采用多種方法，在不同的開發(fā)階段對實施完成的航標(biāo)終端系統(tǒng)進(jìn)行了全面效果測試。不同階段測試包括：①功能、性能測試，主要包括功能測試、高溫測試、低溫測試、濕熱測試、浪涌測試、靜電測試等。②模擬測試，對系統(tǒng)集成AIS航標(biāo)終端、RMCS航標(biāo)遙測遙控軟件平臺聯(lián)調(diào)測試。③現(xiàn)場測試，測試系統(tǒng)長時間工作穩(wěn)定性、抗干擾能力和管理系統(tǒng)穩(wěn)定性。如圖7所示。

（作者單位：長江武漢航道局）

在本系統(tǒng)中，采用加速度傳感器檢測航標(biāo)是否碰撞。傳統(tǒng)的加速度傳感器一般為模擬輸出，用戶需要A/D采樣后，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。MMA7455L提供數(shù)字接口（I2C和SPI），用戶可直接讀取MMA7455L的寄存器得到輸出數(shù)字量，方便用戶的數(shù)據(jù)處理，在沒有A/D接口的MCU上照常使用?？偩€通訊可以使用MCU硬件單元，也可以使用IO模擬通訊，對MCU的支持更加廣泛。MMA7455L加速度模塊電路如圖5所示。

7、太陽能充放電管理電路設(shè)計

太陽能板充放電管理硬件上采用IRF7416、由555定時器和數(shù)字電位器X9313組成的PWM控制模塊來搭建的BUCK降壓電路；軟件上采用擾動觀察法實現(xiàn)MPPT太陽能充放電管理。充電時實現(xiàn)最大功率點跟蹤，提升充電效率，增強(qiáng)蓄電池對太陽能板的適應(yīng)性。過壓時，自動啟動斷開保護(hù)，并具有滑動濾波窗口避免頻繁開關(guān)擾動。

8、AIS發(fā)射機(jī)設(shè)計

AIS在第一層物理層采用了GMSK（高斯最小頻移鍵控）技術(shù)，它決定了發(fā)射和接收的誤碼率。進(jìn)而影響了AIS的實際發(fā)射成功率和預(yù)約成功率。在第二層鏈路層的數(shù)據(jù)鏈路服務(wù)層DLS中，使用了循環(huán)多余碼檢測編碼CRC技術(shù)以及高級數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議HDLC技術(shù)，而數(shù)據(jù)鏈管理實體LME中借鑒了TDMA技術(shù)，通過自組織時分多址協(xié)議SOTDMA進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈聯(lián)結(jié)。AIS采用的通信技術(shù)決定了它的相關(guān)通信參數(shù)，其中SOTDMA協(xié)議是其核心技術(shù)。而TDMA技術(shù)則是當(dāng)今通信技術(shù)的主流，該技術(shù)的頻帶利用率很高，抗干擾性強(qiáng)。

9、RMCS航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)軟件的設(shè)計

RMCS航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)對采集的數(shù)據(jù)的管理。 RMCS航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)軟件整體包括電子航道圖顯示管理系統(tǒng)、通信伺服系統(tǒng)、數(shù)據(jù)與系統(tǒng)管理系統(tǒng)和業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)等幾大模塊。同時，該系統(tǒng)軟件允許根據(jù)實際需要，添加或刪除相應(yīng)的子系統(tǒng)。RMCS系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)圖如下：

研究成果

該系統(tǒng)采用多種方法，在不同的開發(fā)階段對實施完成的航標(biāo)終端系統(tǒng)進(jìn)行了全面效果測試。不同階段測試包括：①功能、性能測試，主要包括功能測試、高溫測試、低溫測試、濕熱測試、浪涌測試、靜電測試等。②模擬測試，對系統(tǒng)集成AIS航標(biāo)終端、RMCS航標(biāo)遙測遙控軟件平臺聯(lián)調(diào)測試。③現(xiàn)場測試，測試系統(tǒng)長時間工作穩(wěn)定性、抗干擾能力和管理系統(tǒng)穩(wěn)定性。如圖7所示。

（作者單位：長江武漢航道局）