沈　光,馮輝強(qiáng),田增山,楊進(jìn)超

(1.寧波市海洋與漁業(yè)信息監(jiān)測(cè)中心,浙江 寧波 315000；

2.重慶郵電大學(xué)重慶郵電大學(xué)移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400065)

基于多網(wǎng)絡(luò)融合的船舶尋跡和導(dǎo)航終端開(kāi)發(fā)

沈光1,馮輝強(qiáng)1,田增山2,楊進(jìn)超2

(1.寧波市海洋與漁業(yè)信息監(jiān)測(cè)中心,浙江 寧波 315000；

2.重慶郵電大學(xué)重慶郵電大學(xué)移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400065)

摘要：隨著船舶營(yíng)運(yùn)和作業(yè)范圍的越來(lái)越大,自然環(huán)境和國(guó)際環(huán)境的變化,船舶面臨的風(fēng)險(xiǎn)逐年升高,對(duì)船舶尋跡和導(dǎo)航系統(tǒng)越來(lái)越迫切。針對(duì)船舶營(yíng)運(yùn)的特性及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)特性,設(shè)計(jì)了北斗短信/移動(dòng)蜂窩網(wǎng)/Zigbee多網(wǎng)融合的船舶尋跡和導(dǎo)航終端,對(duì)終端進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā),測(cè)試驗(yàn)證該終端可以有效保證對(duì)船舶的定位和導(dǎo)航。

關(guān)鍵詞：多網(wǎng)絡(luò)融合;船舶尋跡;北斗定位;北斗短信

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.02.017

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：： A

文章編號(hào)：： 1008-9268(2015)02-0076-05

收稿日期：2015-02-10

作者簡(jiǎn)介

Abstract:With the development of ships operation and its growing working range, variation of natural and international environment, ships are faced with increasing risks year by year and the demands for ships trailing and navigation are becoming urgent. Aiming at the characteristics of ships operation and its wireless network property, this paper designed a terminal of ships trailing and navigation based on multi network fusion including Beidou messages/mobile cellular/Zigbee, designed and developed the terminal and ensured the localization and navigation of ships after test.

0引言

隨著船舶營(yíng)運(yùn)和作業(yè)范圍的越來(lái)越大,自然環(huán)境和國(guó)際環(huán)境的變化,船舶面臨的風(fēng)險(xiǎn)逐年升高,國(guó)際海事組織和國(guó)內(nèi)船舶監(jiān)管部門(mén)對(duì)船舶航行安全性的日益重視,船舶駕駛者對(duì)船舶電子產(chǎn)品高性?xún)r(jià)比、高可靠性的要求逐步提高,監(jiān)管部門(mén)對(duì)船舶的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、貨物情況、安全形勢(shì)的監(jiān)控需求越來(lái)越迫切,船舶電子產(chǎn)品技術(shù)正朝著數(shù)字化、自動(dòng)化、集成化、智能化和綜合化的方向發(fā)展。

20世紀(jì)70年代,國(guó)外海上自動(dòng)航行系統(tǒng),即初期的綜合船橋系統(tǒng)(IBS)因適應(yīng)這種用戶(hù)要求而問(wèn)世。目前,世界上先進(jìn)國(guó)家已研制推出第3代、第4代不同類(lèi)型的綜合船橋系統(tǒng)(IBS)[1],應(yīng)用計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代控制、信息處理等現(xiàn)代技術(shù),將船上的各種導(dǎo)航、操作控制和雷達(dá)避碰等設(shè)備有機(jī)地組合起來(lái),對(duì)導(dǎo)航、駕駛、機(jī)動(dòng)航行、航行管理、航線(xiàn)計(jì)劃、避讓、輪機(jī)監(jiān)控、自動(dòng)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)報(bào)警等功能實(shí)施控制,以最少的人力、最低的燃料消耗,實(shí)現(xiàn)船舶自動(dòng)化航行;而隨著3G技術(shù)的發(fā)展,基于CDMA/GPS/GIS的船舶航行監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)逐步成為船舶尋跡和導(dǎo)航終端發(fā)展的潮流[2]。

最原始的船舶定位手段是天文定位[3],但定位精度非常低而且受氣候與天氣影響大。無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航[4]的出現(xiàn)給船員提供了新的導(dǎo)航工具,但是無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航依賴(lài)陸基導(dǎo)航臺(tái)提供導(dǎo)航服務(wù),所以覆蓋區(qū)域受限并且容易受各種電磁干擾。北斗定位系統(tǒng)作為我國(guó)自主研發(fā)的全球定位系統(tǒng),能夠在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類(lèi)用戶(hù)提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)。ZigBee技術(shù)[5]是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù),主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。

GPRS網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)交換的承載網(wǎng)絡(luò),廣泛應(yīng)用于日常生活中,而在諸如大海的特殊環(huán)境,GPRS網(wǎng)絡(luò)難以維持與基站的連接,需要應(yīng)用北斗短信模塊[6]進(jìn)行信息交換。針對(duì)船舶營(yíng)運(yùn)的特性及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)特性,充分結(jié)合了北斗模塊和Zigbee網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),采用靈活的模式切換策略和自動(dòng)頻率發(fā)送策略,設(shè)計(jì)北斗短信/移動(dòng)蜂窩網(wǎng)/Zigbee多網(wǎng)融合的船舶尋跡和導(dǎo)航終端,本系統(tǒng)分為三個(gè)部分:傳感器、智能終端、控制中心,其中智能終端是該系統(tǒng)的核心部分,終端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器的狀態(tài),并把結(jié)果通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)、北斗短信遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)傳送給控制中心,一旦有險(xiǎn)情發(fā)生,控制中心能快速啟動(dòng)應(yīng)急救援方案,最大程度減少災(zāi)害帶來(lái)的損失。

資助項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):61301126); 重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：cstc2013j；cyjA40041); 重慶郵電大學(xué)博士啟動(dòng)基金(編號(hào)：A2012-33)

聯(lián)系人： 楊進(jìn)超 E-mail: yangjinchao111@yeah.net

1系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

該終端主要由以下六大模塊構(gòu)成:Zigbee模塊、北斗二代模塊、北斗一代模塊、GPRS通信模塊、主控制器模塊和電源模塊,系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1　船舶尋跡和導(dǎo)航終端的整體架構(gòu)

1.1　ZigBee模塊

Zigbee模塊主要用于短距離無(wú)線(xiàn)通信,且傳輸速率高,易于組網(wǎng),該終端中使用的ZigBee模塊主要是獲取臨近船只的定位信息,把附近船只的位置信息打包集中發(fā)送到控制中心,節(jié)省費(fèi)用。

1.2　北斗二代模塊

該模塊主要用于船舶的定位及導(dǎo)航,北斗二代定位系統(tǒng)是我國(guó)獨(dú)立研發(fā)的全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng),且該系統(tǒng)使用無(wú)源定位,輸出NMEA0183格式數(shù)據(jù),模塊硬件體積小,可以有效的節(jié)省電路板的空間。

1.3　北斗一代模塊

北斗一代的主要優(yōu)勢(shì)是能夠?qū)崿F(xiàn)短報(bào)文通信功能,由于船只在海上航行,無(wú)法使用移動(dòng)蜂窩網(wǎng)系統(tǒng),這時(shí)北斗一代可以有效的實(shí)現(xiàn)海洋和陸地之間的通信,對(duì)構(gòu)建船舶導(dǎo)航系統(tǒng)架起了一座橋梁。

1.4　GPRS模塊

該終端的GPRS模塊主要是實(shí)現(xiàn)陸上基站與控制中心之間的通信功能,陸地蜂窩網(wǎng)移動(dòng)通信系統(tǒng)覆蓋面廣,通信可靠性高,傳輸速率高,且不受位置因素的影響,通過(guò)GPRS模塊,控制中心可以有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶定位信息的獲取。

1.5　主控制器模塊

主控制器模塊是該系統(tǒng)的“大腦”,負(fù)責(zé)系統(tǒng)的整體運(yùn)行。主控制器的主要作用有:

1) 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接收,主控制器接收Z(yǔ)igBee、北斗二代發(fā)來(lái)的位置信息,經(jīng)數(shù)據(jù)處理后發(fā)送至北斗一代模塊;

2) 對(duì)接收信息的處理,包括數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、判決、打包等;

3) 監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

2無(wú)線(xiàn)切換和控制策略

2.1　無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切換策略

本文設(shè)計(jì)的船舶尋跡和導(dǎo)航終端具有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)切換的功能,可同時(shí)在陸地和海洋使用,在陸地時(shí),GPRS模塊能正常和基站進(jìn)行連接,這時(shí)系統(tǒng)會(huì)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)和控制中心進(jìn)行通信;在海洋時(shí),由于基站覆蓋區(qū)域有限,GPRS無(wú)法和基站進(jìn)行通信,此時(shí)SIM900A模塊會(huì)返回一個(gè)錯(cuò)誤值,系統(tǒng)根據(jù)這個(gè)錯(cuò)誤值會(huì)自動(dòng)切換到北斗一代通信網(wǎng)絡(luò)上。圖2是該無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的切換原理圖。

圖2　船舶尋跡和導(dǎo)航終端無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切換原理圖

2.2　定位信息發(fā)送頻率的切換策略

當(dāng)船舶在海上航行時(shí),一般對(duì)控制中心發(fā)送位置信息的頻率是固定的,可是當(dāng)船舶速度很高時(shí),控制中心需要實(shí)時(shí)知道船舶所在的位置,以便進(jìn)行跟蹤。本文設(shè)計(jì)的終端能夠自適應(yīng)地對(duì)北斗定位的位置信息的發(fā)送頻率進(jìn)行調(diào)節(jié),這時(shí),該終端可自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)送頻率。圖3是發(fā)送頻率自動(dòng)切換策略圖。

圖3　發(fā)送頻率自動(dòng)切換策略圖

3終端設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

根據(jù)該終端系統(tǒng)整體設(shè)計(jì),終端以主控制器STM32為核心,外接UM220模塊,QM2610模塊,SIM900A模塊,整體硬件框圖如圖4所示。

圖4　硬件框圖

3.1　硬件選型

3.1.1北斗導(dǎo)航模塊

本系統(tǒng)選用的是北京和芯星通公司生產(chǎn)的UM220芯片,UM220是和芯星通公司針對(duì)車(chē)輛監(jiān)控、氣象探測(cè)和電信電力授時(shí)等應(yīng)用推出北斗/GPS雙系統(tǒng)模塊。UM220是市場(chǎng)上尺寸最小的北斗/GPS模塊,集成度高,功耗低,非常適合北斗系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用的需求。選用該型號(hào)的原因是: 尺寸小(僅40×30×3.4 mm)、重量輕; 超低功耗(僅350 mW); 單芯片支持BD2/GPS功能,無(wú)需外接CPU即可直接輸出NMEA數(shù)據(jù); 先進(jìn)的多路徑抑制技術(shù); 支持單系統(tǒng)獨(dú)立定位和多系統(tǒng)聯(lián)合定位; 支持UART、SPI、1PPS、I2C等多種接口。

3.1.2GPRS模塊

本模塊選用的是SIMCom公司生產(chǎn)的SIM900

A芯片,SIMCom推出新款緊湊型產(chǎn)品SIM900A.它屬于雙頻GSM/GPRS模塊,完全采用SMT封裝形式,SIM900A僅適用于中國(guó)市場(chǎng),其性能穩(wěn)定,外觀精巧,性?xún)r(jià)比高。SIM900A采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口,工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1 800/1 900 MHz,可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。另外,SIM900A的尺寸大小為24×24×3 mm,能適用于M2M應(yīng)用中的各類(lèi)設(shè)計(jì)需求,尤其適用于緊湊型產(chǎn)品設(shè)計(jì)。主要特性為 雙頻900/1 800 MHz; GPRS multi-slot class 10/8; GPRS mobile station class B;滿(mǎn)足GSM 2/2+標(biāo)準(zhǔn)Class 4 (2 W @900 MHz)Class 1 (1 W @ 1800MHz) 重量 3.4g; 通過(guò)AT命令控制; SIM應(yīng)用工具包; 供應(yīng)電壓范圍 3.1 ～7.8V; 低功耗1.5 mA(睡眠模式); 操作溫度范圍-40 ～85 ℃.

3.1.3主控芯片

本系統(tǒng)采用的主控芯片是STM32單片機(jī),STM32系列基于專(zhuān)為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核。按性能分成兩個(gè)不同的系列:STM32F103“增強(qiáng)型”系列和STM32F101“基本型”系列。增強(qiáng)型系列時(shí)鐘頻率達(dá)到72 MHz,是同類(lèi)產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品;基本型時(shí)鐘頻率為36 MHz,以16位產(chǎn)品的價(jià)格得到比16位產(chǎn)品大幅提升的性能,是16位產(chǎn)品用戶(hù)的最佳選擇。兩個(gè)系列都內(nèi)置32 K到128 K的閃存,不同的是SRAM的最大容量和外設(shè)接口的組合。時(shí)鐘頻率72 MHz時(shí),從閃存執(zhí)行代碼,STM32功耗36 mA,是32位市場(chǎng)上功耗最低的產(chǎn)品,相當(dāng)于0.5 mA/MHz.本系統(tǒng)選用的是103增強(qiáng)型,其主要特點(diǎn)為易于操作,價(jià)格低廉;內(nèi)核運(yùn)算速度高,存儲(chǔ)空間大;低功耗;最多高達(dá)112個(gè)的快速I(mǎi)/O端口;最多多達(dá)13個(gè)通信接口。

3.1.4電源模塊

該系統(tǒng)采用的是交流220 V供電,并具有直流備用電源,以防電源斷電時(shí),該系統(tǒng)還能正常工作。該系統(tǒng)采用兩種電源轉(zhuǎn)換芯片,AMS1117-3.3和MP2303以確保該系統(tǒng)的正常工作。

3.2　控制編程

該定位與導(dǎo)航終端主要是獲取船舶的位置與速度信息,并發(fā)往控制中心,以便實(shí)施跟蹤與監(jiān)控,同時(shí),該終端能進(jìn)行不同網(wǎng)絡(luò)之間的切換,并能設(shè)置發(fā)射頻率,程序流程圖如圖5所示。

圖5　程序流程圖

4系統(tǒng)測(cè)試

經(jīng)過(guò)測(cè)試,該終端可有效的對(duì)船舶進(jìn)行定位和導(dǎo)航并把結(jié)果發(fā)送到控制中心,以下是該終端主要功能模塊的測(cè)試結(jié)果。

4.1　北斗通信測(cè)試

北斗通信的測(cè)試結(jié)果如圖6所示,從圖中可以看出,發(fā)信方可以正常的和收信方進(jìn)行通信,各項(xiàng)功能指標(biāo)均正常。

圖6　北斗短信通信測(cè)試結(jié)果

4.2　GPRS通信測(cè)試

GPRS通信測(cè)試結(jié)果如圖7所示,從圖中可以看出該終端可以正常的和陸地基站進(jìn)行連接,且通信成功。

圖7　GPRS通信測(cè)試結(jié)果

4.3　定位功能測(cè)試

該終端的定位測(cè)試結(jié)果如圖8所示,從圖中可以看出控制中心能正常的接收該終端發(fā)來(lái)的位置信息,并能正確定位。

圖8　定位功能測(cè)試結(jié)果

5結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)船舶多網(wǎng)絡(luò)定位算法的研究,針對(duì)船舶營(yíng)運(yùn)的特性及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)特性,充分結(jié)合了北斗模塊和Zigbee網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),采用靈活的模式切換策略和自動(dòng)頻率發(fā)送策略,設(shè)計(jì)了北斗短信/移動(dòng)蜂窩網(wǎng)/Zigbee多網(wǎng)融合的船舶尋跡和導(dǎo)航終端,測(cè)試結(jié)果表明：該終端可以有效地對(duì)船舶進(jìn)行定位和導(dǎo)航,且能夠?qū)崟r(shí)通過(guò)監(jiān)控中心進(jìn)行監(jiān)控。該終端具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值和較低的成本,具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

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田增山(1968-),男,河南信陽(yáng)人,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)閭€(gè)人通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、無(wú)線(xiàn)定位、信號(hào)檢測(cè)與處理等。

沈光(1971-),男,浙江寧波人,副主任，主要研究方向?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)、信息化集成與應(yīng)用等。

馮輝強(qiáng)(1973-),男,廣西北海人,主要研究方向?yàn)楹Ｑ蠊芾怼⑿畔⒒膳c應(yīng)用等。

楊進(jìn)超(1989-),男,河南駐馬店人,碩士生,研究方向?yàn)榇皩?dǎo)航電子,軟件無(wú)線(xiàn)電、無(wú)線(xiàn)定位與測(cè)量等。

The Terminal Development of Ships Trailing And

Navigation Based on Multi Network Fusion

SHEN Guang1,FENG Huiqiang1,TIAN Zengshan2,YANG Jinchao2

(1.NingboOceanandFisheryInformationMonitoringCenter，Ningbo315000，China;

2.ChongqingKeyLabofMobileCommunicationsTechnology,ChongqingUniversity

ofPostsandTelecommunications,Chongqing400065,China)

Key words: Multi network fusion; ships trailing; Beidou Localization; Beidou Messages