齊魯理工學(xué)院 臧紅巖 范卉青 白愛(ài)霞

1 引言

通航是否安全以及能否及時(shí)解決突發(fā)問(wèn)題很大程度上取決于航標(biāo)的準(zhǔn)確度，其發(fā)展程度對(duì)水路交通和各方面發(fā)展來(lái)說(shuō)都是很重要的。為了適應(yīng)當(dāng)前通航的高要求，解放人力并且達(dá)到有針對(duì)性有目的性的自動(dòng)檢修，使管理航標(biāo)部門(mén)能夠在第一時(shí)間得到關(guān)于航標(biāo)的工作狀態(tài)，進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)顯得格外重要。

早在20世紀(jì)90年代，發(fā)達(dá)國(guó)家就利用各種現(xiàn)代電子科技，對(duì)航標(biāo)進(jìn)行智能化研究，并建成了體系，為航海事業(yè)提供了各種優(yōu)勢(shì)。在我國(guó)，也有不少高等學(xué)院和科學(xué)技術(shù)研究機(jī)構(gòu)投入了大批人力物力對(duì)航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)。船舶交通服務(wù)系統(tǒng)（VTS）、差分全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（RBN/DGPS）、船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）等導(dǎo)助航設(shè)備先后建成。

本系統(tǒng)通過(guò)傳感器了解角度變化，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)航向。航標(biāo)控制終端在傳統(tǒng)航標(biāo)的導(dǎo)引指示功能上通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)將航標(biāo)自身和傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳送給遠(yuǎn)端控制中心，實(shí)現(xiàn)航標(biāo)智能控制的功能，提高航道交通管理的數(shù)字化水平。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及主要功能分析

系統(tǒng)包括陀螺儀MPU6050、STM32系列單片機(jī)、ESP8266 WIFI無(wú)線傳輸模塊、步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行角度校準(zhǔn)、手機(jī)端進(jìn)行角度數(shù)據(jù)顯示等。

（1）無(wú)線數(shù)據(jù)交換功能：手機(jī)端能夠和航標(biāo)通過(guò)WIFI無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換。航標(biāo)端每隔一段時(shí)間進(jìn)行一次運(yùn)行數(shù)據(jù)采集，采集航標(biāo)指向數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)，并接收控制中心發(fā)來(lái)的命令報(bào)文進(jìn)行處理，并發(fā)回一個(gè)應(yīng)答，同時(shí)向控制中心上報(bào)自己的運(yùn)行數(shù)據(jù)。控制中心通過(guò)可視化監(jiān)控軟件監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和異常報(bào)警，上位機(jī)人為發(fā)出控制指令通過(guò)服務(wù)端傳輸?shù)娇蛻舳?，現(xiàn)場(chǎng)航標(biāo)端接收到指令調(diào)整航標(biāo)的指向。

（2）智能化遙控設(shè)置功能：航標(biāo)控制控制終端的設(shè)置功能通過(guò)控制中心進(jìn)行遠(yuǎn)程操作執(zhí)行，只有授權(quán)的用戶才有權(quán)力去進(jìn)行指令執(zhí)行。并且每條指令的執(zhí)行都有嚴(yán)格的體制，按照規(guī)則進(jìn)行應(yīng)答，如果在設(shè)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收發(fā)指令解析，操作就視為失敗。所有設(shè)置的操作應(yīng)記錄在操作日志里，從而保證中心準(zhǔn)確掌握最后設(shè)置的航標(biāo)工作參數(shù)。

（3）實(shí)時(shí)信息采集功能：上電后，MPU6050開(kāi)始工作，采集航標(biāo)的各個(gè)工作狀態(tài)，可以一定的時(shí)間間隔進(jìn)行工作。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

由于航標(biāo)控制終端裝置的工作環(huán)境及切惡劣，經(jīng)常會(huì)受到天氣因素以及不可抗力的沖擊，所以硬件設(shè)計(jì)的選型是為重中之重，必須具有較高的抗干擾能力以及極強(qiáng)的穩(wěn)定性。再者，為使設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單可行，元器件應(yīng)該具有較高的運(yùn)算速度以及較低的功耗，選擇通用且成熟的，以滿足終端與服務(wù)器通信的要求（圖1）。

圖1 系統(tǒng)電路原理圖

（1）陀螺儀：為了采集航標(biāo)的指向角度等所需參數(shù)，本設(shè)計(jì)用陀螺儀作為信號(hào)傳感器，以得到準(zhǔn)確的位置角度等信號(hào)。陀螺儀采用MPU6050進(jìn)行角度采集，將采集到的角度傳送到最近的WIFI現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，發(fā)送給終端。

（2）無(wú)線通信模塊：無(wú)線通信模塊采用ESP8266，ATKESP8266模塊采用串口與MCU通信，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)串口與WIFI之間的轉(zhuǎn)換。通過(guò)ATK-ESP8266模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備只需要簡(jiǎn)單的串口配置，即可通過(guò)WIFI傳輸自己的數(shù)據(jù)。ATKESP8266模塊支持LVTTL串口，兼容3.3V和5V單片機(jī)系統(tǒng)，模塊支持串口轉(zhuǎn)WIFI STA串口轉(zhuǎn)AP和WIFI STA+WIFI AP的模式，從而快速構(gòu)建串口-WIFI數(shù)據(jù)傳輸方案，方便進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

4 軟件設(shè)計(jì)

手機(jī)端經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)助手進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)，自動(dòng)校準(zhǔn)航標(biāo)角度。網(wǎng)絡(luò)助手設(shè)有上位機(jī)軟件進(jìn)行智能判斷，從而改變航標(biāo)指向。串口無(wú)線接入點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)連接方式：模塊通過(guò)WIFI連接智能手機(jī)，模塊作為WIFI AP，智能手機(jī)做WIFI STA，手機(jī)網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手TCP Client設(shè)置進(jìn)行配置。在連接成功建立后，就可以互相發(fā)送數(shù)據(jù)了。通過(guò)陀螺儀采集到的航標(biāo)指向角度數(shù)據(jù)，每隔2秒會(huì)得到角度數(shù)據(jù)，通過(guò)手機(jī)端顯示出來(lái)。若偏移的話，發(fā)送警告信息并發(fā)送修正指令給航標(biāo)，然后單片機(jī)產(chǎn)生脈沖數(shù)據(jù)給步進(jìn)電機(jī)，使步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生步距角，將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移，帶動(dòng)陀螺儀轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變航標(biāo)角度。

5 結(jié)語(yǔ)

智能航標(biāo)控制終端能夠把本身的狀態(tài)信息以及當(dāng)前所在的位置傳送到相應(yīng)的控制中心，控制中心會(huì)在電子地圖上顯示出所轄區(qū)域的實(shí)時(shí)航標(biāo)狀態(tài)，可以對(duì)航標(biāo)設(shè)備實(shí)行遙測(cè)、遙控等；對(duì)提高助航系統(tǒng)的管理能力、發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障、保持航運(yùn)通道通暢和安全都起著重要作用。有效減少相關(guān)工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，為船舶航運(yùn)的安全性提供可靠的保障。為航標(biāo)控制終端實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化給出了具有參考意義。

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