宋廣軍　顧和偉　劉凱文　陳瑞星　張文帥

【摘 要】 為確保船舶航行安全并對航道環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，基于衛(wèi)星和通用無線分組業(yè)務(wù)技術(shù)（GPRS）設(shè)計(jì)航標(biāo)燈智能監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)航標(biāo)燈位置監(jiān)測、狀態(tài)參數(shù)測量、航道水位深度測量，并通過GPRS通信裝置將監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回系統(tǒng)監(jiān)控服務(wù)器進(jìn)行分析并發(fā)出預(yù)警信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對航標(biāo)燈及其周圍環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測。航標(biāo)燈智能遙測遙控系統(tǒng)達(dá)到對航標(biāo)燈及航道環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控，對危險(xiǎn)環(huán)境提前預(yù)警、對出現(xiàn)的故障及時(shí)進(jìn)行維護(hù)的目的，使得船舶在航道行駛時(shí)的航行安全、航標(biāo)燈的遙測遙控和質(zhì)量維護(hù)等諸方面技術(shù)問題都能得到較好解決，具有成本低、可靠性高、實(shí)時(shí)智能監(jiān)測等特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】 航標(biāo)燈；通用無線分組業(yè)務(wù)技術(shù)（GPRS）；遙測遙控；衛(wèi)星通信

0 引 言

航道標(biāo)識(shí)是船舶航行安全很重要的保障之一，船舶在航行時(shí)需要有正確的航標(biāo)對其航線和方向進(jìn)行指引和警告，而航標(biāo)燈就是這些航標(biāo)中最常見也是最重要的一種。航標(biāo)燈是為了讓船舶在夜晚和能見度比較低的天氣情況下能安全航行。在夜晚，航標(biāo)燈可以發(fā)出預(yù)先設(shè)置的閃爍頻率及發(fā)光色彩，對過往船舶進(jìn)行引導(dǎo)和提醒，以使船舶航行時(shí)避開暗礁或者淺灘等障礙。舟山位于我國東部黃金海岸線與長江水道的交匯處，擁有扇形海運(yùn)網(wǎng)絡(luò)，有6條國際主航線經(jīng)過，屬于海上開放門戶，江海聯(lián)運(yùn)交通情況復(fù)雜，因此航運(yùn)安全是頭等大事。航標(biāo)燈是保障航運(yùn)系統(tǒng)安全重要的導(dǎo)航設(shè)施，確保航標(biāo)燈正確、可靠的工作是航道監(jiān)管的首要任務(wù)。目前，遙測遙控技術(shù)應(yīng)用于航標(biāo)燈方面的研究比較多，但在利用該技術(shù)以航標(biāo)燈自身為載體對周圍環(huán)境和航道實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測并即時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹悄芸刂品矫娴难芯枯^少，因此設(shè)計(jì)開發(fā)一套高效、可靠且運(yùn)行成本低的航標(biāo)燈遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)成為廣大航道維護(hù)人員十分關(guān)注的問題。根據(jù)目前舟山江海聯(lián)運(yùn)航道航標(biāo)燈的實(shí)際布局情況，以衛(wèi)星通信技術(shù)、無線通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)作為技術(shù)支撐，設(shè)計(jì)出一套航標(biāo)燈智能遙測遙控系統(tǒng)解決方案。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

航標(biāo)燈智能監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控原理是通過北斗衛(wèi)星定位模塊實(shí)現(xiàn)對航標(biāo)燈的定位，確定航標(biāo)燈的相對精確位置，航標(biāo)燈自帶太陽能發(fā)電裝置，可保證每天對航標(biāo)燈的全天候監(jiān)控。航標(biāo)燈終端數(shù)據(jù)采集模塊使用AT89C52單片機(jī)技術(shù)，利用水深測量傳感器、光敏傳感器、溫度傳感器等設(shè)備，將獲取的船舶位置、航道水深及采集到的其他環(huán)境參數(shù)通過通用無線分組業(yè)務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service，GPRS）網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到岸上監(jiān)控中心的地理信息系統(tǒng)（GIS）服務(wù)器，并與先前存儲(chǔ)在服務(wù)器中的航標(biāo)燈信息進(jìn)行比對。監(jiān)控中心可根據(jù)傳回的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)了解各航標(biāo)燈的位置信息、航道參數(shù)及工作狀態(tài)參數(shù)，有針對性地對航標(biāo)燈進(jìn)行維護(hù)，根據(jù)航標(biāo)燈周圍環(huán)境參數(shù)變化發(fā)出警告并采取有效措施，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控航標(biāo)燈及航道環(huán)境的目的。航標(biāo)燈智能監(jiān)控系統(tǒng)見圖1。

2 航標(biāo)燈智能遙測遙控終端設(shè)計(jì)

航標(biāo)燈智能終端是航標(biāo)燈監(jiān)測系統(tǒng)的核心設(shè)備，主要由AT89C52單片機(jī)處理器、北斗衛(wèi)星接收模塊、GPRS無線傳輸模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、自供電電源等部分組成。北斗衛(wèi)星接收模塊用來獲取航標(biāo)燈的位置信息，傳感器數(shù)據(jù)采集模塊用來實(shí)時(shí)獲取水深、光亮度、溫度等環(huán)境參數(shù)，GPRS模塊用來傳輸各種數(shù)據(jù)信息到中心服務(wù)器，自供電電源用來給系統(tǒng)供電。同時(shí)，終端系統(tǒng)設(shè)置程序監(jiān)視定時(shí)器，當(dāng)系統(tǒng)程序運(yùn)行出現(xiàn)錯(cuò)誤或停機(jī)時(shí)，系統(tǒng)程序會(huì)自動(dòng)重新運(yùn)行。

2.1 北斗衛(wèi)星通信模塊

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)由空間段、地面段和各類用戶等組成。北斗衛(wèi)星技術(shù)的不斷發(fā)展和覆蓋范圍的擴(kuò)大，使其廣泛應(yīng)用于我國遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶通信。[1]北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是基于北斗二代（DB-2）的北斗衛(wèi)星接收模塊，主要由接收天線、射頻模塊、A/D采樣模塊、基帶信號(hào)處理模塊、時(shí)鐘模塊等組成。采用基于DB-2基帶芯片的設(shè)計(jì)保證了衛(wèi)星接收系統(tǒng)體積小、功耗低、高精度、低成本的要求，可以有效完成航標(biāo)燈監(jiān)測系統(tǒng)的位置監(jiān)測設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.2 GPRS通信模塊

GPRS是一種以GSM為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，其通過利用全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）網(wǎng)絡(luò)中未使用的時(shí)分多址（TDMA）通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。作為先進(jìn)且較為經(jīng)濟(jì)的無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，GPRS在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過增加相應(yīng)的功能和對現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進(jìn)行部分改造來實(shí)現(xiàn)分組交換，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。GPRS不僅能批量且雙向傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)還能與用戶隨時(shí)保持聯(lián)系。特點(diǎn)是：網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋范圍廣、傳輸速率高、接入時(shí)間短、使用成本較低，通過TCP/IP協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)選用SIMCOM公司推出的sim900a模塊，其是一個(gè)雙頻GSM/GPRS通信模塊，采用省電技術(shù)設(shè)計(jì)，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，方便數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 航標(biāo)燈智能數(shù)據(jù)采集模塊

航標(biāo)燈是船舶航運(yùn)安全的重要保障，航標(biāo)燈周邊氣候變化劇烈，工作環(huán)境復(fù)雜且難以及時(shí)維護(hù)，因此建立一個(gè)航標(biāo)燈智能遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)具有非常重要的意義。航標(biāo)燈智能遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目的就是基于衛(wèi)星和GPRS通信技術(shù)，對航標(biāo)燈位置信息、航道深度、工作狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，使得監(jiān)管部門及時(shí)掌握航標(biāo)燈周圍的環(huán)境變化情況和發(fā)現(xiàn)潛在的隱患，從而能夠提前作出應(yīng)對措施，并對緊急情況能迅速采取行動(dòng)。

此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)由AT89C52單片機(jī)、傳感器模塊、水位檢測模塊、LED顯示模塊、報(bào)警電路模塊等5個(gè)部分組成。以AT89C52單片機(jī)作為核心控制裝置，再結(jié)合報(bào)警電路、顯示電路、A/D轉(zhuǎn)換電路及其他相關(guān)的電路共同組成航標(biāo)燈控制系統(tǒng)。[2] 另外，傳感器模塊、水位檢測模塊、LED顯示模塊、報(bào)警電路模塊等4個(gè)部分構(gòu)成航標(biāo)燈數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。AT89C52單片機(jī)作為控制核心，采集來自于水位傳感器信號(hào)，信號(hào)經(jīng)單片機(jī)處理給出水位高低識(shí)別數(shù)據(jù)信息，經(jīng)驅(qū)動(dòng)發(fā)出水位高低提示或報(bào)警，并通過鍵控或程序設(shè)定單片機(jī)監(jiān)測的基準(zhǔn)水位。系統(tǒng)可進(jìn)行全天候監(jiān)測工作，為船舶安全通行保駕護(hù)航。航標(biāo)燈智能終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

系統(tǒng)工作流程：首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，完成復(fù)位、上電及預(yù)設(shè)初始值；然后開始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換電路；接著由檢測模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)水位值的檢測；最后交由A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。顯示模塊完成實(shí)時(shí)水位值的顯示，單片機(jī)將檢測到的實(shí)時(shí)水位值與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較：若實(shí)時(shí)水位值低于預(yù)設(shè)水位值，報(bào)警電路工作；反之，報(bào)警電路不工作。衛(wèi)星接收模塊用來獲取航標(biāo)燈的位置信息，GPRS模塊即時(shí)將上述獲取的數(shù)據(jù)和報(bào)警信息向監(jiān)控中心報(bào)告，中心計(jì)算機(jī)能對航標(biāo)燈終端系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和查詢航標(biāo)燈終端的工作狀態(tài)，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并進(jìn)行維護(hù)，更好地保障航行船舶的安全。

3 系統(tǒng)監(jiān)控服務(wù)器端

航標(biāo)燈智能監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)器可實(shí)現(xiàn)電子地圖管理、航標(biāo)燈通信終端管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、報(bào)警管理等。服務(wù)器接入互聯(lián)網(wǎng)，通過通信管理模塊定時(shí)接收每個(gè)通過GPRS傳輸過來的各項(xiàng)航標(biāo)燈參數(shù)信息并予以存儲(chǔ)，同時(shí)在電子地圖上顯示出航標(biāo)燈位置，實(shí)時(shí)顯示水位變化、狀態(tài)參數(shù)并繪制曲線。航標(biāo)燈智能遙測遙控系統(tǒng)總流程見圖3。服務(wù)器可以根據(jù)航標(biāo)燈的狀態(tài)參數(shù)、位置及水位等信息來判斷航標(biāo)燈位置是否偏離可控范圍、航道水深是否在安全區(qū)間、各項(xiàng)參數(shù)是否異常等。管理維護(hù)人員可以根據(jù)所獲信息進(jìn)行后續(xù)的決策和行動(dòng)。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了基于北斗衛(wèi)星通信的航標(biāo)燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，航標(biāo)燈數(shù)據(jù)采集終端由北斗衛(wèi)星接收模塊、GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊、單片機(jī)控制單元和傳感器模塊及其他外圍電路組成。北斗衛(wèi)星模塊接收到的位置信號(hào)和各個(gè)傳感器檢測到的航標(biāo)燈狀態(tài)信息、航道水深等數(shù)據(jù)通過GPRS模塊實(shí)時(shí)傳輸?shù)胶笈_(tái)控制中心服務(wù)器端，服務(wù)器通過GIS管理模塊顯示并分析每個(gè)航標(biāo)燈的位置信息、航道水深、狀態(tài)參數(shù)及可視化數(shù)據(jù)圖形并存入數(shù)據(jù)庫，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)航標(biāo)燈自身及其周圍環(huán)境存在的異常狀況。航標(biāo)燈監(jiān)控系統(tǒng)能對航標(biāo)燈的狀態(tài)、環(huán)境進(jìn)行有效監(jiān)控，從而使航標(biāo)燈得到及時(shí)維護(hù)，最大限度地保護(hù)行駛在舟山水域及各島嶼之間航道上的船舶的安全，使江海聯(lián)運(yùn)航道上的航標(biāo)燈系統(tǒng)得到最大化利用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 邱望智.基于GPS/北斗衛(wèi)星的列車導(dǎo)航定位研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2014.

[2] 孔磊.基于51單片機(jī)的航標(biāo)燈控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子世界，2017（9）：178-181.