遙測遙控航標的設(shè)計與應(yīng)用

摘要 長江航道一年中水位變化頻繁，水位發(fā)生變化后，指示航標易偏離初始位置，無法準確指示航道位置，影響航行安全。為了提高航標維護人員調(diào)整航標位置的工作效率、降低維護成本和工作量，遙測遙控航標系統(tǒng)的推行將勢在必行。文中主要介紹了基于GSM無線通信方式的遙測遙控航標系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用，該航標已成功應(yīng)用于部分航道。應(yīng)用證明，該系統(tǒng)設(shè)備工作穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了無人值守全自動遙測遙控航標功能。
關(guān)鍵詞 遙測遙控；GSM；航標船

    無線遙測作為GSM一項新的業(yè)務(wù)，具有實時監(jiān)控、無線遠程傳輸?shù)忍攸c，適用于交通運輸、野外施工、工控管理等領(lǐng)域。遙測遙控航標系統(tǒng)就是基于該技術(shù)的一項應(yīng)用，該系統(tǒng)能夠通過GSM網(wǎng)絡(luò)的短信功能，直接對航標船進行遙控測量，及時掌握航標船的各種工作狀態(tài)，并根據(jù)水位信息遙控航標船，調(diào)整其在水中的位置。減少航標維護人員定期往返調(diào)整航標的頻次，節(jié)約了航標的養(yǎng)護費用。

1 遙測遙控航標系統(tǒng)組成
    遙控遙測航標系統(tǒng)(以下簡稱航標)以航標船為載體，由絞車、航標燈、控制箱和太陽能供電系統(tǒng)、監(jiān)控中心軟件等組成。航標可隨水位變化，通過監(jiān)控中心軟件按指令控制收放纜繩。絞車由直流恒力矩電機、失電制動器、減速機、絞盤和導纜輪及接近開關(guān)組成，通過接口與位于儀器艙的控制系統(tǒng)連接，由控制系統(tǒng)控制收放纜繩并測量纜長；控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，主要由中心處理單元、電機驅(qū)動模塊、GSM無線通信單元、GPS定位單元、穩(wěn)壓及電源轉(zhuǎn)換模塊組成；太陽能供電模塊由太陽能電池板、充放電控制器和膠體電池組成，是整個遙控航標的能量來源，航標指示燈使用太陽能一體化閃燈。

2 控制系統(tǒng)組成及工作原理
    控制系統(tǒng)是系統(tǒng)的核心，由中心處理單元、GSM無線通信單元、電機驅(qū)動模塊、制動單元、GPS定位單元和傳感器單元組成?？刂葡到y(tǒng)原理如圖2所示。

    遙測遙控航標系統(tǒng)靠太陽能供電模塊維持日常通訊及控制工作。當水位變化超出設(shè)定門限，監(jiān)控中心根據(jù)當前水位變化計算纜長調(diào)整量，并下發(fā)纜長調(diào)整信息給航標船，航標船GSM無線通訊單元接收信息并通過串口轉(zhuǎn)發(fā)給中心處理單元；中心處理單元應(yīng)答指令并驅(qū)動電機調(diào)整纜長，調(diào)整完畢后，中心處理單元通過GSM無線通訊單元，向監(jiān)控中心上傳調(diào)整結(jié)束狀態(tài)信息。指示航標系統(tǒng)定時開啟GPS定位單元獲得航標船當前的經(jīng)緯度信息，通過GSM無線通訊單元發(fā)送至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心參考GPS信息確認航標是否調(diào)整到預(yù)定位置。監(jiān)控中心將定時發(fā)送工況詢問指令，指示航標回復(fù)電壓、電流、定位、故障等信息。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計
3．1 中心處理單元
    遙控航標中心處理單元負責接收指揮中心的控制指令，并執(zhí)行相應(yīng)動作。同時可采集GPS位置信息、系統(tǒng)工作電流、電池電壓、漏水等數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)超出規(guī)定范圍，立即向監(jiān)控中心發(fā)送報警信息。中心處理單元主要由供電單元、單片機處理單元、A／D采集單元、繼電器單元、看門狗單元組成。
    遙控航標的工作功耗是一項關(guān)鍵指標，系統(tǒng)待機功耗越低，免維護時間越長，越能降低維護成本，因此控制系統(tǒng)要求實現(xiàn)低功耗待機。中心處理單元以TI公司生產(chǎn)的MSP430F169單片機為處理核心，其具有超低功耗、強大的處理能力、穩(wěn)定的工作系統(tǒng)、高性能模擬技術(shù)以及豐富的片上處理模塊等特點，在高效、節(jié)能方面具有明顯優(yōu)勢。該單片機具有以下特點：(1)低電壓、超低功耗，該單片機的在1．8～3．6 V電壓工作，在1 MHz的時鐘條件下，耗電電流<400μA，休眠模式下只有幾十μA。(2)強大處理能力。(3)系統(tǒng)工作穩(wěn)定。(4)豐富的片內(nèi)外設(shè)。

    該單片機有兩個異步串口，工作方便可靠。單片機串口與GSM無線通訊單元和GPS定位單元的TTL串行通信口相連，實現(xiàn)中心處理單元與GSM無線通訊單元和GPS定位單元的通信。
    當水位發(fā)生變化超過一定范圍時，通過收放航標船上的纜繩調(diào)整航標位置。收放纜時纜繩經(jīng)過一導纜輪出水或入水，在導纜輪上嵌入一磁鋼，再在導纜輪附近放置一磁感式接近開關(guān)。導纜輪每轉(zhuǎn)一圈，磁感式接近開關(guān)就檢測到磁鋼一次，發(fā)出一個脈沖給單片機，單片機通過脈沖計數(shù)進行纜長監(jiān)測。
    中心處理單元安裝有電流電壓傳感器，用于檢測電池電壓，一旦電池發(fā)生欠壓，中心處理單元自動上傳至監(jiān)控中心報警；當系統(tǒng)工作電流超出預(yù)定值時，中心處理單元自動上傳至監(jiān)控中心報警。中心處理單元安裝有漏水傳感器，用于檢測控制艙漏水狀況，如遇控制艙漏水，中心處理單元會自動向監(jiān)控中心報警。
3．2 GSM無線通信單元
    GSM無線通訊單元作為指示航標系統(tǒng)與監(jiān)控中心的通訊接口，接收監(jiān)控中心指令并轉(zhuǎn)發(fā)給中心處理單元，并將中心處理單元返回的工況信息和檢測到的報警信息發(fā)給監(jiān)控中心。通訊內(nèi)容如圖4所示。

    無線通信單元采用杭州晶控電子有限公司生產(chǎn)的JB35GB型通訊模塊，在遙控航標系統(tǒng)中，主要采用JB35GB通訊模塊的“來電號碼過濾器”和“串口傳送數(shù)據(jù)和文本”功能。JB35GB通訊模塊有RS232串口和TTL串口，其中RS232串口與上位機相連，以實現(xiàn)模塊工作時參數(shù)的設(shè)置，例如：默認接收數(shù)據(jù)方手機號，發(fā)送成功確認信號，接收短信格式設(shè)置等等。TTL串口與單片機中心處理單元相連接，按照與監(jiān)控中心事先約定好的格式，將從監(jiān)控中心接收來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給中心處理單元、并接收中心處理單元的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控中心。
    (1)JB35GB通訊模塊的發(fā)送。發(fā)送數(shù)據(jù)短信的格式為(16進制HEX格式發(fā)送數(shù)據(jù))：23 3X3X3X3X3X3X3X3X3X3X3X23datal…dataN(等待≥0．1 s表示結(jié)束)。其中，XXXXXXXXXXX是需要發(fā)送的目的手機號碼，號碼的開頭和末尾都加“23”組成一個號碼段，號碼段也可以省略，這時datal…dataN就直接發(fā)送給“短信數(shù)傳設(shè)置”中的默認接收數(shù)據(jù)方的手機號碼上。
    “2323datal…dataN(等待≥0．1 s表示結(jié)束)”。datal…dataN是計算機或單片機需要發(fā)送的數(shù)據(jù)部分，N≤140。數(shù)據(jù)必須以16進制HEX格式發(fā)送，如果要發(fā)送ASCII碼或Unicode碼，就先要把ASCII碼或Unicode碼轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的16進制數(shù)再發(fā)送。如果想把計算機或單片機的文本數(shù)據(jù)發(fā)送給普通手機顯示閱讀，則必須把文本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Unicode碼對應(yīng)的16進制HEX格式發(fā)送。計算機或單片機向JB35GB傳輸數(shù)據(jù)必須從第一個Byte“#”到最后一個Byte dataN連續(xù)傳輸。當發(fā)送完最后一個數(shù)據(jù)dataN后，在以后的0．1 s里，計算機或單片機就不能再向串口發(fā)送任何數(shù)據(jù)。JB35GB檢測到串口≥0．1 s無數(shù)據(jù)后，則把datal…dataN打包成短信的格式發(fā)送出去。
    對于連續(xù)發(fā)送多條短信數(shù)據(jù)時，必須遵循以下原則：第一條短信數(shù)據(jù)發(fā)送給JB35GB后，串口出現(xiàn)了一個發(fā)送成功確認信號“OD”后，就可以發(fā)送第二條短信數(shù)據(jù)。
    (2)JB35GB通訊模塊的接收。JB35GB在收到短信數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)還原成和發(fā)送時對稱的數(shù)據(jù)格式，同時從TTL串口和RS232串口輸出給計算機或單片機。計算機或單片機必須采用串口中斷方式接收JB35GB串口傳來的數(shù)據(jù)，以保證短信數(shù)據(jù)不會丟失。JB35GB把接收到的短信數(shù)據(jù)向串口輸出后，則將此短信立即刪除，因此JB35GB內(nèi)部短信是不會溢出的。
3．3 電機驅(qū)動及制動單元
    為減少絞車功耗，延長航標免維護時間，在滿足扭矩的前提下，絞車電機選用小功率直流電機。由于江面有一定流速，水流對船體的作用力較大，因此絞車內(nèi)部必須安裝失電制動單元，防止水流作用拽動纜索。只有當絞車制動器通電后，絞車才允許轉(zhuǎn)動。因此絞車每次啟動分兩步執(zhí)行，首先通過單片機控制固態(tài)繼電器輸出，給制動器上電解除制動，然后單片機控制穩(wěn)壓電源輸出給絞車電機供電，開始收放纜索。絞車驅(qū)動單元與其他單元接口關(guān)系如圖5所示。

    絞車驅(qū)動器供電電壓上限為48 V；蓄電池的標稱電壓為48 V；實際太陽能充電時為浮動電壓，因此輸出電壓會大于蓄電池電壓，從安全角度考慮，驅(qū)動單元輸入電壓應(yīng)先經(jīng)過穩(wěn)壓48 V后再輸入。
3．4 軟件結(jié)構(gòu)
    為實現(xiàn)航標控制系統(tǒng)軟件的功能，并使所開發(fā)的軟件具有高度的可靠性和可維護性，采用模塊化設(shè)計方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，構(gòu)成指示航標控制軟件總體結(jié)構(gòu)，軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示，各模塊功能分別為：初始化模塊包含端口、參數(shù)的初始化；GPS數(shù)據(jù)處理模塊用于收取、驗證、處理GPS數(shù)據(jù)；工況獲取模塊用于A／D采集、門限監(jiān)測、應(yīng)答；中斷模塊用于定時中斷、串口中斷；串口通信模塊用于GSM數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)、應(yīng)答信息；絞車控制模塊用于絞車收纜、放纜、停止。

    監(jiān)控中心控制軟件主要負責監(jiān)控記錄航標測量數(shù)據(jù)，監(jiān)測航標報警信息及控制航標調(diào)整位置。監(jiān)控中心共享水位站水位信息，通過水位變化計算出航標纜索調(diào)整量，通過GSM單元發(fā)送操作指令，航標中心處理單元接收到調(diào)整指令后，開啟絞車調(diào)整纜索，并檢測調(diào)整長度，調(diào)整到位后自動停止絞車收放，若絞車在設(shè)定時間內(nèi)未停止，單片機將強制停止絞車，防止過收纜索使航標沒入水中。

4 結(jié)束語
    文中采用單片機與GSM模塊相結(jié)合設(shè)計的遙測遙控航標設(shè)備已在某些水域航道得到應(yīng)用，實際運行使用中，該設(shè)備工作穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)還可外加水深測量裝置，根據(jù)水位深度變化控制纜繩收放，形成自閉環(huán)收放系統(tǒng)，實現(xiàn)無人值守全自動遙測遙控航標。