基于IDP衛(wèi)星通信模塊的遠(yuǎn)洋船舶實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：針對遠(yuǎn)洋中無GPRS信號不能進(jìn)行無線通信的問題，設(shè)計(jì)了以STM32F103VCT6單片機(jī)與IDP衛(wèi)星通信模塊為平臺的遠(yuǎn)洋船舶實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有高精準(zhǔn)度、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、全天候監(jiān)控等特點(diǎn)。給出了系統(tǒng)的工作原理、硬件設(shè)計(jì)與軟件實(shí)現(xiàn)方法，詳細(xì)分析了中央控制模塊、GPS定位信息采集模塊、無線通信模塊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了采用STM32F103VCT6單片機(jī)與IDP衛(wèi)星通信模塊設(shè)計(jì)遠(yuǎn)洋船舶監(jiān)控系統(tǒng)的可行性。通過該系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)控遠(yuǎn)洋船舶的地理位置信息以及其他信息，最大限度地確保遠(yuǎn)洋船舶航運(yùn)中的安全。

引言

本文采用ARM芯片作為控制核心，設(shè)計(jì)了一款以GPS定位模塊與衛(wèi)星通信模塊為依托的遠(yuǎn)洋船舶實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠按照用戶要求定時(shí)上傳遠(yuǎn)洋船舶的位置信息以及航向信息，解決了傳統(tǒng)船舶定位和救援中出現(xiàn)的問題，保證了船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)測及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠。同時(shí)該系統(tǒng)方便擴(kuò)展其他功能，以便獲得更廣泛的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

搭載在船舶上的專用電路板實(shí)時(shí)采集船舶的位置、速度、航向、SOS報(bào)警等信息。專用電路板將采集到的數(shù)據(jù)處理后，經(jīng)衛(wèi)星通信模塊發(fā)送至海事通信衛(wèi)星，通過海事衛(wèi)星將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娼邮照竟┙o用戶使用。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件總體設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)采取模塊化設(shè)計(jì)，主要分為中央處理模塊、GPS定位模塊以及衛(wèi)星通信模塊等，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。數(shù)據(jù)的加工處理及輸入/輸出控制由ST公司的STM32F103VCT6處理器完成。處理器接收到GPS數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)處理并定時(shí)上傳加工后的定位數(shù)據(jù)至地面接收站。GPS定位模塊采用Globalsat公司的ET-314，通過該模塊實(shí)時(shí)更新GPS定位數(shù)據(jù)。衛(wèi)星通信模塊采用加拿大Skywave公司的IDP衛(wèi)星通信模塊，該模塊通過國際海事衛(wèi)星(Inmarsat)來實(shí)現(xiàn)與地面接收站之間的全天候、廣區(qū)域、高可靠性的雙向通信。為了備份長時(shí)間的定位數(shù)據(jù)，采用了SST公司的SST25VF016B芯片作為外部Flash來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的功能。

2.2 中央控制模塊

本系統(tǒng)采用STM32F103VCT6處理器作為主控制芯片。STM32F103VCT6是32位的具備Cortex-M3內(nèi)核的處理器，最高工作頻率可達(dá)72 MHz。

中央控制模塊STM32F103VCT6作為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)地采集、分析、加工以及安排數(shù)據(jù)上傳工作。GPS原始數(shù)據(jù)會實(shí)時(shí)傳遞至MCU的串口緩沖區(qū)。MCU驗(yàn)證處理后，通過串口發(fā)送至衛(wèi)星通信模塊。SOS報(bào)警信息通過設(shè)定的GPIO口發(fā)送至MCU，通過衛(wèi)星通信模塊上傳至地面接收站。本模塊硬件原理圖略——編者注。

2.3 GPS定位模塊

定位模塊采用Globalsat公司的Globalsat ET-314芯片，來實(shí)現(xiàn)船舶的位置定位與速度采集。Globalsat ET-314模塊使用了SIRF III芯片，具備快速定位、定位精度高、啟動(dòng)時(shí)間短以及探測范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。使用Globalsat ET-314模塊實(shí)現(xiàn)功能如下：

①精確地采集到地理位置信息。Globalsat ET-314模塊定位的精確度為10 m。

②精確地采集時(shí)間信息。Globalsat ET-314模塊采集到的時(shí)間與GPS時(shí)間保持1μs的同步關(guān)系。

GPS定位的基本方法為空間距離后方交會，此方法需要知道衛(wèi)星瞬間位置。如圖3所示，假設(shè)t時(shí)刻在地面上的待測地點(diǎn)放置GPS信號接收機(jī)，測定出GPS信號到達(dá)此處接收機(jī)的時(shí)間為△t，根據(jù)其他已知條件確定以下4個(gè)方程式。其中已知衛(wèi)星1，衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4以及地面接收站的地理坐標(biāo)分別為(x1，y1，z1)、(x2，y2，z2)、(x3，y3，z3)、(x4，y4，z4)、(x，y，z);d1，d2，d3，d4為測量偽距;c為光速;

dt為衛(wèi)星時(shí)鐘偏差;dT1，dT2，dT3，dT4為GPS的接收時(shí)鐘偏差項(xiàng)。

通過聯(lián)立這4個(gè)方程式，可以得到接收機(jī)的地理坐標(biāo)。GPS定位模塊的原理圖如圖4所示，GPS通過串口與MCU獲得通信。

2.4 衛(wèi)星通信模塊

衛(wèi)星通信模塊選用的是加拿大Skywave公司的衛(wèi)星通信模塊IDP。IDP的通信基于國際海事衛(wèi)星，通信全球覆蓋不受外界因素限制。IDP還具備傳輸數(shù)據(jù)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，其單次發(fā)送數(shù)據(jù)可達(dá)6 400字節(jié)，單次接收的數(shù)據(jù)量可達(dá)10 000字節(jié)。IDP支持二次開發(fā)，方便用戶將IDP接入其他產(chǎn)品中使用。

國際海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)是世界上第一個(gè)全球性的移動(dòng)業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)。Inmarsat通信系統(tǒng)基本是由四部分組成，即空間段、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)站(Network Coordination Station)、衛(wèi)星地面站(Land Earth Station)和衛(wèi)星船站(Mobile Earth Station)。IDP680即為衛(wèi)星船站。發(fā)送信息經(jīng)衛(wèi)星地面站處理后經(jīng)專用網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)至用戶服務(wù)器供用戶分析使用。終端發(fā)起通信流程如圖5所示。

IDP680為用戶提供了4個(gè)可配置I/O口以及1路RS232、1路RS458串口方便用戶集成使用。其接口定義圖略——編者注。

配置衛(wèi)星通信模塊使用中斷方式接收MCU通過串口傳輸過來的數(shù)據(jù)。校驗(yàn)正確后，衛(wèi)星通信模塊執(zhí)行發(fā)送數(shù)據(jù)功能。用戶發(fā)送的遠(yuǎn)程指令，衛(wèi)星通信模塊接收后通過串口傳輸至MCU，MCU使用中斷方式處理串口傳輸過來的數(shù)據(jù)。校驗(yàn)正確后，執(zhí)行相應(yīng)的命令動(dòng)作。

2.5 數(shù)據(jù)存儲模塊

數(shù)據(jù)存儲采用了1片1 M x 16位的SST25VF016B芯片。上傳的定位數(shù)據(jù)包為27個(gè)字節(jié)，總共可以存儲(2x 1 024×1 024)/27=77 672條定位數(shù)據(jù)。按照每分鐘存儲一條定位數(shù)據(jù)的頻率，共計(jì)可以存儲77 672/(60×24)=53天的定位數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)完成之后，就要進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)。對軟件同樣采用模塊化的設(shè)計(jì)思想。軟件方面主要包括了主程序模塊、GPS定位數(shù)據(jù)采集模塊以及無線通信模塊。衛(wèi)星通信模塊具備二次開發(fā)功能，還需對衛(wèi)星通信模塊進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件丁作流程如圖6所示。

3.2 STM32F103VCT6的啟動(dòng)/UART使用過程

STM32F103VCT6芯片采用了Cortex-M3內(nèi)核，并且ST公司提供的固件庫中包括了啟動(dòng)文件“stm32f10x_vector.s”。Cortex—M3內(nèi)核復(fù)位后，會自動(dòng)從起始地址的下一個(gè)32位空間取出復(fù)位中斷入口向量，跳轉(zhuǎn)執(zhí)行復(fù)位中斷服務(wù)程序。STM32F103VCT6的啟動(dòng)主要包括初始化堆和棧、向量表的定義和轉(zhuǎn)移、初始化中斷寄存器以及跳轉(zhuǎn)進(jìn)入main主函數(shù)幾個(gè)過程。流程如圖7所示。

STM32F103VCT6的串口使用主要包括啟動(dòng)外設(shè)時(shí)鐘、配置NVIC、配置GPIO口、配置串口、初始化串口、使能收發(fā)中斷、使能串口幾個(gè)過程。流程如圖8所示。

3.3 衛(wèi)星通信模塊軟件設(shè)計(jì)

衛(wèi)星通信模塊的串口配置情況如下：波特率設(shè)置為9 600 bps;數(shù)據(jù)位為8;校驗(yàn)位設(shè)置為“None”;停止位為1。

衛(wèi)星模塊單獨(dú)采用Lua語言進(jìn)行開發(fā)。Lua是一個(gè)小巧的腳本語言。該語言是針對嵌入式應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的，能為應(yīng)用程序提供靈活的擴(kuò)展和定制功能。Lua體積小、啟動(dòng)速度快，從而適合嵌入在別的程序里。

使用LUA語言開發(fā)的衛(wèi)星通信模塊部分源代碼略——編者注。

3.4 信息軟件平臺設(shè)計(jì)

CS監(jiān)控平臺是用戶設(shè)備與監(jiān)控中心的信息軟件平臺。監(jiān)控軟件平臺可以動(dòng)態(tài)展現(xiàn)船舶的實(shí)時(shí)位置情況，同時(shí)可以對船舶進(jìn)行管理。

CS軟件平臺主要起到如下作用：對船舶進(jìn)行跟蹤定位，了解船舶的作業(yè)情況;查詢海圖某點(diǎn)處的具體地理情況，包括海水深度、潮高等;距離測算。

4 測試結(jié)果

本文用深圳市內(nèi)5個(gè)地點(diǎn)作為測試樣本進(jìn)行驗(yàn)證性測試實(shí)驗(yàn)。用定位準(zhǔn)確性、長時(shí)間回傳數(shù)據(jù)穩(wěn)定性來評價(jià)設(shè)計(jì)的性能。驗(yàn)證時(shí)，讓本系統(tǒng)在每個(gè)地點(diǎn)至少工作1天以上。

同時(shí)檢測實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳的準(zhǔn)確性與Flash當(dāng)中存儲數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。現(xiàn)通過服務(wù)器接收到的地點(diǎn)1的部分定位數(shù)據(jù)作為例子說明定位的準(zhǔn)確性，如圖9所示。

提取其中一條數(shù)據(jù)加以分析。十六進(jìn)制的數(shù)據(jù)如下：1 5 18 CE C9 F1 46 BD 60 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 4A A1 78 67 F0 35。

對應(yīng)的ASCII碼表示的數(shù)據(jù)如下：\15\18\CE\C9\F1F\BD\00\00\00\00\00\00\00\00\00\00J\A1xg\F05按照協(xié)議，緯度為有符號整數(shù)，其用補(bǔ)碼表示，轉(zhuǎn)為十進(jìn)制數(shù)值后除以60 00。即得緯度數(shù)值。其中，正數(shù)表示北緯，負(fù)數(shù)表示南緯，轉(zhuǎn)換時(shí)注意符號位的存在。經(jīng)度為有符號整數(shù)，其用補(bǔ)碼表示，轉(zhuǎn)為十進(jìn)制數(shù)值后除以60 000即得經(jīng)度數(shù)值。其中，正數(shù)表示東經(jīng)，負(fù)數(shù)表示兩經(jīng)，轉(zhuǎn)換時(shí)注意符號位的存在。

本例中，緯度=(146BD6)h/(60 000)d=1 338 326/60 000=22.30543°。經(jīng)度計(jì)算時(shí)，需取后面25個(gè)位000011001111111000000110101)b=6811701d，經(jīng)度=6 811 701/60 000=113.528 35°。經(jīng)分析知，此位置正是深圳市南山區(qū)馬家龍工業(yè)區(qū)測試地點(diǎn)1處，和實(shí)際地點(diǎn)的誤差在15 m范圍之內(nèi)。經(jīng)分析5個(gè)地點(diǎn)的測試數(shù)據(jù)，都在誤差范圍之內(nèi)。

經(jīng)至少一周時(shí)間的測試，每個(gè)測試點(diǎn)的回傳數(shù)據(jù)穩(wěn)定且連續(xù)，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。證明了該系統(tǒng)的長時(shí)間工作穩(wěn)定性。

結(jié)語

遠(yuǎn)洋船舶監(jiān)控系統(tǒng)使航運(yùn)界對遠(yuǎn)洋船舶監(jiān)控的要求變成了現(xiàn)實(shí)，奠定了海洋信息化的基礎(chǔ)。系統(tǒng)研究成果將有力地促進(jìn)我國航運(yùn)業(yè)的科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，大大加快海洋運(yùn)輸業(yè)的信息化進(jìn)程。

系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控模式極大提升了對遠(yuǎn)洋船隊(duì)的安全監(jiān)控與搜救能力，從而顯著降低了海難事故發(fā)生的幾率，減少了海難造成的損失;系統(tǒng)成果可推廣應(yīng)用至船舶節(jié)能減排、海洋環(huán)保等方面，推動(dòng)了航運(yùn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程。