（计算机应用技术专业论文）智能航标灯遥测遥控系统的研究与实现.pdf

摘要 智能航标灯遥测遥控系统的研究与实现 摘要 随着我国水路运输系统的迅速发展，内河航道、航运规模变得越来越 大，航道监控不力带来的经济损失日益严重。航标灯是安全航运保障系统 中重要的组成部分，为船只安全便利地航行提供了信息服务，保证航标灯 正确可靠的工作是航道监管的首要前提。随着信息技术的发展和智能航标 灯的出现，如何开发一套高效、可靠的智能航标灯遥测遥控系统成为广大 航道维护人员十分关注的问题。 本文根据智能航标灯的特点，在深入研究基于d s p 的嵌入式系统原 理，g p r s 无线通信技术和g p s 定位原理的基础上，提出了一套完整的 智能航标灯遥测遥控系统的解决方案。主要工作如下： 1 、提出了完整的智能航标灯遥测遥控系统解决方案，选用基于d s p 的控制单元作为主控制器，负责整个系统采集上报保存等任务的调度，按 约定的数据通信协议封装航标灯的电气和g p s 参数，以g p r s 方式和s m s 两种方式将航标灯状态数据发送到中心计算机，并接收中心计算机的控 制； 2 、设计完成遥测终端硬件电路：设计该系统的电路原理图和p c b 图； 3 、设计并开发了终端系统软件，程序完成了g p s 数据协议和s m s 协议的解码实现，完成航标灯电气参数采样，状态上报和数据保存等功能； 4 、从应答机制和数据格式两方面设计终端和中心站管理平台之间的 北京化t 人学硕： ：学位论文 通信协议，并在v c + + 6 0 环境中开发了中心站管理平台，验证该方案的 可行性和有效性； 5 、在研究d s p 启动原理，c 语言代码格式和f l a s h 技术基础上，利 用g p r s 无线通信技术实现了终端系统软件的远程升级功能。 6 、对系统的测试方法进行说明，并对系统进行测试，结果表明该系 统的功能和性能达到设计要求。 关键词：遥测遥控，智能航标灯，差分g p s ，远程升级，g p r s l l a b s t r a c t r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fr e m o t e m e a s u r m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mo f i n t e l l i g e n tn a v i g a t i o na i d a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw a t e r w a yt r a n s p o r ts y s t e m ，t h es c a l eo f i n l a n dw a t e r w a ya n ds h i p p i n gb e c o m e sm o r ea n dm o r ee x t e n s i v e ，a n dt h e m o n i t o rp r o b l e mi nw a t e w a yc a u s e sm o r ea n dm o r es e r i o u se c o n o m i cl o s s e s t h en a v i g a t i o na i di sa ni m p o r t a n tp a r to ft h es e c u r i t ys y s t e mf o rs h i p p i n g ， w h i c hp r o v i d e sa l lk i n d so fi n f o r m a t i o ns e r v i c e sf o rs a f t ya n dc o n v e n i e n c eo f n a v i g a t i o n t h e r e f o r e ，a c c u r a t ea n dr e l i a b l ew o r k i n go fn a v i g a t i o na i di st h e p r i m a r yp r e r e q u i s i t e f o r w a t e r w a ym o n i t o r w i t ht h ed e v e l o p m e n t o f i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ee m e r g e n c eo fi n t e l l i g e n tn a v i g a t i o na i d ，h o w t od e v e l o p ea ne f f i c i e n ta n dr e l i a b l es y s t e mw h i c hc a nm e a s u r ea n dc o n t r o l t h ei n t e l l i g e n tn a v i g a t i o na i dr e m o t e l y , b e c o m e sag r e a tc o n c e r nt oa l lt h e m a i n t e n a n c ep e r s o n n e l a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i c so fi n t e l l i g e n tn a v i g a t i o na i d ，o nt h eb a s eo f d e e p l yr e s e a r c h i n gt h ep r i n c i p l eo fd s pe m b e d d e ds y s t e m s ，g p r sw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dg p st e c h n o l o g y , ac o m p l e t es o l u t i o nf o r r e m o t em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mo fi n t e l l i g e n tn a v i g a t i o na i dw a s p r o p o s e d m a i nt a s k sa r ea sf o l l o w s ： i i i 北京化工人学硕l ：学位论文 1 as o l u t i o nf o rr e m o t em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mo fi n t e l l i g e n t n a v i g a t i o na i dw a sp r o p o s e d a st h em a i nc o n t r o l l e r , t h ec o n t r o lu n i tb a s e do n d s pw a sd e s i g nt os c h e d u l e rt a s k sf o rd a t ac o l l e c t i n g ，r e p o r t i n g ，s a v i n gi nt h e e n t i r es y s t e m t h ee l e c t r i c a la n dg p sp a r a m e t e r so fn a v i g a t i o na i dw e r e p a c k a g e da c c o r d i n gt ot h ed a t ap r o t o c 0 1 t h es t a t u sd a t aw a ss e n d e dt ot h e c e n t r a lc o m p u t e ra n dt h ec o n t r o lw a sr e c e i v e df r o mi ti nt w ow a y so fg p r s a n ds m s ； 2 t h eh a r d w a r ec i r c u i to ft h er e m o t et e r m i n a lw a sd e s i g n e d ，a n dt h e c i r c u i ts c h e m a t i ca n dp c bb o a r dw e r em a p p e d ； 3 t h et e r m i n a ls y s t e ms o f t w a r ew a sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d ，w h i c h c o m p l e t e st h ed e c o d i n go fg p sa n ds m sd a t ap r o t o c o l ，t h ee l e c t r i c a l p a r a m e t e r ss a m p l i n go fn a v i g a t i o na i dt h es t a t u so fr e p o r t i n ga n d t h es a v i n go f d a t a ； 4 i nt w o a s p e c t s o fr e s p o n s em e c h a n i s ma n dd a t af o r m a t ，t h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e nt h et e r m i n a la n dt h ec e n t r a ls t a t i o n m a n a g e m e n tp l a t f o r mw a sd e s i g n e d t h ec e n t r a ls t a t i o nm a n a g e m e n tp l a t f o r m w a sd e v e l o p e di nv ce n v i r o n m e n tt ov e r i f yf e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so f p r o t o c a l ； 5 b yr e s e a r c h i n go ft h eb o o tl o a dt h e o r yo fd s p , t h ec o d ef o r m a ti nc p r o g r a m m i n gl a n g u a g ea n dt h et e c h n o l o g yo ff l a s h ，r e m o t eu p g r a d i n gf o r t e r m i n a ls y s t e mb a s e do ng p r sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw a s r e a l i z e d i v a b s t r a c t 6 t h ew a yo ft h es y s t e mt e s tw a se x p l a i n e d ，a n dt h et e s t i n gw a sf i n i s h e d t h et e s t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e m sf u n c t i o na n dt h ep e r f o r m a n c em e e t t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：r e m o t em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l ，i n t e l l i g e n tn a v i g a t i o na i d ， d i f f e r e n t i a lg p s ，r e m o t eu p d a t i n g ，g p r s v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：望竺三奎日期： df 0 罗2 2 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在一年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：鉴二叠 导师签名：幺盛宴 日期：! ! ：三：三二 日期：匕么竺：兰! 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景及意义 我国境内拥有天然的河流共5 8 0 0 多条【i 】，总长度达到4 0 万多千米，可作为航道 的里程约1 0 万多千米，这其中有7 万多公里可以通航机动船只，。通航里程几乎是英 国、法国、德国三国内河航道总和的3 倍【1 1 。内河水路运输是综合运输体系中重要的 组成部分。 水路运输运载能力大、耗能少、花费低、是有些国家主要的运输手段。例 如，密西西比河的运输能力相当于1 0 条铁路【2 1 ，莱茵河有2 0 条铁路的运输能力 总和。 开发水路运输可以带来多方面的应用，开发天然河流为通航航道与水利灌 溉、抗洪排险、蓄水发电、渔业养殖及生产生活用水都有息息相关，所以大力 发展水路的运输事业，既能提升运输能力，还为生产的综合发展提供了物质基 础【3 1 。 内河水路运输，在现今综合的运输体系中仍占据重要地位地位。新中国成立 以来，我国水运事业取得了重大进步。中国当前已基本形成一个具有相当规模的 水运体系。水路运输为我国经济和社会发展发挥了重要作用。比如长江航运就为沿 线企业生产提供了8 0 以上f 4 】的原油、铁矿石、电煤等生产原料。 随着我国水路运输系统结构的不断完善和规模的不断扩大，对水路航道实施有效 的监管，保证安全航运成为重要课题。航标灯是安全航运保障系统的重要组成部分， 保证航标灯的正常工作为保障安全航运提供了首要前提。 现代航运的飞速发展不断提高对航标的工作稳定性和故障反应速度的要求。一方 面因为航标灯工作在一个剧烈变化的环境中，恶劣环境加剧航标灯损耗，增大故障概 率【5 】；另一方面，航标灯的安装环境也比较复杂并且安装地点很多，为了检查航标灯 是否正常工作，传统的办法是定期派船只去现场巡查，由于航标安装地点遥远，需要 检查的地点也很多，要派出大量的巡航船只和护航人员。为了增加航标的可靠工作， 有时一个航标灯的维护，需要多次来回，这样的巡查维护不但缺乏目的性和准确性， 而且船只和人员的开销费用也都很大，更大缺陷是这样的监测效率很低，实时性差， 给安全航运带来隐患。 针对这种情况，建立一个能够快速反应的航标灯自动遥测遥控系统具有现实意 义。在航标灯出现故障之后，能够迅速的反应并通知维修人员，同时也能随时监控航 标灯工作的各种参数，使得维护人员能够及时地检查到潜在的系统隐患，从而能够提 前做出应对措施。 北京化工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 航道信息化发展 近3 0 多年以来，我国水路运输事业发展迅速，水路运输量增加1 6 倍以上， 已初步形成一个颇具规模的水运体系。到2 0 0 8 底，我国内河航道的通航总里程已 经达到1 3 3 万公型1 1 ，位居世界内河第一。 我国在建设信息化，智能化，网络化交通运输系统方面已有十年历史，公路与铁 路的信息化都已经相当完善，但水运航道的信息化建设才刚刚起步。2 0 0 9 年9 月，我 国第一段数字化内河航道，在长江下游南京至浏河口河段建成 7 1 ，长3 6 9 5 千米，在 世界范围内第一次系统地提出了“数字航道”的概念和总体构架。 数字航道系统【8 1 主要包括电子航道地、航标遥测遥控、系统支撑平台等子系统， 综合运用遥感、遥测、地理信息系统、计算机模拟等多种技术，使航道业务流程、动 态监测管理和辅助决策服务，实现网络化、智能化和可视化。 中国长江航道的电子导航建设，在世界内河航运中居于先进地位。南浏段数字航 道建设取得成功后，长江航道局计划下一步在长江上游的三峡库区河段开始建设数字 航道。 1 2 2 航标灯的智能化发展 航标灯是为船只安全通航提供信息指示的的设施和装置，是航运安全保障系统中 的主要环节，是维持水上交通运输畅通，保障船舶安全，经济航行的重要设施。 我国航标灯的发展经历了几个阶段 9 1 ，最早是安装只能在白天使用的危险航道标 志；后来开始使用煤油灯和乙炔气灯作为航标灯；1 9 5 8 年毛主席视察长江提出“航标 要电气化 的指示，1 4 年之后长江航道终于实现了航标灯电气化变革；8 0 年代中期 开始出现半导体的太阳能航标灯并投入使用；9 0 年代，发光二极管f 9 】的出现，为航标 灯光源技术变革带来条件。发光二极管的低电压、低能耗、高亮度、射程远、使用寿 命长的技术优点是它成为新一代航标灯光源的首选方案。 2 0 0 4 年以来，我国成功研制出新型太阳能一体化航标灯 g l h d l 0 0 系列产品，经由 中国科学院院士为主任委员的专家组鉴定，认为h d l0 0 型太阳能一体化航标灯研究 成果处于同类产品的国际先进水平。新型航标灯将先进的太阳能光电技术、l e d 照明 技术、高能量锂电池组合技术、微电脑闪光器控制技术集成一体，通过多次改进与试 验，各项性能指标达到技术要求。 2 0 0 8 年首批该新型航标灯在长江部分航道上开始试运行 1o 】，运行结果显示，新 型太阳能一体化航标灯灯光明亮，能见度高，助航效果明显，轻巧的重量和体积也大 2 第一章绪论 大减轻了护航人员的维护强度，各项技术指标均优于l e d 光源的旧式航标灯。 2 0 0 9 年长江干线2 6 8 8 公里航道又配备3 0 0 0 盏太阳能一体化航标灯，全线都实现 太阳能一体化航标灯【11 1 。 1 2 3 航标灯监测现状及发展 航标灯的正常运行是船只安全航行的保障。航标灯传统的维护是派出船只到现场 巡查，恶劣的工作环境使航标灯出现故障的机率较大【1 2 】，同时因为航标灯的安装地点 很多且分散，为了检查航标灯是否运转正常，必须派出大量的巡查船只和维护人员， 船只和人员的费用开销很高，更大缺陷是这样的监测效率很低，实时性差，给安全航 运带来隐患。 现代航运的发展对航标工作稳定性和故障反应度提出了更高的要求。这就使建立 一个能够快速反应的航标灯自动遥测遥控系统具有现实的意义。在航标灯出现故障之 后，能够迅速的反应并通知修理人员前去维修，同时也能随时监控航标灯工作的各种 电压电流参数，使得维护人员能够及时地预见可能的故障，从而能够提前准备应对措 施。 近年来，随着大量先进科学技术不断引入航标领域，航标科技也迅速发展，特别 是光学，无线电、计算机、通信等技术在航标领域的广泛应用，使航标科技的发展进 入了数字化时代，为水上航运提供更优质的服务和更安全的保障。 2 0 0 5 年，河海大学邓绍新针对传统航标灯维护效率低下的问题，提出了基于g s m 网络短信业务的自动遥测系统，该系统采集航标灯的状态参数，通过短消息方式发送 ” 到监控中心，但该方式传输数据量小，费用较高，并且该系统中没有解决航标的定位 问题。 2 0 0 6 年我国举行的航标博览会上，首次提出“数字航标”的概念【1 3 】，自此航标 发展进入了数字时代。 2 0 0 6 年，天津大学匡俊华结合g p s 定位技术，给出了智能航标灯的硬件设计， 解决了航标灯的定位问题，但整个设计只是针对硬件设计而言，并没有给出完整的软 硬件系统解决方案。 2 0 0 9 底长江干线航道上配备新型太阳能一体化航标灯，长江航道局还进行了遥测 遥控航标灯的合作开发，研制的航标灯样品目f j 正在研发测试阶段，关于该成果的还 尚未见论文公开发表。 北京化工大学硕t z 学位论文 1 3 论文研究内容和组织结构 1 3 1 论文研究内容 本文根据航标灯遥测遥控的功能及环境需求，设计了基于g p r s 1 4 】和g p s 的智能 航标灯监测系统，包括监测终端硬件、终端系统软件和中心站管理平台三部分。监测 终端硬件部分分为主控c p u ，采集模块，通信模块，定位模块，保存模块几部分，和 航标灯安装在一起统一由太阳能蓄电池供电。监测终端独立运行，不影响航标灯的正 常工作。主控控制器选用数字信号处理器( d s p ) ，完成各个模块功能的初始化和调 度。测量模块负责采集太阳能帆板、蓄电池和航标灯发光管的工作电压电流值。定位 模块负责测量航标灯的实时位置信息的采集；保存模块选用s d 卡保存所有的测量历 史数据以供中心站工作人员查询。通信模块通过g p r s 方式完成远程无线通信。在该 系统的设计中，还完成了遥测终端的软件系统的开发，包括终端系统软件和中心计算 机管理软件。管理软件提供了故障即时警报、数据定时上报和实时数据查询三种数据 模式，利用这三种模式航标灯维护人员可以在不到达航标灯现场的情况下实现对航标 灯的维护和管理。最后在分析了遥测遥控系统的特征的基础上，提出了基于g p r s 无 线通信技术的d s p 程序远程升级的解决方案，并在航标灯遥测遥控系统中成功实现 了该方案，程序的远程升级的实现大大提高了系统的可扩展性。具体的主要研究内容 包括： ( 1 ) 在深入研究智能航标灯和各项关键技术的基础上，设计并提出完整的智能 航标灯遥测遥控系统的解决方案。该方案选用数字信号处理器为处理器，这为以后系 统在数字信号处理方面的扩展打下了基础。d s p 负责整个系统采集，上报，保存等任 务的调度，按约定的数据协议封装航标灯的各项电压电流灯质等电气参数，选用单点 或差分g p s 方式获取位置坐标信息，通过g p r s 方式和中心站计算机进行通信，并 接收中心站的控制配置指令，实现对航标灯工作状态的自动、实时的监控； ( 2 ) 终端硬件设计，使用p a d s 2 0 0 5e d a 软件完成原理图和p c b 板图的绘制。 硬件主要包括：t i 公司的t m s f 2 8 1 2 实现的c p u 模块、西门子公司的m c 5 5 无线通 信模块、u b l o x 公司的l e a 一4 sg p s 模块、金士顿s d 卡、电压电流采集模块及电 源模块几部分； ( 3 ) 通信协议的设计，设计实现了遥测单元和中心站计算机之问的连接应答机 制和二者之间的数据通信格式，该协议适用于g p r s 和s m s 两种通信模式，并且本 地串口也支持该通信协议。并且在分析p d u 模式短消息的数据格式，并编写了短消 息的编解码程序； ( 4 ) g p s 的数据格式研究，深入分析了n m e a 的各种数据格式，并编程实现了 定位数据g g a 的接收和解析，成功提取了g p s 数据中的位置坐标； 4 第一章绪论 ( 5 ) 终端系统软件设计，使用t i 公司开发环境c c s 2 2 ，开发了遥测终端的系 统软件，包括：s c i 、s p i 等接口的通信驱动、数据协议的封装和解析、报警上报的完 成等： ( 6 ) 中心计算机管理软件的开发，在整套遥测遥控系统的硬件基础上，使用v c 环境开发中心站计算机管理软件，该管理平台实现所有对航标灯终端的查询和控制， 并能显示保存上报的数据，以便进一步系统的分析航标灯的工作情况，并开发管理平 台的安装程序； ( 7 ) 终端程序远程升级的实现，在研究d s p 启动原理，c 语言程序结构和f l a s h 技术的基础上，利用g p r s 无线通信技术实现了终端系统软件的远程升级功能。 1 3 2 论文结构安排 本论文共分7 个章节，各章节的内容安排如下：； 第一章为绪论，总体介绍课题研究背景及意义，航标灯遥测遥控技术研究现状和 发展趋势，简要介绍了程序自动升级技术在遥测遥控系统中应用前景。 第二章介绍航标灯遥测遥控系统的总体设计和关键技术方案的实施，包括系统总 体构架设计、系统总体功能的介绍和参数指标要求。重点介绍了无线通信和卫星定位 的关键技术和方案的设计。 第三章为航标灯遥测遥控系统的硬件系统的设计，主要包括采集模块，通信模块， 保存模块，定位模块几部分的设计，并给出关键接口原理及实现。 第四章介绍终端系统软件和中心站管理平台软件的设计。包括通信协议设计， g p s 协议分析，无线通信实现，s c i 及s p i 接口驱动设计，和中心站管理平台的开发。 第五章详细介绍d s p 程序的远程升级的实现。在深入分析研究了d s p 启动原理， c 程序分段结构和f l a s h 技术的基础上，利用g p r s 无线通信实现远程系统程序的升 级。在本章详细的介绍了各项关键技术的实施细节。 第六章给出了整个系统的测试结果，通过长时间的联机调试，验证本文设计的航 标灯遥测遥控系统的有效性和可靠性。 第七章给出了结论及进一步的工作展望。 5 第一帝遣d 遥控系统总* * * 第二章遥测遥控系统总体设计 21 系统总体结构设计 航标灯遥测遥控系统是充分利用了嵌入式系统，g p s 全球定位g p r s 无线通信 15 1 , 等技术的基础上，开发的远程自动的监测终端。将遥测终端和航标灯安装到起， 使用d s p 作为主控控制器，实现各个功能的调度，在实时时钟( r t c ) 定时器的榨制 下，c p u 定时触发采集电路工作，依次测量航标灯的再项电气参数，包括太阳能板电 流r 乜压，藩电池r b 流电压，航标灯电流电雎及位置屯标。按照通信协议的约定将数据 封装成数据帧，利用g p r s 无线通信模块，将数据帧由无线网络传送到有线i n t e m e t 刚 络。 中心站计算机有自己的固定h a ，g p r s 业务为每次的g p r s 通信提供一个能够连接 到公睡的动忐i p ，通过t c p i p 协议将遥测终端和中心站计算机连接到起。中心站计 算机上的管理平台为用户提供对远端终端的查询控制等功能。航标灯遥测遥控系统的 结构如图2 1 所示。 图2 - 1 航标ij 违4 遥控系统框斟 f i g2 1s t r a c t u r c o f s y s l e m 上面的结构图揭示了整个系统的工作情况。即：终端定时测昆航括灯的参数，然 后通过g p r s 网络将数据上报给中心站计算机，在本身设计中共响定时上报，故障报 警和随时查嘲= i 种通信模式。收到航标的状忐数据后航标归维护人员以数据为依据， 判断故障的种类和解决方案，从而作山维护决策，避免了盲目的山航维修，大大提高 了维护的效率。 北京化工大学硕j b 学位论文 2 2 系统总体功能概述 航标灯遥测遥控系统通过将嵌入式技术，无线通信技术和卫星定位技术相结合， 实现对航标灯的自动监测，能及时发现设备故障。该系统完成的功能如表2 1 所示。 表2 - 1 系统功能 t a b l e2 - 1f u n c t i o no fs y s t e m 功能要求 功能描述 通信功能遥测遥控终端具有远程无线通信能力；本地串口通信；和航标灯通信 采集功能采集太阳能板电流电压，蓄电池电流电压，航标灯电流电压，g p s 定位坐标 设置功能设置报警i 、j 限参数，通信参数，终端编号等信息参数； 报警功能电流电压过高过低报警，位置偏移报警，灯质异常报警 遥控功能接收查询，授时，密码管理等指令 2 2 1 通信功能 r t u 本地串口通信功能，本地串口是调试接口，在调试程序调试阶段输出调试信 息，以便更高效快捷的对程序进行开发，并且作为出厂默认参数的配置接口。 g p r s 通信：g p r s 方式通信可靠成本低廉，是本系统选用的主要通信方式。通 过g p r s 网络遥测终端和中心站服务器发起连接进行定时上报，故障报警和中心站查 询等形式的数据通信。在数据量较大的程序远程升级的应用上更是发挥出了它的重要 作用。 g s m 通信：航标监测系统和航标灯一起固定在航道的浮标，或者岸上的定标上， 航道蔓延几百上千千米，环境异常恶劣，电磁干扰严重。当g p r s 不能正常发起链接 的时候，监测系统自动切换到s m s 短信模式，这种双通信模式大大提高了系统的可 靠程度。 灯通信功能：智能航标灯都有自己独立的c p u 和预留的通信接口，为了实现对 航标灯的开关和亮闪灯质的控制，遥测遥控终端需要与智能航标灯进行数据通信。 2 2 2 采集功能 遥测终端作为监测控制航标灯的系统，对航标灯各项电器参数的测量是它最主要 的功能。一台正常工作的航标灯需要包括l e d 二极管灯，充电电池和太阳能板三部 分，这也是测量部分的主要对象。测量部分必须能够全面、及时、有效的测量航标灯 运行过程中的各项电气指标。并且还要采集航标灯的g p s 位置参数，用来判断航标 灯是否发生了漂移等。 航标灯电流电压参数：航标灯电流电压反应航标灯是否工作正常的重要参数。 第_ 二章遥测遥控系统总体设计 灯质数据：灯质指航标灯亮灭次数，时间问隔和灯光颜色等。比如一种周期为双 闪6 秒的灯，灯质是1 5 s ，1 5 s ，1 5 s ，4 5 s ，含义是亮1 5 秒，灭1 5 秒，再亮1 5 秒，最后灭4 5 秒。国际航标协会对灯质有一份专门的约定，一共收录的2 5 6 种不同 灯质。 蓄电池电流电压：蓄电池输出电流电压反应整个系统供电情况，航标灯和测量终 端公用蓄电池供电，如果发现电压过低，说明电池续航能力下降，中心站就需要安排 人员到现场去更换电池。 太阳能板电流电压：太阳能板是整个系统能源来源。太阳能板电压反应对蓄电池 的充电能力，充电电流的大小反应充电情况。 位置信息：有些航标是预告危险位置的，比如航道危险处和大桥的桥墩等等。这 些航标灯除了亮度指标有求外，对于位置指标也有要求，否则就不能很好的通知船舶 避开危险。 2 2 3 设置功能 系统对航标灯进行采集判断的时候，需要对数据按相应的算法进行判断和处理， 当判断状态参数时，电压低到什么门限值应该被判为报警，这些门限值需要设置；同 时通信部分也需要保存航道局中心站服务器的i p 地址和端口号。这些报警的门限参 数和通信地址等参数，都是需要用户可以通过远程无线和本地串口设置保存的。 终端信息设置：编号和用户密码； 工作模式设置：工作| 日j 隔，丌始时间； 功能开关设置：可以对每一项功能进行单独开关； 报警门限参数：各项电流电压的报警阈值； 报警时间参数：为了排除突发干扰的影响，对报警事件，进行长时间测量是很有 必要，此参数是测量的时长，表明异常事件出现多久后被判断为报警； 通讯参数设置：中心站服务器的i p 地址和端口号等通信参数。 2 2 4 报警功能 航标灯自动遥测遥控系统利用微型计算机技术和无线通信技术提出的解决方案。 自动监测航标灯工作的电气、位置等参数。出现故障时，自动上报，可以让航标灯维 护人员及时发现并解决故障，为安全航运提供可靠的保证。报警功能是自动监测系统 的最为重要的功能。结合航标灯的工作特点，需要监测的参数主要有：太阳能板电压 电流、蓄电池电压电流、航标灯电压电流、位置异常、灯质报警。采集模块完成对各 项参数的测量采集，决策算法根据报警门限和报警时间进行判断，当符合故障条件时， 9 北京化- t 人学硕1 ：学位论义 主动和中心站服务器发起连接，按约定的数据格式上报报警数据。 2 2 4 遥控功能 除了定时上报和故障报警，中心站管理服务器还可以主动埘航标灯监测终端发起 呼叫建立g p r s 连接，建立通信之后通过中心站管理软件能对远端的终端发起远程控 制，以实现同常维护和更新功能。这些控制功能有： 灯质控制：当航标灯灯质需要需要改变时，终端和航标灯通过串口进行通信，修 改航标灯的灯质表。 远程授时：对监测终端进行远程时间管理。 中心站查询：由中心站发起查询命令，可以查询当前终端工作状态，报警门限等 设置参数。 程序升级：充分利用g p r s 远程无线通信的功能，当终端测系统软件需要更换时， 不需要派工作人员到航标灯现场进行程序调试烧写，只需要功过管理平台一个命令就 可以完成升级。 用户管理：为了加强航标灯终端的安全级别，对相关的工作人员实行权限分级。 2 3 通信方案设计 2 3 1 无线通信模块的选择 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用分组无线服务技术) 是第二代无线通 信g s m 技术的扩展【l6 1 ，它在g s m 原有网络的基础上加入了s g s n ( 服务g p r s 支 持节点) 、g g s n ( 网关g p r s 支持节点) ，其中g g s n 】网关支持t c p i p 协议， 实现了无线网与有线网络的互连。g p r s 模块是为应用g p r s 业务而开发的终端通信 单元。目前，各大通信厂商推向市场的g p r s 通信模块大致可以分为两类：不包含 t c p i 协议模块和内置t c p i p 1 8 】协议栈的g p r s 模块。 ( 1 ) 不包含t c p i p 协议模块 此类模块不支持t c p i p 协议栈，只支持g p r s 和短消息收发。此类模块的应用 分为两种实现方式：一、是由处理器支持网络协议，这就要求嵌入式操作系统支持完 整的t c p i p 协议栈，二、需要用户自己开发移植t c p i p 网络协议，编程实现g p r s 的拨号上网、p p p 配置并最终建立t c p i p 网络节点，实现g p r s 的附着和激活功能， 然后与i n t e r n e t 通信。但这种方式加大了用户开发工作量。 ( 2 ) 内置t c p i p 协议模块 这一类模块的特点是g p r s 模块内嵌入了t c p i p 网络协议栈，在开发时用户一 般只需调用相应的a t 命令对其进行设置，模块自身就会完成g p r s 网络和i n t e m e t l o 第二章遥测遥控系统总体设计 的互连，通过a t 指令也可实现数据传输，开发过程比较简单。 本文的解决方案中选用了支持t c p i p 协议的m c 5 5 模块。 2 3 2 通信协议的选择 i n t e m e t 传输层主要协议有t c p 和u d p 协议，t c p 是一种基于连接的协议，提供 一种面向连接的、可靠的字节流服务，发送数据之前先确定是否连接；u d p 是一种无 连接的协议【1 9 】，只负责发送应用程序的数据，但并不保证数据能否正确送达接收方。 通过以上的分析我们可以对t c p 和u d p 两种连接方式作出以下的比较和结论， 如表2 2 所示。 表2 - 2 t c p 和u d p 比较 t a b l e2 - 2c o m p a r a t i o no f t c pa n du d p 性能t c p 协议u d p 协议 是否连接基于连接 非基丁连接 可靠性可靠不可靠 数据量传输人量数据传输少量数据 传输速度快慢 在实际应用中，要根据不同的需求选择u d p 或t c p 协议。在本系统的设计方案 中，对数据传输的可靠性提出了十分严格的要求，因此本文采用了t c p 协议实现网 络通信。 2 3 3 中心站入网方式的选择 计算机入网方式有很多种，如何让g p r s 无线监测系统与航道管理单位内部网络 完美通信是本系统设计中必须考虑的问题。 g p r s 网络支持口协议【2 0 1 ，但这里的i p 是g p r s 内部网络i p 地址，一般这个地 址都是网关动态获取的，在使用无线通信组建系统时，如果控制中心和监测终端都使 用动态i p 地址，它们之间的通信是无法建立的。无线动态i p 接入方式比较容易，成 本较低，所以终端选用这种方式入网。一般这样的监控系统是由一个控制中心和多个 监测终端组成星型结构，所以控制中心应选用静态地址或其他中转方式入网，而监测 终端使用无线动态入网方式，下面介绍控制中心常用的有线入网方式1 2 。 ( 1 ) 静态方式 控制中心使用固定口接入公网【2 2 1 。在这种方式下，先由监测终端发起连接，监 测终端登录网关后获得动态口地址，经g p r s 网络的n a t 服务器进行地址转换之后， 控制中心和监测终端进行双向通信。该方案通信速度快、简单可靠，安全性适中。 ( 2 ) 动态p + d n s 解析方式 北京化工人学硕i ：学位论文 控制中心接入公网动态拨号入网 2 2 】，为了找到控制中心，使用公网动态域名解析 服务，监控终端连接d n s 服务器后利用域名找到控制中心公网动态i p 地址，建立连 接。此种方式可以节省公网固定m 的费用，但域名解析服务，提高了使用花费，通 信速度居中、质量较稳定、适用于小规模应用。 ( 3 ) 专线方式入网 控制中心使用专线接入g p r s 网络。在这种方式下，控制中心具有g p r s 内网的 固定i p 地址，其通信过程和方式1 相似。但通信在g p r s 网内进行。此种方案特点有： 安全性好、质量稳定，速度快、但建设成本高。 选用何种组网方式，在实际应用需求来确定。按照方案中的实际需求进行分析比 较，本系统的设计中，选用了控制中心静态i p 的组网方式。 2 4 定位方案设计 2 4 1 定位系统的选择 目前，世界上有四个卫星定位系统，美国的g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) ，俄罗 斯的格罗纳斯( g l o n a s s ) ，欧盟的伽利略( g a l i l e o ) 和我国的北斗( b e i d o u ) 系统。g p s 和g l o n a s s 系统起步较早，技术成熟，早在2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代 初期，美国和前苏联就分别开始研制全天候、全天时、连续实时提供精确定位服务的 新一代全球卫星导航系统，到9 0 年代中期g p s 和g l o n a s s 系统均已建成并投入运 行。2 0 0 0 年以来，我国开始建设自主知识产权的北斗卫星导航系统，2 0 0 3 年底正式 开通运行。欧盟筹建的g a l i l e o 全球卫星导航系统正在计划实施之中。 ( 1 ) g p s 定位系统 g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，全球定位系统1 系统是美国研发第二代空间卫星 导航定位系统【2 4 1 ，由二十四颗卫星构成。使用g p s 接收机，接收卫星发送的导航信 号，在任何时候、任何地点都能准确地测量到物体瞬时位置的一种定位系统( 包括物 体的经纬度、高度、速度等位置信息) ，要获得地面点的三维坐标，必须对4 颗卫星 进行测量【2 5 】。它是利用被动式定位原理的卫星定位系统，由美国军方于2 0 世纪7 0 年 代研制。为了限制不同用户对g p s 的应用，g p s 发射的不同级别的信号分别为军事 部门和民间用户提供不同精度的定位服务。 ( 2 ) g l o n a s s 定位系统 g l o n a s s ( 格罗纳斯) 与g p s 一样也由2 4 颗卫星组成，原理和方案都与g p s 类似。截至2 0 0 4 年，除了上面提到的3 颗卫星以外，在太空运行的g l o n a s s 卫星 已有1 3 颗，其中的1 1 颗已经启用，另外两颗是备用卫星。距离2 4 颗实现全球定位 还有一段距离，它的应用普及情况则远不及g p s ，这主要是俄罗斯没有开发民用市场。 1 2 第二章遥测遥控系统总体设计 另外，g l o n a s s 卫星平均在轨道上的寿命较短，在轨的可用卫星较少。 ( 3 ) g a l i l e o 全球卫星定位系统 g a l i l e o ( 伽利略) 系统是全球卫星定位系统，可以进行全球的定位功能。系 统在轨卫星是3 0 颗，它的优势是一方面适合于民用，另一方面是它的兼容性【2 7 1 。但 该系统还在建设当中，目前尚不具备商业应用能力。 ( 4 ) 北斗卫星定位系统 北斗卫星定位系统是我国研发的具有卫星定位系统和卫星通信的能力。北斗定位 系统分两代【2 8 】，第一代卫星数目为4 颗，只在我国境内有效，目前一代系统已经发挥 效用，主要应用在抢险救灾，水情监测，海洋渔业和军事领域中，还没有普及到普通 民用阶段。第二代是全球系统，由3 5 颗卫星组成【2 9 1 ，还处在建设当中。 综上，本系统中选用的是g p s 定位系统。 2 4 2 差分g p 8 方式选择 定位系统是通过对接收的定位信号进行计算来实现定位的【3 0 1 ，在这一定位过程 中，存在着卫星信号共有误差，传播误差和接收机固有误差，此外还有美国军方人为 加入的s a 误差，s a 误差技术是为了限制非特许用户利用g p s 进行高精度点定位而 采用的降低系统精度的方法。所有的这些原因使得对外免费提供定位服务的定位精度 只能到1 5 米。 为了克服这些自然和人为的影响，发展了d g p s ( d i f f e r e n t i a lg l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m ，差分定位系统) ，差分系统的原理是在固定位置安装g p s 接收机，将已知位 置和计算的结果进行比较，经一定的计算得出校正数据，将校正数据发送给户用，用 户用来修正本地接收机的测量结果，以实现高精度定位。一般的g p s 接收机都集成 了差分修正。接收机接收不同的校正数据实现不同的差分定位。 根据差分g p s 基准站发送的信息方式可将差分g p s 定位技术分为三类，即：位 置差分，伪距差分，相位差分；按照差分系统所覆盖的范围，可分为广域差分和局域 差分【3 0 】。 位置差分精度最