遥测遥控航标的设计

1、青岛理工大学毕业设计（论文）摘 要我国是世界上河流众多的国家之一，数量多，流程长，而且很多河流水域具有重要的航运价值。然而我国许多河流一年之中水位变化频繁，水位发生变化后，指示航标极易偏离初始位置，无法准确指示航道位置，影响航行、人身及财产安全。为了提高航标维护人员的工作效率，降低人工维护成本，遥测遥控无人值守的自动航标系统的研究应用势在必行。本文主要研究了基于GSM短消息服务功能、GPS定位系统的遥控遥测航标系统的设计与应用。本设计中，采用模块化的设计思想，将整个系统分为控制中心和航标船两个子系统，分别对控制中心的水位监测单元，报警单元和航标船的中心处理单元，供电单元，动力制动单元，GPS定

2、位单元，船体故障检测单元以及连接二者的GSM无线通信单元从方案可行性，到电路设计，再到程序设计作了详细的研究与分析，最终完成了整个的设计。该系统通过监控中心实时检测河流水位异常信息，通过GSM网络的短信功能，将异常信息发送给航标船。航标船接收异常信息，根据水位信息作出相应的调整，保证船体始终能够正确导航。关键词：航标船,遥控遥测,GSM,GPSABSTRACTChina is one of the countries that have many of rivers in the world not only the huge number, but also the long process

3、. Many of them have the important value in shaping. However , the level of these rivers changes frequently in a year, making the indicating mark deviates from the initial position highly, so the indicating mark can not indicate the accurate channel position ,probably affecting navigation ,personal a

4、nd property safety. In order to improve the navigation aid maintenance personnels working efficiency and reduce artificial maintenance costs, the research and application of automatic navigation system of remoting unattended is imperative.This paper mainly studies the design and application of remot

5、e control and telemetry navigation system of GPS positioning system,based on the GSM short message service function.This design adopts the idea of modular design,and the whole system is divided into the control center and the navigation mark ship two subsystems,this design respectively research on w

6、ater level monitoring unit of control center, an alarm unit and the central processing unit of the navigation mark ship, power supply unit, dynamic braking unit,GPS positioning unit, The fault detection unit of the ship and the GSM wireless communication unit connected between them,from the feasibil

7、ity of the scheme, the circuit design, and then to the program design makes a detailed research and analysis, and finally finished the whole design.The system through the control center detects the abnormal information of river water level real time,sends the abnormal information to the navigation m

8、ark ship through the GSM network short message function.when navigation mark ship receives the abnormal information,it will adjust the water level information according to the water level information, to ensure correct navigation all time.KEY WORDS: buoy boat, telemetry and remote control , GSM ,GPS

9、目 录第1章 绪论11.1 遥控遥测简介11.2 测量与控制中数据通信的要求11.3 遥测遥控航标的研究背景21.4遥测遥控航标设计任务2第2章 遥测遥控航标系统分析32.1 系统结构功能分析32.1.1 监控中心32.1.2 航标船42.2 方案可行性分析62.2.1 中心处理单元的选择62.2.2 GSM无线通信模块的选择72.2.3 GPS模块的选择9第3章 系统电路设计103.1 航标船系统电路设计103.1.1 中心处理单元103.1.2 航标船供电模块的设计123.1.3 航标船动力、制动模块的设计133.1.4 GSM无线通信模块143.1.5 GPS电路的设计183.1.6 船

10、体故障检测单元193.2 监控中心系统电路设计213.2.1报警电路设计213.2.2水位监测单元21第4章 系统软件程序设计234.1系统软件开发平台234.2系统整体设计流程234.3模块化程序设计244.3.1水位检测子程序设计254.3.2 GSM通信子程序设计264.3.3 船体故障子程序设计274.3.4 GPS模块子程序设计28第5章 结论29致谢30参考文献31附录 33第1章 绪论1.1 遥控遥测简介遥控技术是指对受控对象进行远距离控制和监测,利用自动控制技术、通信技术的一项综合性技术。遥测是对空间上有一定距离的被测对象上的参数进行测量的技术与过程。数据传输是遥控的一项关键技

11、术。有线遥控传输采用电缆、屏蔽线或光导纤维传输，抗干扰性强，但是灵活性差，只能用于固定的对象的测量。无线遥控采用无线电波，灵活性强，可以用于活动对象的测量。遥控常采用多路传输方式，多路传输可用时分、频分与码分。遥控信号可采用数字信号或模拟信号。模拟遥控首先要模拟信号转换成适于在信道中传输的形式，可用于要求不高的场合。数字遥控可利用数字信号处理技术，相较于模拟方式，具有精确性好，可靠性高的性能优势。遥控遥测综合应用传感器、数据传输和信号处理等技术，发展迅速，应用性强。它最早出现在十九世纪初，从上世纪20年代开始，遥测遥控技术先后在军事，遥感遥测，航空航天等领域得到长足发展，到现在，更多民用设备也

12、已经采用遥测遥控技术。 遥控遥测系统发展趋势主要集中在以下几方面: 首先要提高系统的适应能力，以满足各种不同用途的需要。通过发展一种灵活通用的可编程序遥控系统，随时改变系统的工作状态，以满足不同用途的需要。其次，采用先进的元器件及工艺设计，减小设备体积、重量，降低成本及系统消耗，使系统可靠性得以提高。同时，遥控遥测技术在通信技术、传感器技术等基础上，应向多媒体、智能化的方向发展。1.2 测量与控制中数据通信的要求鉴于控制及测量的特殊性，其数据通信应具有如下要求1：（1）可靠性高。测量与控制中的数据通信的可靠性包含以下三个方面内容：a可用性好，网络自身故障率低。这样就要求网络设备质量高、平均故障

13、间隔时间长、应尽量避免故障的发生。b.容错能力强，网络局部单元出现故障，对整个系统的正常工作不产生影响。（2）响应快速、准确。这体现为对内部和外部事件能够快速的响应，并作出相应的处理。（3）环境适应能力强 ，即使在环境恶劣的情况下也能保证完整可靠的数据传输。 1.3 遥测遥控航标的研究背景 遥测遥控技术的发展，使得基于此项技术的应用逐渐普及，遥测遥控航标的设计及应用也得到长足发展。文献2提出了一种基于ZigBee的路由算法，实现了航标状态的远程监控。文献3提出了基于CDMA作为主通信网络，ZigBee作为无线通信传输单元，实现了航标的远程操控。文献4提出了通过北斗接收天线、北斗发射天线、北斗收

14、发处理模块、检测监控模块，设计了分体式遥测遥控航标系统。文献5提出了利用CPRS/CDMA无线通信网络和航标遥测遥控监控技术，实现相应区域航标的数字化管理。文献6对现有航标遥测遥控系统的应用现状进行分析与研究，依据新导则的相关规约和通信标准，实现遥测遥控航标系统的优化。1.4遥测遥控航标设计任务本设计的主要任务：合理分析系统功能，对系统每个单元模块的功能结构作出详细的分析，顺次完成设计方案的选择，电路的设计，再到软件部分的设计，实现整个遥测遥控航标系统的设计。本次设计的遥控遥测航标系统具有如下功能：当系统检测到水位变化超出设定值，监控中心根据当前水位变化计算相应的调整信息，并发送信息到航标船，

15、航标船接收信息并转发给中心处理单元；航标船中心处理单元应答指令，作出响应，同时航标系统GPS定位单元获得船体当前的经纬度信息。航标船中心处理单元将当前船体信息发送至监控中心，监控中心确认航标是否调整到预定位置。监控中心按照设定时间发送查询指令，航标船接收指令，并回复电流、电压、定位、漏水等故障信息。第2章 遥测遥控航标系统分析2.1 系统结构功能分析从整体来看，整个系统主要由两大部分组成，包括监控中心和航标船。整个系统结构组成可用图2-1来表示。下面来的章节具体介绍一下两部分的功能。异常报警单元水位监测单元中心处理单元GSM无线通信单元GSM无线通信单元中心处理单元供电单元动力制动单元故障检测

16、单元GPS定位单元GSM网络监控中心航标船图2-1 系统结构功能示意图2.1.1 监控中心监控中心即位于近水附近的水位安全监测站。在本系统中，监控中心的主要功能如下：（1） 及时准确的检测水位变化，一旦水位发生变化，监控中心系统需要立即根据水位变化计算出航标需要调整的准确数据，如缆长收放的长度，航标船需要调整的位置信息，并立刻通过GSM网络向航标船发送指令，使其作出及时调整，确保航标船能够准确导航，避免发生意外。同时监控中心还必须能够接收并校准航标船和返回的确认信息，以便判断航标船是否按照监控中心指令调整到预定位置。（2）检测航标船的工作情况。由于遥控遥测系统大部分时间处于无人操作控制状态，因

17、此对航标船正常工作的监控变得异常重要。一旦航标船发生意外，监控中心必须能够及时准确的发现，及时发出警报，通知相应的工作人员及时维修，确保系统的正常运行。例如，监控中心必须要检测航标船的位置信息，判断航标船是否偏离正常位置；检测航标船正常工作状态，电流电压是否异常，船体是否漏水等。从监控中心的功能来看，可以看出监控中心主要由水位监测模块，中心处理单元，GSM无线通信单元，异常报警系统组成。2.1.2 航标船航标船顾名思义就是位于航道中指示航船安全行驶的导航工具，从系统层面上看，航标船也是一个完整的控制系统。在本系统的设计中，航标船也即是控制系统，它是整个系统的核心部分。航标船主要包括：中心处理单

18、元，GSM无线通信单元，GPS定位单元，供电系统，动力制动系统，以及由各类传感器组成的故障检测单元。下面逐一分析各单元模块的功能。(1)中心处理单元 中心处理单元是整个航标船的核心部分，负责整个控制系统信息的处理。中心处理单元需要接受控制中心的控制指令，并执行相应的动作，使航标船按照指令做出准确的调整；另外可以采集系统工作电流，电池电压，船体漏水等数据，一旦数据超出正常范围，发生异常，航标船可以立刻向监控中心发出信息，提示工作人员异常情况；航标船同时可以采集GPS定位信息，通过控制GSM单元发出信息，告诉监控中心航标船的准确位置。(2)GSM无线通信单元GSM无线通信模块是实现系统信息交换的关

19、键，也是连接监控中心和航标船的通讯接口，是信息的收发中转站。它位于系统中的位置和功能可以用图2-2来描述。控制中心GSM无线通信模块监控中心 水位，缆长收放 水位，揽长收放 位置调整 位置调整 船体位置 船体位置 系统过流报警 系统过流报警 电池欠压报警 电池欠压报警 船体漏水报警 船体漏水报警 绞车故障报警 绞车故障报警图2-2 GSM无线通信单元通信内容(3)供电单元这里主要需要考虑的是航标船的续航能力。考虑到航标船常年漂浮于无人值守的航道中，为了能够尽量减少维护人员的工作，减少动力设备的更换次数，节省成本，需要为航标船提供充足的续航能源。鉴于以上情况，太阳能电池可以很好地完成提供动力的任

20、务。而且选蓄电能量强的电池，以防止连续的阴雨天气系统因电力不足而无法正常工作。(4) 动力、制动系统航标船性能指标的一个重要方面就是电池的续航能力。考虑到整个控制系统的组成，动力和制动系统是整个控制系统耗电最大的单元。因此，从续航能力来考虑，动力制动电机应该选用小功率的直流电机。另外，考虑到航标船的工作环境处于水流湍急的水面，水流的冲击作用对船体的影响较大，很可能使绞车发生转动，造成航标船位置的偏移。因此，必须给绞车安装断电制动单元，即在绞车断电的情况下，绞车处于死锁状态，不能发生转动，绞车必须受到中心处理单元的指令时，才上电进行动作，这样就可以大大提高系统工作的准确性。在不增加系统复杂性的情

21、况下，通过修改软件程序，使绞车转动过程分为两部分进行，即可实现整个过程。整个动力制动系统与控制中心的关系如图2-3所示。船体供电单元电机驱动芯片电机中心处理单元 图2-3 动力与制动模块关系图 2.2 方案可行性分析在本系统的设计过程中，监控中心与航标船结构、功能明确，考虑到系统的特点，在确定方案时主要还是考虑中心处理单元、以及GSM无线通信单元，GPS定位单元的选择。下面逐一进行比较。2.2.1 中心处理单元的选择(1)方案一：采用ATMEL公司生产的AT89C51系列单片机作为中心处理单元ATMEL公司的AT89C51系列单片机以INTEL公司生产的MCS-51系列单片机作为内核，并且融合

22、了ATMEL特有的FLASH技术和8031内核结合在一起，具有极佳的性能。AT89C51系列单片机是一种低功耗CMOS型高性能的单片机，它完全兼容MCS-51系列单片机的很多特性。其突出优点是片内集成了4KB的FLASHROOM，可以允许在应用系统中实现在线编程，并且提供良好的加密保护功能。此外AT89C51单片机晶振频率可达24MHZ，机器周期短，工作速度高，信息处理能力强。AT89C51系列单片机有4组、32位I/O口引脚，分别是P0、P1、P2、P3口，其中P3口除了作为第一功能使用时就当做普通的I/O口，作为第二功能使用时，各口功能各不相同。鉴于系统整体特性，用P3.0口作为串行接口的

23、功能，便于与GSM模块，GPS模块进行串行数据通信。(2)方案二：采用TI公司生产的MSP430系列单片机MSP430系列单片机7是TI公司生产的，16位超低功耗，具有精简指令的单片处理器。MSP430系列单片机针对实际应用需求，将不同功能的模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，使用方便，操作简单。该系列单片机常用于需要电池供电，低功耗的应用场合。MSP430系列单片机处理能力强,它采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式，简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；片内寄存器、数据存存器资源丰富，都可以参加多种运算，且运算速度快，能在25MHz晶振的驱动下，实现40ns的指令

24、周期。16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器相配合，能实现数字信号处理的多种算法。由于在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面的设计独具特色，使得MSP430 单片机具有超低功耗的性能优势。从系统功能来看，中心处理单元是控制中心的核心单元，常年位于无人值守的航道之上，因此功耗问题是系统设计的一个最为重要的指标。鉴于两种方案的比较，可以看到，相比于AT89C51单片机，MSP430系列在功耗方面的性能更加优越，在能源供应有限的航标船上，MSP430系列单片机作为中心处理单元能更好的的适应系统。在信息处理速度上，MSP系列单片机晶振频率更高，机器周期短，相较于8位的AT8

25、9C51系列单片机处理速度更快。从单片机外部引脚硬件结构来看，MSP430系列单片机有两个串行通信接口，而AT89C51单片机只有一个串行通信接口。因为航标船上有两个模块需要与中心处理单元进行串行通信，即GSM模块和GPS模块，因此系统电路的简洁性来看，MSP430单片机显然更加合适。就以上几个方面综合分析可知，选择MSP430单片机作为中心处理单元更加合理。2.2.2 GSM无线通信模块的选择（1） 方案一：选择西门子公司生产的TC35i无线通信模块。 TC35i GSM无线通信模块工作在EGS和GSM1800两个频段，工作在这两个频段传输语音时，功耗分别为2W和1W。模块的供电电压在3.3

26、V到4.8V之间。电流消耗主要有三个方面：休眠状态时大约为3.5mA；发射状态，电流消耗平均为300mA左右；空闲状态时大约为25mA。TC35i的数据接口输出的是CMOS电平，数据接口通过AT执行可以双向传输数据和指令，可选波特率为300bps到115000bps，自动波特率为1200bps到115000bps。它支持两种格式的短消息收发，分别是Text和PDU格式的SMS。TC35i由闪存、ZIF连接器、天线接口等几部分组成，能够处理GSM语音和数据信号，并包含了GSM射频设备中所有的模拟和数字功能。在使用TC35i模块时，供电电压如果低于3.3V便会自动关机。该模块在发射数据或者指令时，

27、电流瞬时的峰值可能达到2A，与此同时，模块的供电电压下降值不能超过0.4V。因此TC35i模块对供电电源的要求十分苛刻。（2）方案二：选择SIMCOM公司的SIM300模块。SIM300模块由SIMCOM公司生产，是一种三频段GSM/GPRS模块，可在全球范围内的EGSM 900MHz、DCS 1800MHz、PCS 1900MHz三种频率下工作，可提供多达十个GPRS多信道类型，支持CS-1、CS-2、CS-3和CS-4四种GPRS编码方案。SIM300具有低功耗设计，睡眠模式下的电流消耗为约2.5mA,工作电压在3.4V到4.5V之间。在频率EGSM900 CLASS4下为2W，在DCS1

28、800和PCS1900 CLASS 1下为1W。SIM300具有双行串口通信，同样可以通过执行AT指令，实现双向传输数据。可支持自动波特率为1200bps到115200bps。SIM300支持点到点的短消息移动发送和接收、可以支持Text和PDU两种模式的短消息收发，短消息存储于SIM卡中，同时它支持CSD和GPRS模式的短消息发送，具体模式可以用户可以自己选择。经以上的分析，可以从以下几个方面来做出最终的选择方案。首先，从功耗来看，相比TC35I，SIM300具有低功耗设计，能够更好的适应航标船对低功耗的要求。其次，对于系统的要求来看，TC35i对系统电源要求严格，而SIM300要求就要低得

29、多，因此选用SIM300模块能够降低系统设计的难度。从信息传输的角度上来讲，除了二者都有的短消息功能外，SIM300模块可以通过GPRS来传输数据，这在进行功能扩展时，提供一条便捷的途径。而两者都是通过AT指令集来发送消息和命令，操作难易性相当。因此，最终确定，选择SIM300模块作为GSM通信单元。2.2.3 GPS模块的选择（1）方案一：采用GPS V2模块该模块采用顶级GPS芯片-ublox NEQ-5Q作为核心定位芯片，信号处理稳定，定位更加迅速。模块有顶板和底板构成，采用直插式结构，顶板对外接口，可以与各类中心处理单元连接。顶板接口丰富，有串口，USB接口，5V电源接口，可以方便的和

30、PC相连，也可以通过USB接口做开发。GPS V2模块有50个通道卫星接收功能，100万分以上的相关系引擎。可同步追踪GPS及伽利略导航卫星信号，提供多种接口：UART、USB、IIC、SPI。启动迅速，冷启动时间在29s左右，热启动和辅助启动时间在1s以内。定位迅速、准确，定位精度高，首次定位时间小于1s，最大更新速率小于4Hz，追踪灵敏度-160dBm，捕获灵敏度-160dBm。工作电压2.7V到3.6V之间，全速模式下的功耗为135mW，EOC模式下为129mW。（2）方案二：采用ATK-NEO-6M-V12（以下简称ATK）模块该模块采用U-BLOX NEO-6M模组，通过串口与外部系

31、统连接，兼容5V，3.3V单片机系统。ATK GPS模块在接收特性，定位精度，更新速率，捕获时间，捕获追踪灵敏度，功耗等方面与GPS V2模块差别不大。但是它的接口特性可以兼容3.3V单片机系统，而本次设计中采用的MSP430单片机，属于3.3V供电的单片机，因此鉴于这个原因，选择ATK模块作为本次设计的GPS定位单元。第3章 系统电路设计3.1 航标船系统电路设计在上一章系统结构功能分析中已经指出航标船系统单元的组成，下面按照上文所分单元模块进行电路设计。3.1.1 中心处理单元经方案论证后，可以得出，使用MSP430系列单片机做中心处理单元性能优势明显。因此首先应该以MSP430单片机为核

32、心，搭建基本的外围电路，也即是平常所说的最小系统，使芯片能够正常工作。最小系统通常包括时钟电路，复位电路。最小系统的原理图如图3-1所示。图3-1 MSP430F149单片机最小系统（1）时钟电路：单片机正常工作时由晶振提供稳定的时钟信号。本次设计采用的MSP430F249单片机通过外接晶振与XT2口连接构成高频振荡器，使用32768K频率的晶振与XT1口连接构成低频振荡器。MSP430所有系列的单片机都有晶振输入口XT1，即允许接低速晶振，也可以接高速晶振，这些都可以通过软件在DCO寄存区中配置。（2）复位电路在单片机系统中，复位电路是非常关键的，复位相当于计算机的重启，也即单片机的初始化。

33、当程序运行不正常或死机时，就需要进行复位。复位操作通常有两种基本形式：上电自动复位和开关复位。如图3-2所示。 （1）上电复位电路 （2）开关复位电路图3-2 MSP430F149单片机复位电路在（1）上电复位电路中，电路上电瞬间，电容两端电压不能突变，此时电容的负极和RST 相连，电压全部降落在电阻上，RST 的输入为高，芯片被复位。之后电源给电容充电，电阻上的电压逐渐减小为0，芯片恢复正常工作。在（2）开关复位电路中，并联在电容的两端为复位按键，当复位按键没有被按下的时候电路实现上电复位，在芯片正常工作后，通过按键使RST管脚出现高电平也能达到手动复位的效果。3.1.2 航标船供电模块的设

34、计在2.1节系统结构功能分析指出，采用太阳能电池作为整个航标船系统的供电单元，有着众多优势，下面简单介绍一下太阳能供电系统的组成。一般来讲，常见的太阳能电池供电系统可以分为四个组成部分8，即太阳能电池板，蓄电池，控制器，逆变器。整个太阳能供电系统利用太阳能电池的光伏效应，接受太阳辐射，将太阳能直接转化成电能储藏在蓄电池中。（1）太阳能电池板：太阳能电池板吸收太阳光，直接将太阳能转化成电能。它可以将产生的电能存储在蓄电池中或者也可以直接为负载提供电能。（2）蓄电池：是太阳能电池系统中存储电能的装置。它可以将太阳能电池板产生的电能转化为化学能暂时存储起来，当遇到阴天或者夜晚太阳能电池板发电不足时，

35、蓄电池又可以将化学能转化为电能供给负载。（3）控制器：为蓄电池提供合适的充电电流和电压，可以保护蓄电池不会因电流电压过大而损坏，同时也减少蓄电池充电过程中的功耗。（4）逆变器：将低压直流电通过逆变得到所需的交流电。直流负载太阳能电池板充电控制设备蓄电池控制器逆变器交流负载DC/DC图3-3 太阳能供电系统原理示意图在本单元的设计中，可以直接采用集成性太阳能电池，考虑到系统的多个单元的供电电压不同，因此如图3-5所示，采用DC/DC变换器直接将太阳能电池输出电压进行所需的转换，获取各模块所需的电压。3.1.3 航标船动力、制动模块的设计在上一章分析航标船系统时，考虑到整个系统的功耗问题，以及设备

36、所处的工作环境，选择小型直流电机作为动力制动系统的主要元件。下面介绍该单元的电路设计。由于直流电机的工作电流电压一般较大，而单片机I/O口输出的都是TTL电平，电压，电流值小，不能够直接驱动直流电机正常工作，因此必须要加上驱动电路。常用的一种驱动芯片是SGS公司生产的L298N。L298N驱动芯片内置四通道逻辑电路，常作为二相和四相电机的专用驱动芯片，引脚接受标准TTL逻辑电平信号。L298N驱动力强，能够驱动50V、2A以下的电机可以驱动两个二相电机或者一个四相电机，其引脚排列如图3-4所示。图3-4 L298N芯片引脚排列L298N驱动能力强，使用简单方便，通过控制单片机的I/O口改变芯片

37、输入端的电平，即可对电机进行正转、反转、停止的操作。其输入输出引脚见得逻辑关系可以用表3-1表示。表3-1 L298N功能模块EnA In1 In2 运转状态 0 × × 停止1 1 0 正转1 0 1 反转1 1 1 刹停1 0 0 停止系统动力、制动模块电路设计下图3-5所示：图3-5 系统动力、制动电路图3.1.4 GSM无线通信模块1、GSM无线通信系统简介1982年，欧洲各国为了建立全欧统一的数字蜂窝通信系统，成立了移动通信特别小组（GSM），提出了开发数字蜂窝移动通信系统的任务9。如今GSM系统已经成为目前基于时分多址通信体制中的一种比较完善、成熟的一种系统，G

38、SM相应的许多服务目前在很多方面得到了广泛的应用。GSM主要由网络交换子系统、基站子系统和移动台三大部分组成10。GSM数字移动通信可以为用户提供电话和数字业务。前者传输语音信号，后者传输的包括文字、图像等在内的综合数字业务，短消息业务是其典型应用。本设计所采用的正式基于GSM短消息这一基本业务功能。点对点短消息传送是GSM的首创数字业务，用户可以发出或者接收有一定长度的限制的数字或者文字消息。这一业务与寻呼业务相似并且具备了双向通信能力，及网络端知道被叫端是否已经接受到消息，设置可以将这一消息通知主叫方。短消息如果遇到信道拥塞或系统繁忙而导致传输失败，GSM系统会在一定时间保留消息并自动重发

39、直到被叫方收到消息为止11。收发短消息使用空闲信道，运营成本低，相应地，用户费也很低。短消息已经成为GSM系统提供的一个十分重要的业务。2、SIM300的使用在2.2节方案可行性分析时，已经简单的介绍过了SIM300的一些性能指标和参数，下面主要介绍一下SIM300模块的硬件功能和AT指令集的使用。（1）SIM300模块硬件SIM300模块为用户提供了功能完备的系统接口。系统连接器是SIM300模块与应用系统的连接接口，主要提供外部电源、RS-232串口，SIM卡接口和音频接口。SIM300模块的射频部分支持GSM900/DCS1800双频，为了尽量减少射频信号在射频连接线上的损耗，必须谨慎选

40、择射频连接线。应采用GSM900/DCS1800双频天线，天线就满足阻抗80欧姆和收发驻波比小于2的要求。为了避免过大的射频功率导致GPRS模块的损坏，在模块上电前请确认天线已经正确连接。模块支持外部SIM卡，可以直接与3.0VSIM卡或者1.8VSIM卡连接。模块自动监测和适应SIM卡类型。对用户来说，GPRS模块实现的就是一个移动电话的基本功能，该模块正常的工作是需要电信网络支持的，需要配备一个可用的SIM卡。模块的外形如图3-6所示。图3-6 SIM300模块外形图 模块各部分功能及连接方法如下。S1：电源开关，J2：DC-5V输入，MIC：Micphone输入，SOUND:耳机输出，D

41、B9：串口。其中红色圆圈内为模块的跳线组，通过跳线，可以选择不同的功能，其管脚定义图如图3-7所示：图3-7 SIM300模块跳线组引脚示意图跳线组不同的组合，SIM300的工作方式也不同，总共有四种不同的工作模式。一般而言，常用的是与PC机直接相连，进行模块调试，这种工作方式下，只需要将跳线组的PC_TX引脚与SIM_RX引脚相连，PC_RX与SIM_TX相连即可。可以与PC机通过串口相连，采用串口调试助手进行初步的指令调试，这样可以熟悉指令，模块的运行，便于之后直接将指令移植到单片机上进行操作，使整个设计学习过程由简及繁，逐步进行。当SIM300模块与单片机相连时，首先要确定每种单片机的正

42、常工作电压，供电电压不同，跳线组的接法也不同。常见的3.3V和5V单片机与SIM300模块连接图如图3-8所示。(1)与3.3V单片机连接跳线组合(2)与5V单片机连接跳线组合图3-8 SIM300模块与单片机连接示意图在本系统中，中心处理单元采用的是MSP430单片机，是标准的3.3V供电，因此应选择图3-8中（1）中所示的连接方式。（2）SIM300常用命令简介 SIM300模块功能丰富，在本系统的设计中，将用到其短信息收发功能，因此，在这里只将一些基本的系统初始化命令和与短消息相关的指令作简要介绍。各命令及其功能表3-2所示。表3-2 SIM300常用命令AT指令作用AT+CFUN=1初

43、始化SIM300模块，开启模块的大部分功能AT+CSQ测试信号强度，返回信号值10以上就可以正常使用AT+COPS?测试运营商AT+CSCS=”GSM”设置为GSM指令集AT+CMGF=X设置短信模式。当X=0,为PDU格式，当X=1，为Text格式AT+CMGS=”XXXXXXXXXXX”设置接收短信手机号，如果正确，换行显示>,等待短信输入，短信输入完毕，发送ctrl+z结束。AT+CMGL=X读取短信。X的值为：0,1,2,3,4。默认值为0，接收未读短消息。AT+CNMI收到新消息提示3.1.5 GPS电路的设计1、GPS技术简介GPS，即全球定位系统，是美国上世纪70年代开始研

44、制，1994年全面建成。GPS测量能够快速、高效、准确地提供点、线、面要素的精确三维坐标以及其他相关信息，具有全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点12，广泛应用于军事、民用交通导航、野外考察探险、以及日常生活等各个领域。GPS与现代通信技术相结合，极大地扩展了它的应用广度和深度。GPS由空间卫星星座、地面监控系统和用户接收设备三大部分组成。空间卫星星座有21颗工作卫星和3颗备用卫星构成，24颗卫星均匀分布在6个地心轨道平面内，每个轨道四颗卫星13。地面监控系统的功能是维护卫星和维护其正常使用。用户接受设备通常称为“GPS”接收机，GPS接收机响应速度快，能够及时准确地提供测量数据。2、 A

45、TK GPS的使用ATK GPS模块，性能优越，自带高性能无源天线，自带后备电池，在外接电源断电时，仍然可以维持半小时左右的GPS接收数据保存，安全系数高。该模块通过串口与外部系统相连，串口波特率支持多种速率，兼容3.3V和5V单片机系统。ATK模块同外部设备的通信接口采用UART方式，输出的GPS定位数据采用NMEA-0183协议，控制协议为UBX协议。NMEA0183是美国国家海洋电子协会为海用电子设备制定的标准格式。目前已成为了GPS导航设备同意的RTCM标准协议。NMEA-0831协议采用ASCII码来传递GPS信息，称为帧。帧格式形如：$aaccc,ddd,ddd,ddd*hh(CR

46、)(LF)。其中各部分含义如下：“$”：帧命令起始位“Aaccc”：地址域，前两位为识别符，后三位为语句名“dddddd”:数据“*”：校验和前缀，也可以作为语句结束的标志“hh”：校验和，$与*之前所有字符的ASCII码的校验和（CR）（LF）:帧结束，回车和换行符NMEA_0183常用命令如下表3-3所示：表3-3 NMEA_0183常用命令序号命令说明最大帧长1$GPGAAGPS定位信息722$GPGSA当前卫星信息653$GPGSV可见卫星信息2104$GPRMC推荐定位信息705$GPVTG地面速度信息346$GPGLL大地坐标信息7$GPZDA当前时间信息ATK模块与单片机连接：该

47、模块与单片机连接只需要四根线即可，分别是VCC、GND、TXD、RXD,VCC和GND 用于给模块供电，模块TXD和RXD则连接单片机的RXD和TXD即可。ATK模块引脚与单片机典型的连接方式如图3-9所示。RXDRXDTXDTXD ATK GPS 模块外部单片机系统VCCGND 图3-9 ATK 模块与单片机连接引脚示意图3.1.6 船体故障检测单元当航标船维持日常运行时，监控中心必须实时了解航标船的工作情况，一旦航标船出现异常，必须及时告知控制中心，控制中心接收异常消息，立即发出警报，及时通知工作人员进行维修，以免造成不必要的损失。船体故障检查主要集中在两个方面。第一，船体各单元工作电压，

48、电流是否正常；第二，船体是否有漏水现象。现将系统故障检测单元分两个子模块进行介绍。图3-10为系统故障检测单元原理示意图。中心处理单元A/D转换电流传感器A/D转换电压传感器漏水检测传感器图3-10 船体故障检测模块示意图1、电压、电流检测模块在本模块中，采用霍尔电压电流传感器作为检测传感器。霍尔电流、电压传感器是根据霍尔原理制成的，具有精度高、线性好、频带宽、响应快、过载能力强的优点，被广泛应用于电压电流测量领域。霍尔电流电压传感器既可以检测交流也可以检测直流，也能检测瞬态峰值，使用方便。本模块的设计利用集成UGN-350M霍尔传感器和集成AD522型双端差动放大器设计电流检测电路，并将检测

49、电流值经A/D转换后送入MCU，供MCU判断系统是正常工作。在设计电路时，应当注意，虽然UGN-350M霍尔传感器灵敏度高，工作温度范围宽，但是它的霍尔电压U与磁感应强度B为非线性关系，且存在不平衡电压Ue,这必定会影响系统检测的精度，因此使用之前，必须找出其最佳线性工作状态，这样才能保证检测的精确度。电路原理图如图3-11所示。图3-11 电流，电压检测电路原理图（2） 船体漏水检测单元在本单元设计中采用红外光电原理漏水传感器，当被测液体接触到传感器表面时，使其光线路径改变，红外接收管处于截止状态，输出端口电平发生变化，单片机通过检测引脚可以判断是否出现漏水。该类型传感器的使用相对简单，将传

50、感器安装在航标船底舱合适的位置，为模块提供合适的供电电压，然后将信号输出端直接与单片机I/O接口相连即可。3.2 监控中心系统电路设计由于控制中心和航标船系统都有GSM无线通信单元，且二者的功能完全相同，因此两部分的电路设计也完全相同，这里就不在赘述，详细内容可以参照3.1.4小节。下面介绍控制中心系统中报警单元电路和水位检测单元电路分析、设计。3.2.1报警电路设计报警电路的设计比较简单，报警系统的关键在于监控中心能够根据收到的信息判断出异常情况，从而产生报警系统的输入信号即可。报警单元示意图如下所示。中心处理单元声音报警光信号报警报 警 器图3-12 报警单元示意图3.2.2水位检测单元在

51、本设计中，采用MPX10DP压力传感器检测水位变化，进而计算出缆长的调整量，做出适时的调整。该传感器采用投入式安装方式，适合野外江河等自然水位监测，系统需要进行相关的压力检测和分析，从而实现水位的间接测量。MPX10DP传感器14灵敏度高，转换精度高，具有较好的线性度，在MCU的控制下，经调理后的的模拟电量经过A/D转换，可以保证系统具有较高的数据精度和较强的抗干扰能力。MPX10DP压力传感器水位监测的原理是利用水压与水深的关系，即由压强公式可得水深。其中p是被测液体密度，这里，g为重力加速度。电路原理图如图3-13所示。图3-13 水位检测电路原理图 第4章 系统软件程序设计4.1系统软件

52、开发平台本设计的中心处理单元采用MSP430单片机，系统开发软件采用TI公司开发的Code Composer Studio (CCS)。CCS是一种针对TMS320系列DSP的集成开发环境,在Windows操作系统下，采用图形接口界面，提供有环境配置、源文件编辑、程序调试、跟踪和分析等工具。CCS有两种工作模式，即软件仿真器模式和硬件在线编程模式。CCS的开发系统主要由以下组件构成：TMS320C54x集成代码产生工具，CCS集成开发环境,DSP/BIOS实时内核插件及其应用程序接口API,实时数据交换的RTDX插件以及相应的程序接口API。CCS的功能强大，集成了代码的编辑、编译、链接和调试

53、等功能，支持C/C+和汇编的混合编程。CCS软件开发流程大致如下，首先新建CCS工程，选择相应型号的芯片，本设计中选择MSP430系列。其次，建好工程之后，从生成的文件中找到.C文件，编写程序代码，如果需要添加外部文件，应注意文件路径和头文件包含问题。再次，程序编写完成后，点击调试按钮开始调试，程序调试无误后，方可下载程序至单片机中进行相应的实验。4.2系统整体设计流程本系统模块多，系统设计的复杂度也相对较高。想要顺利的完成整个系统软件的开发，编写，调试，必须对系统的整个运行过程做到心中有数，在设计系统软件之前，应当合理安排开发流程，熟悉各个模块在整个系统中的位置，功能，使设计工作有条不紊地进行。在具体编程之前，首先应该写出系统流图，明确程序功能，编写过程，合理地进行编写。系统整体流程图15如图4-1所示。开始系统初始化电压、电流异常？漏水？水位异常？发送报警信息报警系统报警监控中心显示船体工作参数计算调整参数，发送信息航标船响应，进行调整，返回信息是否是否 图4-1 系统软件流程图4.3模块化程序设计正如上节所述，在熟悉了系统的整体流程框架之后，要想使程序设计顺利地进行，可以采用软件设计模块化的思想，即将整个系统划分为几个小的单元，对每一个单元分别进行设计，写出子程序，最后经过整合，完成整个系统的设计