基于AVR MCU与GSM/GPRS的航标灯监控系统设计

摘  要： 采用AVR MCU与专用GSM/GPRS模块设计了无线航标终端监控系统。该系统通过GSM短信或GPRS无线网络设置航标终端的工作参数，并可将终端的工作状态与位置时间信息定时传送给监控中心。试验证明系统工作稳定可靠，能够对较大范围的航标终端实现低成本低辐射的智能监控，具有良好的应用前景。
关键词： 航标灯; AVR MCU; GSM/GPRS; GPS接收模块
       目前我国很多地区，尤其是经济不发达地区采用的航标系统长期以来都是独立分布的，不能与监控管理中心实现信息交互，具体体现在航标被放置后，只能按既定流程运行，监控管理中心无法对管区内的每一部航标进行远程状态监控和实时控制。为了检查航标灯是否运转正常，航道航标监管部门必须定期派人去现场巡查。由于不能事先得知航标灯的运行情况，因此必须一一巡视，缺乏目的性，从而导致管理成本高昂，这一点在航标分布区域广大，交通恶劣的情况下显得格外突出。更重要的是，在两次巡视之间，一旦航标灯漂移或毁坏，管理中心无法及时获知并采取补救措施，这将会对该水域的航道运输带来极大的安全隐患。
     GSM无线通信技术和嵌入式微处理器的不断发展，以及GPS全球定位系统的广泛应用，为高性能、低成本的远程智能航标监控系统的开发奠定了基础[1]。
     本文利用8位AVR微处理器Atmega128与专用GSM/GPRS模块Q24设计了一种智能化的远程航标监控系统。监控管理中心可以通过GSM短信或GPRS无线网络发送指令，设置航标灯的闪烁模式等工作参数；而航标终端可利用自身配备的GPS接收器Copernicus II测量位置与时间，并将灯的工作状态与时间位置信息定时传送给监控中心,从而实现多台航标终端的智能化管理。
      试验证明航标系统工作稳定可靠，能够对较大范围的航标终端实现低成本的智能监控，摆脱了传统人力检测周期长、实时性差等缺点；同时由于利用了现有的GSM/GPRS无线网络进行数据通信，所以能够以较低的辐射功率覆盖很大的范围，因此具有良好的应用前景。
1 硬件系统设计
     本航标灯的具体工作原理如下：主控MCU监控LED灯的启动与亮度,同时MCU通过GSM/GPRS网络接收监控中心的指令,设置航标灯的各项工作参数；另一方面，航标终端可利用自身配备的GPS接收模块实时测量自身的位置与时间，并将灯的工作状态与位置时间信息同样利用GSM/GPRS网络定时传送给监控中心。所以整个航标系统可以分为监控、通信、GPS定位以及电源管理四个子系统，如图1所示。
   
       系统使用的主控单元为AVR 8 位微处理器Atmega128。该MCU采用RISC结构，拥有4 KB SRAM和128 KB可编程Flash；同时外设资源也十分丰富，除了一般单片机所共有的定时器/计数器等常用模块之外，还集成了航标终端所需要的PWM、多路ADC和SPI接口，能够以尽可能简化的外围电路满足航标终端的设计要求[2]。
1.1 监控模块
     航标灯的主要作用是为过往的船只提供航道指示，当太阳光的亮度下降到一定程度时，就需要开启航标灯。因此监控模块的一个重要功能就是实时监测太阳光的亮度。本航标系统直接利用Atmega128内部的A/D转换器对太阳能电池板的输出电压进行采集；当其输出低于4 V的门限电平时，就认为光照已经不足，需要开启航标灯。
     MCU通过专用驱动芯片MAX1698实现对LED航标灯的驱动和亮度控制。具体电路如图2所示[3]。
   
       MAX1698为高效率的直流升压模块，可以为LED航标灯提供足够的电流驱动能力。第4脚ADJ上的控制电压可以调节输出电流，达到调节航标灯亮度的作用。这里使用的是PWM控制方式，即利用Atmega128内部的PWM模块产生脉冲宽度可控的PWM信号，经过RC低通滤波后形成ADJ脚上的控制电压。这样MCU只需通过程序设置PWM信号的脉宽，就可以实现对LED航标灯的多级亮度调节。
         为了方便检测人员在巡视时能够快速地了解航标灯是否处于正常状态，系统安装了一个通用UHF收发模块。检测人员发出UHF检测信号，灯上的接收器接收到此信号，生成一个test信号。MCU一旦检测到此test信号，就控制航标灯按预定的模式闪烁，通知检测人员此灯处于正常工作状态；反之，灯无法正常闪烁，检测人员由此得知系统工作不正常，需要进一步检查。
1.2 通信模块
　　通信模块是航标灯系统的核心，承担着遥测遥控与数据通信的重任，即：通过GSM/GPRS网络可靠地接收监控中心的指令，供主控MCU分析使用；另一方面，将航标内置GPS接收器提供的时间位置数据与灯的工作状态信息同样利用GSM/GPRS网络定时传送给监控中心。
     本设计采用的通信模块为Wavecom公司的高性能无线CPU Q24，可以兼容GSM与GPRS模式[4]。为了方便二次开发，Q24集成了SPI、I2C、串口、音频等通用接口以及与SIM卡和天线的专用接口，可以方便地与终端主控MCU建立数据传输,并且快捷地接入GSM/GPRS无线网络，从而实现控制中心与航标终端的无线数据传输功能，具体电路如图3所示[5]。
   
   1.3 GPS定位模块
     GPS模块采用美国Trimble公司的Copernicus II，为一款超薄低功耗的GPS接收器。该模块整合了GPS数据接收所需要的射频前端和基带处理系统，可以将GPS数据直接传送给后端的处理器而无需过多的外部电路。Copernicus II支持12通道接收能力，能够在信号较微弱地区提供位置、速度和时间数据，水平定位精度优于5 m。
     模块的输出数据支持NMEA、TSIP和TAIP三种协议。本航标灯系统采用NMEA协议，因为其具有与地图软件更好的接口能力，具体的电路如图4所示[6]。
   
   1.4 电源管理
     为了保证航标终端稳定可靠地工作，系统使用了太阳能电池+铁锂电池的电源管理方案。MCU利用内置的ADC实时采集铁锂电池的输出电平VLi，当VLi≤4.8 V时启动太阳能电池的充电功能，以避免铁锂电池在低电压工作状态下发生损坏。在这种管理模式下铁锂电池可以获得更长的寿命,大大优于传统航标灯使用的铅蓄电池。
2 软件系统设计
     本航标终端的软件可以分为GSM/GPRS数据通信、GPS数据上传、遥控检测与电源管理模块，如图5所示。