航标遥控遥测终端的设计和实现

摘  要： 在探讨了航标功能需求的基础上，给出了有效的航标遥控遥测终端软硬件设计方案，着重阐述了SIM548C模块与LPC2136的硬件连接及GPRS连接过程和GPS信息采集的软件实现。结合GPS定位、GPRS通信及微控制器技术，能够实时、准确地检测航标及终端状态信息，并能远程设置航标灯及终端的工作参数。
关键词： 航标遥控遥测终端；GPS；GPRS；LPC2136
   　我国航道众多，水运发达，保证航运安全的工作至关重要。航标作为为水上活动提供安全信息的设施，是保证航运安全的重要装置。对航标状态进行有效控制和准确检测，不仅能保证航标装置的正常工作，更能减少航运事故发生率，确保航运安全。
国内外已经对航标遥控遥测系统进行了多年的研究[1-3]，也获得了诸多成果，但是由于航标工作环境的特殊性（潮湿、受撞击率高、易受电磁干扰等），在系统稳定性和定位精度等方面仍无法完全满足实际需求[4-5]。本文通过分析航标遥控遥测终端装置的功能需求，给出了基于GPS、GPRS技术及LPC2136微控制器的终端设计方案，旨在设计出一个稳定可靠的终端装置，提升航标遥控遥测系统的整体性能。实验证明，该终端装置能稳定可靠地运行，具有重要的现实意义和可观的市场价值。
1 终端功能
　航标包括岸标和水上浮标。岸标由于位置固定而不需要进行GPS定位，而浮标则需要进行GPS定位以测量其地理位置。本文针对浮标的特点和功能，对其进行设计，实现的主要功能如下：
　（1）航标位置检测。通过GPS模块实现，确保航标没有偏离规定区域，以防引发安全事故。
　（2）电流检测。蓄电池充放电电流以及LED灯工作电流的检测。
　（3）电压检测。蓄电池充放电电压、工作电压及航标灯工作电压的检测。
　（4）撞击检测。通过加速度计实现撞击量的检测。航标受到船只猛烈撞击后，可能导致航标及终端工作失常，应及时报警，以便检查维护。
　（5）终端与灯器的通信。实现终端对灯器灯质的控制和状态采集。
　（6）终端与服务器的通信。依据既定通信规约，当服务器查询到本地终端并要求其提供相应状态信息时，终端及时准确地完成服务器要求。服务器未要求本地终端进行相关操作时，本地终端应能定时发送心跳信息，以告知服务器其在线状态。
2 终端硬件设计
　依据航标遥控遥测终端装置的功能需求，设计的终端硬件如图1所示。系统以LPC2136为主控制器，主要占用资源包括I2C接口、A/D转换接口、UART接口、复位电路接口及部分GPIO口[6]。I2C接口挂接LIS302DL加速度计及FM24L256铁电存储芯片，分别用来采集终端撞击数据和终端数据存储。A/D转换接口上包含专用电流检测芯片MAX4071及分压电阻。GPS、GPRS功能模块SIM548C和RS485模块MAX3072通过串口与微控制器相连，以进行相关数据通信。
   
   　整个系统由12 V蓄电池供电。除外接航标灯器由12 V蓄电池直接供电外，终端上还需要4.5 V和3.3 V电源，本设计选用了LM2575和LM1117两款降压稳压芯片以满足系统不同电压需求。终端复位电路选用了MAX708S电源监控芯片。系统电源电压下降到一定值并达一定时间时，向单片机复位引脚发送复位信号，使得终端复位。
　当服务器通过GPRS方式向终端发送遥控遥测命令时，终端将依据接收到的命令类型采集各类状态信息或者设定工作模式，并将结果通过GPRS方式反馈到服务器端。整个终端装置要实现的主要功能是终端与服务器的GPRS通信以及终端的GPS精确定位。
　选用GPS和GPRS二合一模块SIM548C[7]，通过串口与LPC2136进行通信。终端利用该模块实现定位数据的采集及GPRS数据的通信。该模块的GPS定位精度为10 m，若刷入支持DGPS的固件，精度能达到1~5 m，支持NMEA-0813协议；GPRS部分内置TCP协议栈，降低了开发难度。模块整体结构设计紧凑，便于布板和安装。
　由于SIM548C模块的GPRS部分含有1个正常工作用串口及1个调试用串口，并且GPS部分含有2个适合不同协议的串口，共4个串口，再加上与灯器连接的RS485接口也需占用1个串口资源，因此需要对微控制器的串口进行扩展。本系统中选用CD4052双四选一多路选择开关对LPC2136的串口1进行扩展。串口1正常情况下与SIM548C模块支NMEA-0813协议[8]的串口相连，以便实时读取GPS数据。微控制器的串口0直接与GPRS正常工作的串口相连，随时侦听来自服务器端的遥控遥测命令。若侦听到灯器设定命令时，通过CD4052可将UART1口切换到RS485接口，实现终端与灯器的通信。如果是状态信息采集命令，则直接进行相应状态信息的采集，将采集数据打包并通过GPRS方式发送到服务器。SIM548C硬件连接电路如图2所示。