遥测遥控航标的设计资料.docx

遥测遥控航标的设计资料.docx

《遥测遥控航标的设计资料.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《遥测遥控航标的设计资料.docx（37页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

遥测遥控航标的设计资料

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,GPS

ABSTRACT

Chinaisoneofthecountriesthathavemanyofriversintheworldnotonlythehugenumber,butalsothelongprocess.Manyofthemhavetheimportantvalueinshaping.However,theleveloftheseriverschangesfrequentlyinayear,makingtheindicatingmarkdeviatesfromtheinitialpositionhighly,sotheindicatingmarkcannotindicatetheaccuratechannelposition,probablyaffectingnavigation,personalandpropertysafety.Inordertoimprovethenavigationaidmaintenancepersonnel’sworkingefficiencyandreduceartificialmaintenancecosts,theresearchandapplicationofautomaticnavigationsystemofremotingunattendedisimperative.

ThispapermainlystudiesthedesignandapplicationofremotecontrolandtelemetrynavigationsystemofGPSpositioningsystem,basedontheGSMshortmessageservicefunction.Thisdesignadoptstheideaofmodulardesign,andthewholesystemisdividedintothecontrolcenterandthenavigationmarkshiptwosubsystems,thisdesignrespectivelyresearchonwaterlevelmonitoringunitofcontrolcenter,analarmunitandthecentralprocessingunitofthenavigationmarkship,powersupplyunit,dynamicbrakingunit,GPSpositioningunit,ThefaultdetectionunitoftheshipandtheGSMwirelesscommunicationunitconnectedbetweenthem,fromthefeasibilityofthescheme,thecircuitdesign,andthentotheprogramdesignmakesadetailedresearchandanalysis,andfinallyfinishedthewholedesign.

Thesystemthroughthecontrolcenterdetectstheabnormalinformationofriverwaterlevelrealtime,sendstheabnormalinformationtothenavigationmarkshipthroughtheGSMnetworkshortmessagefunction.whennavigationmarkshipreceivestheabnormalinformation,itwilladjustthewaterlevelinformationaccordingtothewaterlevelinformation,toensurecorrectnavigationalltime.

KEYWORDS:

buoyboat,telemetryandremotecontrol,GSM,GPS

附录

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，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。

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2-2GSM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AT89C51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。

2.2.2GSM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。

TC35iGSM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3.3V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，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EGSM900MHz、DCS1800MHz、PCS1900MHz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EGSM900CLASS4下为2W，在DCS1800和PCS1900CLASS1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。

2.2.3GPS模块的选择

（1）方案一：

采用GPSV2模块

该模块采用顶级GPS芯片-ubloxNEQ-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PC相连，也可以通过USB接口做开发。

GPSV2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-BLOXNEO-6M模组，通过串口与外部系统连接，兼容5V，3.3V单片机系统。

ATKGPS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GPSV2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3-1MSP430F149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。

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3-2MSP430F149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，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