太陽(yáng)能航標(biāo)燈實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

林金存,戴亞文,付向斌,李 鵬

(武漢理工大學(xué)理學(xué)院,湖北武漢430070)

0 引言

太陽(yáng)能航標(biāo)燈作為應(yīng)用在海上或河道的導(dǎo)航工具,經(jīng)常碰到浸水、撞擊和洪水沖刷等惡劣的工作環(huán)境。當(dāng)燈具出現(xiàn)短路、老化和腐蝕等故障無(wú)法工作或偏離設(shè)定位置時(shí),管理中心無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,只能靠維修人員定期檢查每盞航標(biāo)燈是否工作正常,作業(yè)量大、維護(hù)成本高。針對(duì)這些缺陷,為航標(biāo)燈設(shè)計(jì)增加了GPS定位與GPRS數(shù)據(jù)傳輸功能,結(jié)合單片微機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)處理能力與上位機(jī)軟件的直觀性實(shí)現(xiàn)對(duì)航標(biāo)燈智能化的遠(yuǎn)程管理,實(shí)驗(yàn)證明該方案改進(jìn)切實(shí)有效。

1 單片微機(jī)管理設(shè)計(jì)

該航標(biāo)燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要有3個(gè)部分組成:GPS定位與GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、單片微機(jī)處理模塊和遠(yuǎn)端監(jiān)控軟件。GPS定位模塊LEA-5H負(fù)責(zé)為航標(biāo)燈進(jìn)行準(zhǔn)確的定位,確定航標(biāo)燈是否偏離設(shè)定位置。單片微機(jī)MSP430F149[1]負(fù)責(zé)采集航標(biāo)燈的電壓、電流量與GPS定位數(shù)據(jù)并通過(guò)串口傳送到GPRS模塊。GPRS模塊負(fù)責(zé)將由MSP430F149傳送來(lái)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至Internet[2]網(wǎng)上確定IP的服務(wù)器端電腦。位于 Internet上的遠(yuǎn)端服務(wù)器接收到GPRS[3,4]數(shù)據(jù)后使用上位機(jī)軟件進(jìn)行對(duì)GPS定位信號(hào)的差分處理與顯示存儲(chǔ)工作。

單片微機(jī)負(fù)責(zé)定時(shí)開(kāi)啟GPS模塊,接收定位數(shù)據(jù),采集航標(biāo)燈電池電壓、充電電流與放電電流,提取需要的定位數(shù)據(jù)與處理A/D數(shù)據(jù)并重新組合成待發(fā)送的數(shù)據(jù)包,定時(shí)開(kāi)啟GPRS模塊并發(fā)送數(shù)據(jù)包至遠(yuǎn)端服務(wù)器。

1.1 工作流程

單片微機(jī)MSP430F149初始化一個(gè)定時(shí)器中斷,但是一次定時(shí)無(wú)法達(dá)到需要的10 min的時(shí)間,所以重復(fù)定時(shí)300個(gè)定時(shí)中斷以達(dá)到需要的10 min。在定時(shí)的過(guò)程中使單片機(jī)處于休眠狀態(tài)LPM3。當(dāng)定時(shí)時(shí)間來(lái)到時(shí),單片微機(jī)由IO口給GPS模塊電源芯片的EN引腳一高電平開(kāi)啟GPS模塊。等待1 s之后開(kāi)啟串口1接收中斷接收GPS定位數(shù)據(jù),并通過(guò)檢測(cè)定位數(shù)據(jù)中的A/V數(shù)據(jù)位判斷定位數(shù)據(jù)是否有效。接收完GPS數(shù)據(jù)之后關(guān)掉模塊電源以節(jié)省電量,同時(shí)屏蔽串口1,避免產(chǎn)生中斷的嵌套,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。之后對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,采集航標(biāo)燈的電壓電流。此時(shí)數(shù)據(jù)采集工作已經(jīng)完成,之后對(duì)待發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包整理,重新組成需要的格式。數(shù)據(jù)包重組之后,MSP430F149單片機(jī)通過(guò)IO口使得GPRS模塊SIM300C的POWER引腳一段時(shí)間的低電平,GPRS模塊將啟動(dòng)并自動(dòng)尋求進(jìn)入移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。在等待一段時(shí)間待SIM300C入網(wǎng)之后判斷入網(wǎng)狀態(tài)并啟動(dòng)串口0,開(kāi)始數(shù)據(jù)包向遠(yuǎn)端服務(wù)器的發(fā)送。通過(guò)SIM300C的AT指令,如AT+IPR、AT+CGCLASS、AT+CGDCONT、AT+CIPCSGP、AT+CIPSTART和AT+CIPSEND 等,設(shè)置模塊SIM300C的狀態(tài)、申請(qǐng)與網(wǎng)上具有確定IP的服務(wù)器進(jìn)行連接并傳送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送完成之后斷開(kāi)連接,并關(guān)閉GPRS模塊SIM300C的電源與串口0。此時(shí),一次數(shù)據(jù)采集與發(fā)送工作均已完成,之后重新開(kāi)啟定時(shí)器并使MSP430F149進(jìn)入休眠,等待下次數(shù)據(jù)采集,整個(gè)工作流程如圖1所示。

圖1 單片微機(jī)工作流程

1.2 狀態(tài)數(shù)據(jù)采集

航標(biāo)燈工作在河道中間,很容易遭遇洪水沖刷、過(guò)往船只撞擊、強(qiáng)光暴曬甚至浸水等狀況。因此航標(biāo)燈的老化損壞和電路電池的腐蝕等事故常有發(fā)生。而航標(biāo)燈出現(xiàn)故障之后,管理人員又很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,只能是定期檢查。因此,為降低維護(hù)難度減少維護(hù)費(fèi)用,實(shí)時(shí)檢測(cè)航標(biāo)燈的狀態(tài)十分必要。

利用單片機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)處理能力,實(shí)時(shí)采集航標(biāo)燈的工作狀態(tài)以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,并通過(guò)GPRS信息傳輸模塊將信息反饋給管理中心,管理中心就能方便地知道是哪盞航標(biāo)燈出現(xiàn)故障從而及時(shí)地進(jìn)行維修。系統(tǒng)通過(guò)MSP430F149的A/D采集口對(duì)當(dāng)前航標(biāo)燈蓄電池電壓、充電和放電電流進(jìn)行采集。蓄電池正常工作狀態(tài)的電壓是在4.2～3.6 V之間,低于3.6 V時(shí)即發(fā)生過(guò)放,會(huì)嚴(yán)重影響蓄電池的使用壽命。MSP430F149能采集的最大電壓是3.3 V,所以需要用精度較高的電阻進(jìn)行分壓。電流的采集是通過(guò)MAX471電流檢測(cè)芯片將電流轉(zhuǎn)化為電壓值進(jìn)行測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。MAX471內(nèi)置35 mΩ精密電阻,其電流測(cè)量上下限為±3 A,系統(tǒng)最大電流在1 A以下,因此完全滿足測(cè)量的需要。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中,單片機(jī)MSP430F149采用連續(xù)模式采集多組數(shù)據(jù)并進(jìn)行平均,以盡量減小誤差。數(shù)據(jù)采集完之后關(guān)掉A/D采集中斷,原因也是避免產(chǎn)生中斷嵌套,提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性。

1.3 數(shù)據(jù)包格式定義

單片機(jī)MSP430F149在完成定位數(shù)據(jù)采集與工作狀態(tài)數(shù)據(jù)采集之后要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并重組數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包的格式結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)包格式結(jié)構(gòu)

各字段詳細(xì)結(jié)構(gòu)如下:

①開(kāi)始符:2個(gè)字節(jié)為**,作為遠(yuǎn)端服務(wù)器接收數(shù)據(jù)時(shí)的判斷標(biāo)志;

②標(biāo)志位:1個(gè)字節(jié),范圍0x00～0xff,作為各個(gè)航標(biāo)燈的ID標(biāo)識(shí);

③定位時(shí)間:9個(gè)字節(jié),為hhmmss.ss結(jié)構(gòu),為準(zhǔn)確的定位時(shí)間;

④緯度:10個(gè)字節(jié),為ddmm.mmmmm結(jié)構(gòu);

⑤緯度標(biāo)志:1個(gè)字節(jié),為字符N或S;

⑥經(jīng)度:11個(gè)字節(jié),為ddmm.mmmmm結(jié)構(gòu);

⑦經(jīng)度標(biāo)志:1個(gè)字節(jié),為字符E或W;

⑧充電電流:3個(gè)字節(jié),以xxxmA為結(jié)構(gòu),如300 mA;

⑨放電電流:3個(gè)字節(jié),以xxxmA為結(jié)構(gòu),如300 mA;

⑩電池電壓:4個(gè)字節(jié),以x.xxV為結(jié)構(gòu),如2.00 V;

?結(jié)束符:2個(gè)字節(jié)為@@,作為遠(yuǎn)端服務(wù)器接收數(shù)據(jù)結(jié)束時(shí)的判斷標(biāo)志。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 定位數(shù)據(jù)差分處理

航標(biāo)燈位置的定位采用GPS定位技術(shù)。現(xiàn)今GPS定位誤差的來(lái)源包括衛(wèi)星自身的誤差、信號(hào)傳輸帶來(lái)的誤差與接收模塊自身噪聲導(dǎo)致的誤差。在信號(hào)傳輸過(guò)程中,電離層對(duì)信號(hào)的彎曲、對(duì)流層對(duì)信號(hào)的折射、加上地面接收時(shí)信號(hào)的多路徑效應(yīng)等都使得定位精度產(chǎn)生較大的下降。由于航道本身并不寬,較大的定位誤差會(huì)導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確判別航標(biāo)燈是否偏離設(shè)定位置,使系統(tǒng)喪失定位的能力,因此必須能夠較為準(zhǔn)確地定位出航標(biāo)燈的位置。在此,利用差分技術(shù)盡量減少定位信號(hào)在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的誤差。選取2塊瑞士產(chǎn)高精度GPS定位模塊LEA-5H,模塊自身集成SBAS廣域差分處理,定位精度可達(dá)到2.5 m,實(shí)際測(cè)量定位精度95%以上的情況下為7 m以內(nèi)。將一塊GPS模塊固定在需要定位的航標(biāo)燈具上,另一塊作為差分模塊固定在經(jīng)緯度已知的遠(yuǎn)端服務(wù)器的基站,鑒于大氣對(duì)同一片區(qū)域的衛(wèi)星定位信號(hào)的影響大致相同,將2個(gè)模塊放置在相距幾千米的范圍之內(nèi),以保證影響模塊定位的因素大致是一致的。假設(shè)基站已知準(zhǔn)確經(jīng)緯度為(X,Y),在時(shí)間t1時(shí)刻,基站定位經(jīng)緯度為(x0,y0),所以此次定位修正值Δx與Δy為:

航標(biāo)燈定位經(jīng)緯度為(x1,y1),修正之后比較確切的航標(biāo)燈定位經(jīng)緯度為:

式中,基站的選取應(yīng)遵循場(chǎng)地空曠和附近無(wú)大型電機(jī)等電磁設(shè)備以及電網(wǎng)的原則,防止地面電磁信號(hào)干擾定位信號(hào)。當(dāng)需要對(duì)多個(gè)航標(biāo)燈進(jìn)行定位時(shí),可采用相同的方法使用同一個(gè)基站提供差分修正量,無(wú)需增加基站數(shù)量。

2.2 上位機(jī)顯示數(shù)據(jù)

位于基站的服務(wù)器運(yùn)行著由LabVIEW[5,6]語(yǔ)言編寫(xiě)的監(jiān)視軟件。此軟件時(shí)刻監(jiān)視服務(wù)器串口并讀取由GPS定位差分模塊傳輸來(lái)的定位數(shù)據(jù),并按時(shí)間順序存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。當(dāng)有數(shù)據(jù)包由航標(biāo)燈處通過(guò)Internet發(fā)送過(guò)來(lái)時(shí),服務(wù)器監(jiān)視軟件讀取由設(shè)定的端口接收到的定位數(shù)據(jù),并提取定位時(shí)間與數(shù)據(jù)庫(kù)中的定位數(shù)據(jù)比對(duì),找到定位時(shí)間相一致的基站定位經(jīng)緯度。用此經(jīng)緯度與基站已知的經(jīng)緯度坐標(biāo)做差分處理之后的結(jié)果去修正航標(biāo)燈的定位經(jīng)緯度。之后將修正后的經(jīng)緯度坐標(biāo)與其他現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示在界面上。

3 系統(tǒng)測(cè)試分析

針對(duì)系統(tǒng)有限的電能供應(yīng)、惡劣的工作環(huán)境和需要較高定位精準(zhǔn)度的要求,選取系統(tǒng)的功耗計(jì)算、穩(wěn)定性與定位精度 3個(gè)方面作為分析與測(cè)試的目標(biāo)。

3.1 系統(tǒng)功耗計(jì)算

休眠期間單片機(jī)MSP430F149的工作電流為0.9 μ A,工作10 min;系統(tǒng)指示燈與分壓電路漏電電流 10.2mA,工作10 min;正常工作電流大約300 μ A,1 s內(nèi)大約運(yùn)行100 μ s,時(shí)間大約是20 s;GPS模塊工作電流為47 mA,工作大約1 s(熱啟動(dòng));GPRS模塊工作電流大約為40 mA,工作大約18 s;發(fā)射電流250 mA,大約工作1 s。

平均工作電流為:

I=0.9 μ A+10.2 mA+(300 μ A ×100 μ s/1 s×20 s+

47 mA×1 s+40mA×18 s+

(250 mA-40 mA)×1 s)/10 min=11.829 mA

由此可知系統(tǒng)的平均功耗很小,當(dāng)去除指示燈之后系統(tǒng)的功耗將會(huì)更低,完全滿足低功耗現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的要求。可使用航標(biāo)燈的蓄電池進(jìn)行供電,不額外增加蓄電池。

3.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試

設(shè)置定時(shí)常數(shù)為30,定時(shí)時(shí)間為1 min,即每隔1 min20 s系統(tǒng)將進(jìn)行一次開(kāi)啟與數(shù)據(jù)采集發(fā)送工作。第1次測(cè)試,系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)間為10月18日20:00,終止于第2天早上8:00,共收到536條數(shù)據(jù),理論計(jì)算是540條,丟失2個(gè)數(shù)據(jù)包,原因可能是服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定造成的。另外缺少2個(gè)數(shù)據(jù)包的原因是在等待GPS與SIM300C模塊入網(wǎng)時(shí)的時(shí)間不確定導(dǎo)致的。整體有效率為99.26%。第2次測(cè)試,系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)間為10月20日12:00,終止于10月24日早上9:00,共收到3615個(gè)數(shù)據(jù)包,理論計(jì)算是3645條,丟失19個(gè)數(shù)據(jù)包,原因可能是服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定造成的。另外缺少11個(gè)數(shù)據(jù)包的原因也是等待GPS與SIM300C模塊入網(wǎng)的時(shí)間不確定造成的。整體有效率為99.18%。數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)工作穩(wěn)定性良好,符合實(shí)際使用要求。

3.3 差分定位精度測(cè)試

定位數(shù)據(jù)處理后果如圖3所示。

圖3 定位數(shù)據(jù)處理結(jié)果

選擇了10月24日、25日和28日3個(gè)陰雨或多云天氣對(duì)系統(tǒng)的定位精度做了測(cè)試,開(kāi)始時(shí)間分別是17:30、16:25和12:25,每次測(cè)試時(shí)間為2小時(shí)左右。確定好基站之后將帶有GPS定位模塊的航標(biāo)燈放置在一個(gè)固定位置,差分定位模塊固定在基站。同時(shí)開(kāi)啟2個(gè)模塊接收定位數(shù)據(jù),上位機(jī)軟件接收2個(gè)模塊的定位數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。在此,選取天氣較差的10月25日的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。位于航標(biāo)燈處的GPS模塊定位誤差如圖3(a)所示,位于基站處的GPS模塊的定位誤差如圖3(b)所示。可以看出二者的定位誤差最大在8 m(實(shí)際測(cè)試選取陰雨天)以上,并且隨著天氣的變化有大致相同的變化趨勢(shì),經(jīng)過(guò)差分處理消去天氣造成的公共誤差之后,重新分析定位誤差,數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖3(c)所示。結(jié)果表明,定位誤差在半徑1.5 m以內(nèi),由此可知定位精度有了明顯的提高。

4 結(jié)束語(yǔ)

介紹了一套能準(zhǔn)確定位和遠(yuǎn)程檢測(cè)航標(biāo)燈工作狀態(tài)的無(wú)線工作系統(tǒng),在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中,航標(biāo)燈處數(shù)據(jù)采集與發(fā)送部分系統(tǒng)工作穩(wěn)定,能準(zhǔn)時(shí)地采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)并發(fā)送到基站服務(wù)器。基站服務(wù)器部分系統(tǒng)能很好地完成數(shù)據(jù)處理與顯示操作,達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。該系統(tǒng)具備低功耗、高定位精度和遠(yuǎn)程直觀監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn),取得了很好的實(shí)用監(jiān)測(cè)效果。隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷進(jìn)步,這種應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛,功能也將越來(lái)越完善。

[1]馬淑華,王鳳文.單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2005.

[2]高傳善,錢(qián)松榮.數(shù)據(jù)通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M].北京:高等教育出版社,2004.

[3]李善倉(cāng),張克旺.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[4]樊昌信,曹麗娜.通信原理[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2006.

[5]江建軍,劉繼光.Labview程序設(shè)計(jì)教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[6]王 磊,陶梅.精通 labVIEW8.0[M].北京:電子工出版社,2007.