基于多網絡融合的船舶尋跡和導航終端開發

沈　光,馮輝強,田增山,楊進超

(1.寧波市海洋與漁業信息監測中心,浙江 寧波 315000；

2.重慶郵電大學重慶郵電大學移動通信技術重慶市重點實驗室,重慶 400065)

基于多網絡融合的船舶尋跡和導航終端開發

沈光1,馮輝強1,田增山2,楊進超2

(1.寧波市海洋與漁業信息監測中心,浙江 寧波 315000；

2.重慶郵電大學重慶郵電大學移動通信技術重慶市重點實驗室,重慶 400065)

摘要：隨著船舶營運和作業范圍的越來越大,自然環境和國際環境的變化,船舶面臨的風險逐年升高,對船舶尋跡和導航系統越來越迫切。針對船舶營運的特性及無線網絡特性,設計了北斗短信/移動蜂窩網/Zigbee多網融合的船舶尋跡和導航終端,對終端進行設計和開發,測試驗證該終端可以有效保證對船舶的定位和導航。

關鍵詞：多網絡融合;船舶尋跡;北斗定位;北斗短信

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.02.017

中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：： A

文章編號：： 1008-9268(2015)02-0076-05

收稿日期：2015-02-10

作者簡介

Abstract:With the development of ships operation and its growing working range, variation of natural and international environment, ships are faced with increasing risks year by year and the demands for ships trailing and navigation are becoming urgent. Aiming at the characteristics of ships operation and its wireless network property, this paper designed a terminal of ships trailing and navigation based on multi network fusion including Beidou messages/mobile cellular/Zigbee, designed and developed the terminal and ensured the localization and navigation of ships after test.

0引言

隨著船舶營運和作業范圍的越來越大,自然環境和國際環境的變化,船舶面臨的風險逐年升高,國際海事組織和國內船舶監管部門對船舶航行安全性的日益重視,船舶駕駛者對船舶電子產品高性價比、高可靠性的要求逐步提高,監管部門對船舶的運動姿態、貨物情況、安全形勢的監控需求越來越迫切,船舶電子產品技術正朝著數字化、自動化、集成化、智能化和綜合化的方向發展。

20世紀70年代,國外海上自動航行系統,即初期的綜合船橋系統(IBS)因適應這種用戶要求而問世。目前,世界上先進國家已研制推出第3代、第4代不同類型的綜合船橋系統(IBS)[1],應用計算機、現代控制、信息處理等現代技術,將船上的各種導航、操作控制和雷達避碰等設備有機地組合起來,對導航、駕駛、機動航行、航行管理、航線計劃、避讓、輪機監控、自動監測、自動報警等功能實施控制,以最少的人力、最低的燃料消耗,實現船舶自動化航行;而隨著3G技術的發展,基于CDMA/GPS/GIS的船舶航行監控系統已經逐步成為船舶尋跡和導航終端發展的潮流[2]。

最原始的船舶定位手段是天文定位[3],但定位精度非常低而且受氣候與天氣影響大。無線電導航[4]的出現給船員提供了新的導航工具,但是無線電導航依賴陸基導航臺提供導航服務,所以覆蓋區域受限并且容易受各種電磁干擾。北斗定位系統作為我國自主研發的全球定位系統,能夠在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務。ZigBee技術[5]是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術,主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。

GPRS網絡作為數據交換的承載網絡,廣泛應用于日常生活中,而在諸如大海的特殊環境,GPRS網絡難以維持與基站的連接,需要應用北斗短信模塊[6]進行信息交換。針對船舶營運的特性及無線網絡特性,充分結合了北斗模塊和Zigbee網絡的特點,采用靈活的模式切換策略和自動頻率發送策略,設計北斗短信/移動蜂窩網/Zigbee多網融合的船舶尋跡和導航終端,本系統分為三個部分:傳感器、智能終端、控制中心,其中智能終端是該系統的核心部分,終端實時監測傳感器的狀態,并把結果通過GPRS網絡、北斗短信遠程無線傳送給控制中心,一旦有險情發生,控制中心能快速啟動應急救援方案,最大程度減少災害帶來的損失。

資助項目： 國家自然科學基金(批準號:61301126); 重慶市基礎與前沿研究計劃項目(編號：cstc2013j；cyjA40041); 重慶郵電大學博士啟動基金(編號：A2012-33)

聯系人： 楊進超 E-mail: yangjinchao111@yeah.net

1系統架構設計

該終端主要由以下六大模塊構成:Zigbee模塊、北斗二代模塊、北斗一代模塊、GPRS通信模塊、主控制器模塊和電源模塊,系統的整體架構如圖1所示。

圖1　船舶尋跡和導航終端的整體架構

1.1　ZigBee模塊

Zigbee模塊主要用于短距離無線通信,且傳輸速率高,易于組網,該終端中使用的ZigBee模塊主要是獲取臨近船只的定位信息,把附近船只的位置信息打包集中發送到控制中心,節省費用。

1.2　北斗二代模塊

該模塊主要用于船舶的定位及導航,北斗二代定位系統是我國獨立研發的全球衛星定位導航系統,且該系統使用無源定位,輸出NMEA0183格式數據,模塊硬件體積小,可以有效的節省電路板的空間。

1.3　北斗一代模塊

北斗一代的主要優勢是能夠實現短報文通信功能,由于船只在海上航行,無法使用移動蜂窩網系統,這時北斗一代可以有效的實現海洋和陸地之間的通信,對構建船舶導航系統架起了一座橋梁。

1.4　GPRS模塊

該終端的GPRS模塊主要是實現陸上基站與控制中心之間的通信功能,陸地蜂窩網移動通信系統覆蓋面廣,通信可靠性高,傳輸速率高,且不受位置因素的影響,通過GPRS模塊,控制中心可以有效的實現對船舶定位信息的獲取。

1.5　主控制器模塊

主控制器模塊是該系統的“大腦”,負責系統的整體運行。主控制器的主要作用有:

1) 監測數據接收,主控制器接收ZigBee、北斗二代發來的位置信息,經數據處理后發送至北斗一代模塊;

2) 對接收信息的處理,包括數據的存儲、判決、打包等;

3) 監測整個系統的運行。

2無線切換和控制策略

2.1　無線網絡切換策略

本文設計的船舶尋跡和導航終端具有無線網絡自動切換的功能,可同時在陸地和海洋使用,在陸地時,GPRS模塊能正常和基站進行連接,這時系統會通過GPRS網絡和控制中心進行通信;在海洋時,由于基站覆蓋區域有限,GPRS無法和基站進行通信,此時SIM900A模塊會返回一個錯誤值,系統根據這個錯誤值會自動切換到北斗一代通信網絡上。圖2是該無線網絡的切換原理圖。

圖2　船舶尋跡和導航終端無線網絡切換原理圖

2.2　定位信息發送頻率的切換策略

當船舶在海上航行時,一般對控制中心發送位置信息的頻率是固定的,可是當船舶速度很高時,控制中心需要實時知道船舶所在的位置,以便進行跟蹤。本文設計的終端能夠自適應地對北斗定位的位置信息的發送頻率進行調節,這時,該終端可自動調節發送頻率。圖3是發送頻率自動切換策略圖。

圖3　發送頻率自動切換策略圖

3終端設計與開發

根據該終端系統整體設計,終端以主控制器STM32為核心,外接UM220模塊,QM2610模塊,SIM900A模塊,整體硬件框圖如圖4所示。

圖4　硬件框圖

3.1　硬件選型

3.1.1北斗導航模塊

本系統選用的是北京和芯星通公司生產的UM220芯片,UM220是和芯星通公司針對車輛監控、氣象探測和電信電力授時等應用推出北斗/GPS雙系統模塊。UM220是市場上尺寸最小的北斗/GPS模塊,集成度高,功耗低,非常適合北斗系統大規模應用的需求。選用該型號的原因是: 尺寸小(僅40×30×3.4 mm)、重量輕; 超低功耗(僅350 mW); 單芯片支持BD2/GPS功能,無需外接CPU即可直接輸出NMEA數據; 先進的多路徑抑制技術; 支持單系統獨立定位和多系統聯合定位; 支持UART、SPI、1PPS、I2C等多種接口。

3.1.2GPRS模塊

本模塊選用的是SIMCom公司生產的SIM900

A芯片,SIMCom推出新款緊湊型產品SIM900A.它屬于雙頻GSM/GPRS模塊,完全采用SMT封裝形式,SIM900A僅適用于中國市場,其性能穩定,外觀精巧,性價比高。SIM900A采用工業標準接口,工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1 800/1 900 MHz,可以低功耗實現語音、SMS、數據和傳真信息的傳輸。另外,SIM900A的尺寸大小為24×24×3 mm,能適用于M2M應用中的各類設計需求,尤其適用于緊湊型產品設計。主要特性為 雙頻900/1 800 MHz; GPRS multi-slot class 10/8; GPRS mobile station class B;滿足GSM 2/2+標準Class 4 (2 W @900 MHz)Class 1 (1 W @ 1800MHz) 重量 3.4g; 通過AT命令控制; SIM應用工具包; 供應電壓范圍 3.1 ～7.8V; 低功耗1.5 mA(睡眠模式); 操作溫度范圍-40 ～85 ℃.

3.1.3主控芯片

本系統采用的主控芯片是STM32單片機,STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內核。按性能分成兩個不同的系列:STM32F103“增強型”系列和STM32F101“基本型”系列。增強型系列時鐘頻率達到72 MHz,是同類產品中性能最高的產品;基本型時鐘頻率為36 MHz,以16位產品的價格得到比16位產品大幅提升的性能,是16位產品用戶的最佳選擇。兩個系列都內置32 K到128 K的閃存,不同的是SRAM的最大容量和外設接口的組合。時鐘頻率72 MHz時,從閃存執行代碼,STM32功耗36 mA,是32位市場上功耗最低的產品,相當于0.5 mA/MHz.本系統選用的是103增強型,其主要特點為易于操作,價格低廉;內核運算速度高,存儲空間大;低功耗;最多高達112個的快速I/O端口;最多多達13個通信接口。

3.1.4電源模塊

該系統采用的是交流220 V供電,并具有直流備用電源,以防電源斷電時,該系統還能正常工作。該系統采用兩種電源轉換芯片,AMS1117-3.3和MP2303以確保該系統的正常工作。

3.2　控制編程

該定位與導航終端主要是獲取船舶的位置與速度信息,并發往控制中心,以便實施跟蹤與監控,同時,該終端能進行不同網絡之間的切換,并能設置發射頻率,程序流程圖如圖5所示。

圖5　程序流程圖

4系統測試

經過測試,該終端可有效的對船舶進行定位和導航并把結果發送到控制中心,以下是該終端主要功能模塊的測試結果。

4.1　北斗通信測試

北斗通信的測試結果如圖6所示,從圖中可以看出,發信方可以正常的和收信方進行通信,各項功能指標均正常。

圖6　北斗短信通信測試結果

4.2　GPRS通信測試

GPRS通信測試結果如圖7所示,從圖中可以看出該終端可以正常的和陸地基站進行連接,且通信成功。

圖7　GPRS通信測試結果

4.3　定位功能測試

該終端的定位測試結果如圖8所示,從圖中可以看出控制中心能正常的接收該終端發來的位置信息,并能正確定位。

圖8　定位功能測試結果

5結束語

本文通過對船舶多網絡定位算法的研究,針對船舶營運的特性及無線網絡特性,充分結合了北斗模塊和Zigbee網絡的特點,采用靈活的模式切換策略和自動頻率發送策略,設計了北斗短信/移動蜂窩網/Zigbee多網融合的船舶尋跡和導航終端,測試結果表明：該終端可以有效地對船舶進行定位和導航,且能夠實時通過監控中心進行監控。該終端具有較強的工程應用價值和較低的成本,具有廣闊的應用前景和推廣價值。

參考文獻

[1]黃晶. 基于GPS/GIS/GSM船載導航系統的研究[D]. 成都:電子科技大學, 2009.

[2]王凱. 基于CDMA/GPS/GIS的船舶航行監控系統[D]. 重慶:重慶大學, 2005.

[3]賀國峰. 淺談天文定位[J]. 航海, 2011(5)：52-53.

[4]田建學, 張然, 張鵬明. 無線電導航系統的發展前景與軍事應用[J]. 技術與市場, 2007(12):60-61.

[5]MENDALKA M, BIZEWSKI K, KULAS L,etal. Pattern matching localization in ZigBee wireless sensor networks[C]//Microwave Radar and Wireless Communications (MIKON), 2010 18th International Conference on. IEEE, 2010:1-4.

[6]王磊, 宋蕾. 利用北斗短信功能實現海上測量信息的回傳[J]. 海洋測繪, 2011,31(3):25-28.

田增山(1968-),男,河南信陽人,博士,教授,博士生導師,主要研究方向為個人通信、衛星導航、無線定位、信號檢測與處理等。

沈光(1971-),男,浙江寧波人,副主任，主要研究方向為海洋環境監測與預報、信息化集成與應用等。

馮輝強(1973-),男,廣西北海人,主要研究方向為海洋管理、信息化集成與應用等。

楊進超(1989-),男,河南駐馬店人,碩士生,研究方向為船舶導航電子,軟件無線電、無線定位與測量等。

The Terminal Development of Ships Trailing And

Navigation Based on Multi Network Fusion

SHEN Guang1,FENG Huiqiang1,TIAN Zengshan2,YANG Jinchao2

(1.NingboOceanandFisheryInformationMonitoringCenter，Ningbo315000，China;

2.ChongqingKeyLabofMobileCommunicationsTechnology,ChongqingUniversity

ofPostsandTelecommunications,Chongqing400065,China)

Key words: Multi network fusion; ships trailing; Beidou Localization; Beidou Messages