智能航標(biāo)控制終端設(shè)計

齊魯理工學(xué)院 臧紅巖 范卉青 白愛霞

1 引言

通航是否安全以及能否及時解決突發(fā)問題很大程度上取決于航標(biāo)的準(zhǔn)確度，其發(fā)展程度對水路交通和各方面發(fā)展來說都是很重要的。為了適應(yīng)當(dāng)前通航的高要求，解放人力并且達到有針對性有目的性的自動檢修，使管理航標(biāo)部門能夠在第一時間得到關(guān)于航標(biāo)的工作狀態(tài)，進行智能化設(shè)計顯得格外重要。

早在20世紀(jì)90年代，發(fā)達國家就利用各種現(xiàn)代電子科技，對航標(biāo)進行智能化研究，并建成了體系，為航海事業(yè)提供了各種優(yōu)勢。在我國，也有不少高等學(xué)院和科學(xué)技術(shù)研究機構(gòu)投入了大批人力物力對航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)進行研發(fā)。船舶交通服務(wù)系統(tǒng)（VTS）、差分全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（RBN/DGPS）、船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）等導(dǎo)助航設(shè)備先后建成。

本系統(tǒng)通過傳感器了解角度變化，從而自動調(diào)節(jié)航向。航標(biāo)控制終端在傳統(tǒng)航標(biāo)的導(dǎo)引指示功能上通過無線通信技術(shù)將航標(biāo)自身和傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳送給遠端控制中心，實現(xiàn)航標(biāo)智能控制的功能，提高航道交通管理的數(shù)字化水平。

2 系統(tǒng)設(shè)計及主要功能分析

系統(tǒng)包括陀螺儀MPU6050、STM32系列單片機、ESP8266 WIFI無線傳輸模塊、步進電機進行角度校準(zhǔn)、手機端進行角度數(shù)據(jù)顯示等。

（1）無線數(shù)據(jù)交換功能：手機端能夠和航標(biāo)通過WIFI無線網(wǎng)絡(luò)進行信息交換。航標(biāo)端每隔一段時間進行一次運行數(shù)據(jù)采集，采集航標(biāo)指向數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)，并接收控制中心發(fā)來的命令報文進行處理，并發(fā)回一個應(yīng)答，同時向控制中心上報自己的運行數(shù)據(jù)。控制中心通過可視化監(jiān)控軟件監(jiān)控現(xiàn)場數(shù)據(jù)和異常報警，上位機人為發(fā)出控制指令通過服務(wù)端傳輸?shù)娇蛻舳耍F(xiàn)場航標(biāo)端接收到指令調(diào)整航標(biāo)的指向。

（2）智能化遙控設(shè)置功能：航標(biāo)控制控制終端的設(shè)置功能通過控制中心進行遠程操作執(zhí)行，只有授權(quán)的用戶才有權(quán)力去進行指令執(zhí)行。并且每條指令的執(zhí)行都有嚴(yán)格的體制，按照規(guī)則進行應(yīng)答，如果在設(shè)定時間內(nèi)沒有收發(fā)指令解析，操作就視為失敗。所有設(shè)置的操作應(yīng)記錄在操作日志里，從而保證中心準(zhǔn)確掌握最后設(shè)置的航標(biāo)工作參數(shù)。

（3）實時信息采集功能：上電后，MPU6050開始工作，采集航標(biāo)的各個工作狀態(tài)，可以一定的時間間隔進行工作。

3 硬件電路設(shè)計

由于航標(biāo)控制終端裝置的工作環(huán)境及切惡劣，經(jīng)常會受到天氣因素以及不可抗力的沖擊，所以硬件設(shè)計的選型是為重中之重，必須具有較高的抗干擾能力以及極強的穩(wěn)定性。再者，為使設(shè)計更加簡單可行，元器件應(yīng)該具有較高的運算速度以及較低的功耗，選擇通用且成熟的，以滿足終端與服務(wù)器通信的要求（圖1）。

圖1 系統(tǒng)電路原理圖

（1）陀螺儀：為了采集航標(biāo)的指向角度等所需參數(shù)，本設(shè)計用陀螺儀作為信號傳感器，以得到準(zhǔn)確的位置角度等信號。陀螺儀采用MPU6050進行角度采集，將采集到的角度傳送到最近的WIFI現(xiàn)場服務(wù)器，通過單片機進行數(shù)據(jù)解析，發(fā)送給終端。

（2）無線通信模塊：無線通信模塊采用ESP8266，ATKESP8266模塊采用串口與MCU通信，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)串口與WIFI之間的轉(zhuǎn)換。通過ATK-ESP8266模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備只需要簡單的串口配置，即可通過WIFI傳輸自己的數(shù)據(jù)。ATKESP8266模塊支持LVTTL串口，兼容3.3V和5V單片機系統(tǒng)，模塊支持串口轉(zhuǎn)WIFI STA串口轉(zhuǎn)AP和WIFI STA+WIFI AP的模式，從而快速構(gòu)建串口-WIFI數(shù)據(jù)傳輸方案，方便進行數(shù)據(jù)傳輸。

4 軟件設(shè)計

手機端經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)助手進行收發(fā)數(shù)據(jù)，自動校準(zhǔn)航標(biāo)角度。網(wǎng)絡(luò)助手設(shè)有上位機軟件進行智能判斷，從而改變航標(biāo)指向。串口無線接入點網(wǎng)絡(luò)連接方式：模塊通過WIFI連接智能手機，模塊作為WIFI AP，智能手機做WIFI STA，手機網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手TCP Client設(shè)置進行配置。在連接成功建立后，就可以互相發(fā)送數(shù)據(jù)了。通過陀螺儀采集到的航標(biāo)指向角度數(shù)據(jù)，每隔2秒會得到角度數(shù)據(jù)，通過手機端顯示出來。若偏移的話，發(fā)送警告信息并發(fā)送修正指令給航標(biāo)，然后單片機產(chǎn)生脈沖數(shù)據(jù)給步進電機，使步進電機產(chǎn)生步距角，將脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移，帶動陀螺儀轉(zhuǎn)動，從而改變航標(biāo)角度。

5 結(jié)語

智能航標(biāo)控制終端能夠把本身的狀態(tài)信息以及當(dāng)前所在的位置傳送到相應(yīng)的控制中心，控制中心會在電子地圖上顯示出所轄區(qū)域的實時航標(biāo)狀態(tài)，可以對航標(biāo)設(shè)備實行遙測、遙控等；對提高助航系統(tǒng)的管理能力、發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障、保持航運通道通暢和安全都起著重要作用。有效減少相關(guān)工作人員的勞動強度，為船舶航運的安全性提供可靠的保障。為航標(biāo)控制終端實現(xiàn)自動化、數(shù)字化和智能化給出了具有參考意義。

[1]付天照,蓋旗濤．智能航標(biāo)控制終端的設(shè)計[J]．中國水運(下半月),2013,(05)∶48-48．

[2]喻春華,王寧．陀螺儀在慣性測量系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．河南科技,2010,(14)∶33-33．

[3]王建明,林聰聰,吳曉林,林德榮．四旋翼飛行器設(shè)計[J]．福州∶福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院,2014,(07)∶64-65．

[4]何毅,彭浩．基于MSP430的航標(biāo)監(jiān)控終端的實現(xiàn)[M]．四川∶西南科技大學(xué)信息學(xué)院,2009．

[5]盧婉冰．高精度航標(biāo)遙測系統(tǒng)研究與設(shè)計[J]．四川∶重慶大學(xué),2009,(12)．

[6]魯照權(quán),毛羽,朱敏,陳芹．航標(biāo)遙控遙測終端的設(shè)計和實現(xiàn)[J]．合肥∶合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院,2012．

[7]孫星．吳勇等內(nèi)河航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)設(shè)計[J]．中國航海,2011,34(2)∶5-9．

[8]李輝,苑臣芒,馬曉鑫．基于AVR與GSM/GPRS的航標(biāo)燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]．電子技術(shù)用用,2012,38(6)∶97-99．