遠程水面信息終端系統的研制與測試

劉傳林,龍銀香,晏成明,包爾恒,梁文禎,匡暢

(廣東水利電力職業技術學院，廣東 廣州 510635)

1 遠程終端開發研制的重要意義

我國南方有著豐富的水系與水運資源優勢，促進水運行業向著高效能與高效益的方向發展，并在國民經濟中發揮重要作用。但隨著水運行業的發展，運輸部門對航道維護的要求越來越高，以及水流沖擊、船舶撞掛和航標燈自身的故障導致航標位移、航標燈熄滅或照度不足等故障時有發生。如果不能及時掌握故障情況，不僅不能采取措施及時恢復正常工作，還將嚴重威脅河流船舶的航行安全，甚至造成損失或嚴重事故。

舊的航標管理科技含量低，不能自動報警，完全依靠人工出航巡視檢測，航道部門不能隨時掌握航標狀況，出航成本高、費時費力，不能滿足運輸生產對航道維護的需求。因此，研究水面信息終端技術、研制航道航標智能報警技術成為解決和保障航運安全的重要課題。該課題在綜合運用現代通訊、信息、衛星定位和地理信息技術的基礎上，研究滿足航道維護需要、成本較低的航標遙測系統，實現航標燈智能化，解決航標故障不能被及時發現的問題。該終端設備的研制對提高航道維護水平、降低航標維護成本、保障航行安全、促進航運事業和經濟發展都具有重要意義。

2 遠程終端系統研制的技術考量

根據實際需求情況，遠程水面信息終端的研制在技術層面主要考慮以下三點：

首先，必須解決遠程信息終端的電源問題，應用電力電子技術確保電源性能。遠程終端應用改變過去的工作模式，水道作業部門不需要出航巡視就能掌握所有遠程終端狀況，有的放矢地出航維護，大大減少因出航巡視產生的成本，減少水道工人的勞動強度和人力資源，檢測維護能力可大大提高。應用新的遠程終端改變過去幾天才能巡視一遍的狀態，可每天隨時掌握航標狀況，管理部門也可在千里之外通過網絡掌握航標情況，利用客觀準確的信息、動態圖表和統計資料檢查督導，做出管理決策。

為爾生來體態柔，因情感物寓風流。汝無血氣何知覺，自是詩人想象來(“來”，此據南京圖書館藏八千卷樓抄本、臺北故宮博物院藏碧琳瑯館抄本，《全宋詩》作“求”，是,未知所據，當依韻改)。(后集卷一七楊柳門)

水文地質條件，垃圾場的基礎應建設在地下水主要補給區范圍之外，地下水富水性以貧乏～極貧乏為宜，場址不應直接選擇在滲透性強的地層之上，應位于含水層的地下水水力坡度平緩地段，滲透性系數最好能達到10-7 m/s以下，含水層以上最好有5 m以上隔水層，地下水化學類型以重碳酸鈣型水為宜，不宜選擇強酸性（PH＜4）、Cl-、SO4 2-含量大于200 mg/L，避免地下水對場地基礎產生腐蝕。此外，場地內地下水的主流向應背向地表水域，地下水徑流途徑應比較短，最好具有較好的天然屏障，避免或減少地下水對周圍水域的污染。

整體系統包括管理系統與終端系統。

（1）GPS 接收模塊的選型。根據初步調研，目前市場上的有上百個品牌和型號的 GPS 模塊，大體可分為二代和三代。在接收能力上，有的可接收L1，L2 和L5 載波頻率，C/A 碼和L2C 民用碼以及L1 和L2 頻率的P ；有的只能接收L1/1575-42MHz 和C/A 碼，通道數差別也較大；一些高級的 GPS 模塊內置邏輯芯片來穩定GPS 信號，較好解決了令人頭痛的漂移問題。GPS 選型應考慮以下四方面：①鑒于航標燈的供電條件，GPS 模塊必須滿足輸入電壓小于3.5V、功耗小于100mW 的要求；②價格因素；③體積不能太大，由于要與航標燈集成一個整體，體積太大可能無法裝入航標燈；④定位精度取決于GPS 模塊的精度、穩定性、可靠性和接收/處理信號的能力，這是航標遙測的關健所在，在這方面既要考慮盡可能提高精度，又要兼顧前述三個因素。

3 遠程終端研制的技術方案

3.1 技術方案主要內容

第三，遠程終端是一項新智能技術，有極少數的局部實踐，所以還存在許多問題，如耗電量過大、定位不準、功能不夠強大、造價高等。在現有基礎上進一步完善技術、攻克難題，使之更加成熟、完善，可推動這項技術在全國內河航道大范圍推廣，進而形成一個生產、銷售、服務、航標維護的系統產業，并使科研成果盡快轉化為生產力，產生社會和經濟效益。同時，遠程終端的開發需要河流水道、電力電子電源技術、電子信息通信技術方面的專家共同協作攻關。

其次，為保證安全可靠性能，遠程終端應用研究采用比較成熟的移動通信、嵌入式計算機、全球衛星定位（GPS）和地理信息技術（GIS），可解決航標基礎信息管理、航標故障（漂移、低壓、滅燈等）自動報警、航標維護中故障信息獲得等問題，大大提升航道維護的科技含量。

終端部分由數據采集部分、中央處理器、GPS定位部分、GPRS 通信部分、電源部分、LED 光源部分及外殼組成。數據采集部分將蓄電池電壓、太陽能電池電壓、充電電流、LED 電流、水深傳感器、光電傳感器等模擬量轉換成數字量，送入中央處理器進行計算處理；GPS 定位部分，采用GPS 模塊通過串行口與中央處理器進行數據通信。由此模塊采集提供緯度、經度、高度、日期時間等參數，提高定位經度達到要求；GPRS 通信部分，采用GPRS 通信模塊通過串行口與中央處理器進行數據通信，由中央處理器通過GPRS 通信網絡與機房管理系統通信，由機房管理控制，根據用戶信息作出相應的處理（用戶對終端的設置命令，則對自身的參數修改；查詢，將信息編碼后通過GPRS 網絡發給終端，終端收到指令由CPU 做出相應處理，中央處理器根據內建的實時時鐘完成信息的自動上傳，時刻檢測航標燈狀態，發現故障自動報警；電源部分，太陽能板加免維護蓄電池提供充分可靠的電能供應，采用低功耗器件、休眠方式降低整機功耗。和控制航標狀態、電源狀態、衛星定位模塊和通訊模塊協調工作，實現定時遙控、周期遙控、故障遙控、查詢遙控的功能，終端中可能會有2 個以上串行接口，10 個模擬量接口和開關量接口，在嵌入式計算機中編寫處理GPS 定位信息的算法，這些算法包括預估、統計等功能，最大限度減小各類隨機因素的干擾，實現初步定位，后臺遙測遙控中心的算法根據終端數據最后作出精確定位或位移精確檢測。

（2）航標精確定位方法研究和認證。傳統的單點定位方式無法達到定位誤差小于5 米的要求，采用差分定位法雖然可滿足要求但需建立大量的差分臺且數據交換量很大。本項目針對航標移動速度慢、定位時間要求低的特點，擬采用相對差分新技術，以較小的投入實現GPS 定位誤差小于5 米的目標。需要解決的問題是：驗證這一技術與擬選GPS 模塊的匹配關系；驗證這一算法的有效性和可靠性；根據河流航道的地理位置和實測結果修正算法的轉換因子和參數，提高算法精度。

終端系統基本架構包括電源系統和控制、檢測、圖像、定位、通信單元以及天線（見圖1）。主要技術指標和功能如下： （1）電源技術解決方案是終端硬件最重要的部分。主要技術指標和功能有：電池電壓檢測誤差小于0.3V ；航標燈異常熄滅報警；平均無故障時間5000 小時；工作溫度在攝氏-20℃—70℃；環境濕度小于95%，無疑結；電源適應范圍在DC3.7-5.2V ；硬件終端功耗滿足在太陽能板充電條件下長期免維護的要求；電池電壓過低報警；航標電流過低報警；周期性和定時性報告航標狀態（閃光周期、電流、電源電壓、工作時間、漂移狀態）；航標漂移報警，采用高端GPS 芯片后期可支持差分技術，定位誤差精度小于5 米，準確率大于90% ；故障自動檢測、自動復位，在供電正常情況下，CPU 不死機；運行參數遠程設置；通信時滯小于30 分鐘。（2）通信模塊實現遙測中心和航標燈之間的無線通訊功能，配合控制單元可調整LED 閃爍模式、光電管閥值、航標燈密碼和GPS 同步閃爍。（3）航標遙測采用專用 GPS 定位單元，實現遙測基準點的精確定位和GPS 誤差修正信息的采集功能。檢測單元運用加速傳感器算法，解析前端加速傳感器傳回的數據，判斷智能航標燈是否遭受撞擊、是否翻沉等。（4）圖像單元包含攝像頭控制拍照電路及其軟件部分，完善圖像通信傳輸質量。

圖1 遠程水面信息終端系統的基本架構

3.2 關鍵信息與定位技術問題

當前人們對房屋建筑的采光要求變得越來越高，門窗的面積越來越大，施工難度有所增加。為了達到預期的節能效果，施工人員應充分考了門窗抗風壓性、空氣滲透性以及雨水滲透性等指標的影響。為了避免滲水，還應利用水泥砂漿有效封堵門窗四周與墻柱、窗臺與梁之間的縫隙，并安裝相應的密封條。在密封前，施工人員應做好密封處的清理工作，且使用塑料單框雙玻門窗，提高建筑的性價比。

肛裂在肛腸科屬于一種較為常見的肛管疾病，也是患者肛管產生劇痛的主要原因，發病部位在患者的肛門前后正中，多數患者都是年輕女性。肛裂的臨床表現癥狀有劇痛、大便出血以及便秘，隨著肛裂患者的病情進展，疼痛的程度會逐漸加重，便秘不僅是肛裂的臨床表現癥狀還是肛裂發生的原因[10]，也是肛裂患者術后常見的并發癥，糞便會刺激患者肛裂處組織表面，讓肛裂處出現燒灼樣疼痛感，肛裂患者在時候術后因為切口有明顯疼痛感、飲食不合理、內心恐懼以及活動量較少都會引起便秘。便秘會給肛裂患者帶來心理和身體的痛苦，還會延長患者的住院時長，需要及時對肛裂手術患者采取有效的護理措施預防便秘出現。

（3）在航標遙測終端基礎上增加航標遙測功能。解決定位算法占用 CPU 資源過多、增加GPS模塊導致功耗增加、GPS 信號與GSM 手機信號之間可能存在高頻干擾的問題。遙測中心專用 GPS定位模塊研發，為獲取優質信號，收到盡可能多的衛星信號，必須將GPS 模塊置于室外開闊地，相應的需要延長電源、信號線。另外，為精確定位，需要增加相應的預估算法等。

4 遠程終端硬件與管理系統銜接

4.1 遠程終端硬件

管理系統即智能航標燈遠程管理系統，該軟件包括以下模塊：通信處理、航標狀態管理、數據庫管理、航標定位、航標管理中心基準點信息采集和定位、電子航道圖管理、航標報警信息處理模塊及操作權限管理等。主要具有以下功能：航標燈基礎信息管理、航標定位、航標報警處理、電子航道圖管理，報表自動生成。

4.2 管理系統銜接

軟件分機房數據管理和用戶瀏覽系統。機房數據管理系統通過GPRS 網絡負責采集所有航道終端數據。存貯分組管理，并下發終端所需控制命令。用戶瀏覽系統，通過Internet 網絡將數據進行動態展示。如：實時河流航道、GPS 定位地圖、數據例表、曲線圖形等顯示；動態報警可通過短信發送到管理員手機，使其及時得到報警信息。

5 硬件參數與測試

遠程終端重要的一個環節就是工程測試，旨在總結測試結論并分析測試結果，以驗證該系統是否符合需求說明書的要求。

5.1 硬件參數

表1 遠程水面信息終端系統硬件參數

序號 單元 參數2 通信模塊額定電壓：4.2 V、待機額定電流：30mA發射功率：4W工作溫度：-35℃～ +80℃額定電壓：3.3 V 、額定電流：67mA額定功率：0.22W工作溫度：-10℃～ +75℃4 航燈3 定位模塊額定電壓：12 V、額定電流：350mA額定功率：4.2W工作溫度：-10℃ ～ +80℃5 設備整體參數電壓范圍：8.5 V ～13 V、工作溫度：-10℃～ +70℃

5.2 實驗測試

實驗室測試項目執行結果見表2。

表2 遠程水面信息終端系統實驗測試結果

5.3 工程測試

工程測試主要側重于嚴酷環境性能試驗，執行結果見表3。

為了給游客帶來更好的旅游體驗，同時在主營農業的基礎上拓展副業，在政府的支持下，村民們利用閑置田地，在景區附近建立農家樂、休閑農莊等場所，給游客提供住宿、餐飲等服務。此外，還包括手工特色農產品零售，如淌(米)面、糍粑等。這些基于鄉村旅游的業務提升了村民們的收入，有利于農村的經濟增長。

6 結語

本文闡述了遠程水面信息終端系統的研制與測試。遠程終端設備經實驗室以及嚴酷環境工程測試后，滿足了工作的必要條件，但仍需進一步投入河流航道進行試運行。針對遠程終端的電源、通信、定位等性能收集數據，主要數據包括電源電壓誤差與適應范圍、電源電池異常報警、平均無故障時間、工作溫度與濕度適應程度、功耗與免維護的平均周期、終端定位誤差精度與準確率、嵌入式硬件故障自檢與復位、通信時滯、圖像傳輸通信質量等。通過積累實際運行數據和檢驗設備效果，可總結經驗，不斷提高終端設備的運行性能。

表3 遠程水面信息終端系統工程測試結果