基于北斗卫星通信的智能航标灯终端物联网遥测遥控系统设计
王志威 郑恭明
【摘 要】 为确保对航标灯进行有效监控和管理，设计基于北斗卫星通信的智能航标灯远程控制系统，对目前未覆盖全球移动通信系统的海域进行航道管理。该系统可以实现对航标灯状态数据检测、航标灯位置测控及航标灯周围海域环境的监控，并将检测到的数据通过北斗卫星通信传送给服务器，由服务器进行数据处理和分析，以及发出预警信息并储存到数据库中。航道管理人员通过客户端从数据库中获取航标灯相关信息，对航标灯出现的故障及时进行维护，向过往船舶提供航标灯所在海域的航道信息，确保船舶的安全通行。
【关键词】 航标灯;遥测遥控;北斗卫星通信;数据库
0 引 言
航标系统是海上交通安全保障体系的重要组成部分。[1] 在暗礁较多或天气经常不好影响视线的海域，航标灯可以通过特定的闪烁频率和灯色来起到提醒船舶防范危险的作用。因此，对航标进行有效监控和管理，确保航标信息的准确性，可为船舶安全航行提供重要保障。目前远程遥控测控技术应用已在航标灯控制方面普及，但以航标灯终端为载体和利用浮鼓设备采集航道数据及控制航标灯器提醒船舶以实现及时、准确地监测航道和保证航海安全等方面的研究较少。对于航道管理人員而言，利用物联网技术研发一套高效、准确，通信顺畅和运行成本低的智能航标灯终端遥测遥控系统至关重要。
1 系统设计
智能航标灯终端的控制系统是采用GPS和北斗定位模块的双模定位来精准确定航标灯的具体位置的。航标灯终端采用太阳能电板充电、蓄电池储存电能的方式为航标灯终端提供电能，确保对航标灯的全天监控。航标灯终端的数据采集部分是采用型号STM32L476的微处理器为核心，其内部的12位模数转换器（ADC）分别采集环境日光值、太阳能板电压、充电电流等。航道中的水深和天气等环境数据是由浮鼓设备采集后通过RS-485通信接口传输给航标灯终端，最后再由航标灯终端对这些数据进行整合分析，将结果通过北斗短报文通信的方式发送给岸上的监控中心与之前的数据进行对比。监控中心通过这些数据可以判断此时各个航标灯状态和航道通航情况，以及此时航标灯发出的灯光颜色和闪烁频率，使其能够达到及时、准确地对航道进行管理和监控。为了便于航道管理人员的工作，智能航标灯监控系统可以通过台式计算机、笔记本计算机中的软件或手机中的App等来进行监控。
2 终端设计
智能航标灯终端是智能航标灯监控系统的核心部分，其主要由型号STM32L476的微处理器、北斗卫星通信模块、GPS定位模块、电池检测模块、硬件看门狗模块、多路RS-485通信接口模块和参数采集模块等部分组成。北斗卫星通信模块是用来获取航标灯位置信息和传输各种数据给监控中心的;GPS定位模块是通过获取航标灯位置信息与北斗卫星导航实现双模定位以得到精准的航标灯位置的;电池检测模块是用来记录航标灯终端的电量使用情况的;硬件看门狗模块是用来检测航标灯终端系统程序是否出现错误或者死机的情况（当航标灯终端系统程序出现错误或者死机时，硬件看门狗电路会重启航标灯终端系统）的;多路RS-485通信接口模块是为实现与多个航标灯灯器的通信以及与浮鼓设备的通信的;参数采集模块是用来获取航标灯终端的工作电气数据和航标灯在海面上的运动状况的。
2.1 北斗卫星通信
北斗卫星导航系统是我国具有自主知识产权、独立运行不受其他国家限制的全球卫星导航系统。北斗卫星导航系统不仅可以提供定位和授时服务，而且还可以为用户提供短报文通信服务。随着北斗卫星导航系统覆盖我国陆地及管辖海域，北斗卫星通信技术已广泛运用在我国远洋运输船舶通信中。
北斗卫星通信方式是由发送方将目的地址和报文内容发送给北斗卫星，再由北斗卫星将目的地址和报文转发给地面控制中心，地面控制中心将编译出来的目的地址和通信编码通过北斗卫星发送到目的用户终端。[2] 北斗短报文通信的报文内容最多可以一次传输628个二进制位，传输时间可在1 s内完成。北斗卫星通信具有覆盖区域广、不受天气环境影响、传输效率高、通信费用低廉、通信信道稳定而且不依赖基础网络设施等优点，非常适合在我国海域中因全球移动通信系统（GSM）信号未覆盖而无法通信的地区使用。
2.2 北斗通信模块
北斗通信模块的型号为LCX1531-SPEC-V1.2，其主要集成了北斗卫星无线电定位系统（RDSS）射频收发芯片、基带电路、功放芯片等，可以完整地实现北斗RDSS的信号收发、调制解调等全部功能。该模块具有体积小、功耗低、高精度等优点，完全满足智能航标灯终端的定位和通信功能需求。
2.3 智能航标灯数据采集模块
为保障船舶在海上安全航行，确保航标灯信息的准确性及对周围环境监控的实时性是非常必要的。通过与航标灯终端相连的浮鼓设备采集航标灯周围的水域和天气环境信息，然后由RS-485通信接口将这些信息传送给航标灯终端。这些信息将与航标灯灯器的工作状态信息和航标灯终端自身的工作状态信息由航标灯终端通过北斗卫星通信发送给监控中心，使航道管理人员能及时、准确地掌握航道的环境变化情况及可能潜在的危险，以便提醒过往船舶安全通行。
智能航标灯系统的数据采集模块主要由型号STM32L476单片机、传感器模块、电池检测模块、浮鼓设备、航标灯灯器等组成。型号STM32 L476的内置12位ADC采集航标灯终端的工作电气数据，I2C通信接口采集电池检测模块中的航标灯终端电量使用数据及陀螺仪传感器中的航标灯终端运动状态数据。这些信息可构建航标灯终端当前状态的3D模型，当航标灯终端出现故障或报警时，维修人员可根据3D模型精准维修。[3] 智能航标灯终端系统结构见图1。
2.4 智能航标灯测控系统框架
基于北斗卫星通信的智能航标灯测控系统主要针对的是未覆盖GSM信号的海域。这些海域通常天气恶劣、交通不便，导致航道的巡检人员不能经常到达。
智能航标灯终端主要工作是由采集航标灯数据和周围环境数据、及时传输采集到的数据、及时处理服务器发送来的数据、实时监控航标灯工作状态等4个部分组成，其工作机制由自报、查询―应答组成。
该机制的具体工作方式如下：
（1）定时自报和故障自报：每日定时唤醒终端测控系统，采集数据，并将数据发送给监控中心。当航标灯终端测控系统发生故障时或者采集到的数据超过设定的阈值时，终端测控系统主动上报给监控中心。
（2）查询―应答：由监控中心发送查询或控制指令，将航标灯终端测控系统从睡眠状态中唤醒，使航标灯终端及时作出应答。这保证了系统的实时性。
整个系统工作流程如下：
（1）系统初始化，完成系统的复位和上电及终端参数的初始化;
（2）外设初始化，主要是电源电测模块和陀螺仪模块及A/D模块的初始化;
（3）判断从机类型和工作类型，从机类型主要是浮鼓+航標水灯、浮鼓、岸标单灯、航标水灯、岸标多灯等5种类型，这5种类型与从机的工作模式相对应，以便适应海域的不同地区;
（4）判断从机的RS-485通信接口协议，这是为了提高航标灯终端对不同版本航标灯灯器的兼容性，使旧版本的航标灯灯器能与目前的智能航标灯测控系统成功连接;
（5）通过北斗卫星通信与监控中心的服务器建立连接;
（6）解析并执行服务器的指令及定时上报采集到的数据，当采集到的数据超出设定的阈值时或者航标灯测控系统出现故障时也能及时上报给监控中心。
智能航标灯终端系统工作流程见图2。
为延长航标灯终端的使用寿命和减少电量消耗，航标灯终端测控系统设置了低功耗待机模式。当航标灯终端的消息接收队列中无消息储存且此时从机无消息上报时，航标灯终端开启低功耗待机定时器。若在定时器达到最大定时的这段时间内航标灯终端一直保持空闲状态，待到了最大定时时间后终端会进入到低功耗待机模式来降低其电量消耗。当监控中心或者从机有消息来时，或者到了航标灯终端主动上报数据的时间，航标灯终端会从低功耗待机模式中被唤醒进入工作模式来解析数据或上报数据。航标灯终端系统低功耗待机模式触发流程见图3。
航标灯灯器带有256种灯质，可以对过往船舶因航道中的不同情况作出相应提醒。因此，航标灯终端对航标灯灯器的控制是保证航道中船舶安全通行的重要组成部分。航标灯终端对航标灯灯器采用自报和查询―应答为一体的控制。航标灯终端在上电判断从机RS-485通信接口协议时，将航标灯灯器的初始工作参数发送给航标灯灯器，随后灯器应答并按照终端发送的工作参数进行工作。若航标灯终端接收到服务器的航标灯灯器参数设置指令或查询指令时，航标灯终端按照与航标灯灯器的通信协议向航标灯灯器发送相应的参数设置指令或查询指令。航标灯灯器每天定时向航标灯终端上报自身的工作参数和数据，有助于航道管理人员能在航标灯灯器发生故障时及时对其进行维修，以确保过往船舶的安全通行。
3 系统监控服务器端
智能航标灯测控系统服务器的功能是电子海图管理、航标灯信息管理、报警处理等。电子海图管理具有储存电子海图数据、实时显示航标灯位置等作用。航标灯信息管理则是定时向航标灯终端发送查询指令，获取航标灯的工作状态及附近海域的环境数据，并对数据进行分析，以便判断航标灯或者附近海域是否存在潜在危险，然后将各项数据和结果储存到数据库中。报警处理是当航标灯发生故障向服务器发送报警信息时，服务器能及时告知客户端，以便管理人员及时解决报警问题。服务器接入互联网，以便当客户端需要电子海图和航标灯等信息或者需要控制航标灯时，服务器能通过互联网接收到相应指令并进行相关处理。
4 结 语
本文设计基于北斗卫星通信的智能航标灯测控系统，可以实现对航标灯工作状态及航标灯位置的测控，并可以通过浮鼓设备采集航标灯周围的环境信息。航标灯终端将这些信息通过北斗卫星通信发送给服务器，由服务器对航标灯终端采集的数据进行分析，并将各项数据和分析结果存入数据库。客户端需要航标灯相关数据时，就可以从数据库中获取相关数据。航道管理人员需要控制航标灯时，可以通过客户端向服务器发送指令，再由服务器将相关指令由北斗卫星通信发送给航标灯终端，最后航标灯终端实现相应控制。基于北斗卫星通信的智能航标灯测控系统可代替经常天气不好、交通不便等海域的航标现场巡检，以及减少航标维护费用，极大地保障了过往船舶的安全。
参考文献：
[1] 宋广军，顾和伟，刘凯文，等.基于北斗卫星通信的航标灯智能遥测遥控系统设计[J].水运管理，2018（7）：32-34.
[2] 缪袁泉，丁琪，胡知斌.基于北斗短报文功能的疏浚船舶数据传输系统设计[J].中国港湾建设，2014（10）：53-56.
[3] 刘火良，杨森.STM32库开发实战指南 [M].北京：机械工业出版社，2017.
