摘 要： 采用AVR MCU與專用GSM/GPRS模塊設(shè)計(jì)了無(wú)線航標(biāo)終端監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)GSM短信或GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)置航標(biāo)終端的工作參數(shù)，并可將終端的工作狀態(tài)與位置時(shí)間信息定時(shí)傳送給監(jiān)控中心。試驗(yàn)證明系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能夠?qū)^大范圍的航標(biāo)終端實(shí)現(xiàn)低成本低輻射的智能監(jiān)控，具有良好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞： 航標(biāo)燈; AVR MCU; GSM/GPRS; GPS接收模塊

目前我國(guó)很多地區(qū)，尤其是經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)采用的航標(biāo)系統(tǒng)長(zhǎng)期以來(lái)都是獨(dú)立分布的，不能與監(jiān)控管理中心實(shí)現(xiàn)信息交互，具體體現(xiàn)在航標(biāo)被放置后，只能按既定流程運(yùn)行，監(jiān)控管理中心無(wú)法對(duì)管區(qū)內(nèi)的每一部航標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控和實(shí)時(shí)控制。為了檢查航標(biāo)燈是否運(yùn)轉(zhuǎn)正常，航道航標(biāo)監(jiān)管部門必須定期派人去現(xiàn)場(chǎng)巡查。由于不能事先得知航標(biāo)燈的運(yùn)行情況，因此必須一一巡視，缺乏目的性，從而導(dǎo)致管理成本高昂，這一點(diǎn)在航標(biāo)分布區(qū)域廣大，交通惡劣的情況下顯得格外突出。更重要的是，在兩次巡視之間，一旦航標(biāo)燈漂移或毀壞，管理中心無(wú)法及時(shí)獲知并采取補(bǔ)救措施，這將會(huì)對(duì)該水域的航道運(yùn)輸帶來(lái)極大的安全隱患。
GSM無(wú)線通信技術(shù)和嵌入式微處理器的不斷發(fā)展，以及GPS全球定位系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，為高性能、低成本的遠(yuǎn)程智能航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)[1]。
本文利用8位AVR微處理器Atmega128與專用GSM/GPRS模塊Q24設(shè)計(jì)了一種智能化的遠(yuǎn)程航標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控管理中心可以通過(guò)GSM短信或GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送指令，設(shè)置航標(biāo)燈的閃爍模式等工作參數(shù)；而航標(biāo)終端可利用自身配備的GPS接收器Copernicus II測(cè)量位置與時(shí)間，并將燈的工作狀態(tài)與時(shí)間位置信息定時(shí)傳送給監(jiān)控中心,從而實(shí)現(xiàn)多臺(tái)航標(biāo)終端的智能化管理。
試驗(yàn)證明航標(biāo)系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能夠?qū)^大范圍的航標(biāo)終端實(shí)現(xiàn)低成本的智能監(jiān)控，擺脫了傳統(tǒng)人力檢測(cè)周期長(zhǎng)、實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)；同時(shí)由于利用了現(xiàn)有的GSM/GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，所以能夠以較低的輻射功率覆蓋很大的范圍，因此具有良好的應(yīng)用前景。
1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本航標(biāo)燈的具體工作原理如下：主控MCU監(jiān)控LED燈的啟動(dòng)與亮度,同時(shí)MCU通過(guò)GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)接收監(jiān)控中心的指令,設(shè)置航標(biāo)燈的各項(xiàng)工作參數(shù)；另一方面，航標(biāo)終端可利用自身配備的GPS接收模塊實(shí)時(shí)測(cè)量自身的位置與時(shí)間，并將燈的工作狀態(tài)與位置時(shí)間信息同樣利用GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)定時(shí)傳送給監(jiān)控中心。所以整個(gè)航標(biāo)系統(tǒng)可以分為監(jiān)控、通信、GPS定位以及電源管理四個(gè)子系統(tǒng)，如圖1所示。

系統(tǒng)使用的主控單元為AVR 8 位微處理器Atmega128。該MCU采用RISC結(jié)構(gòu)，擁有4 KB SRAM和128 KB可編程Flash；同時(shí)外設(shè)資源也十分豐富，除了一般單片機(jī)所共有的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等常用模塊之外，還集成了航標(biāo)終端所需要的PWM、多路ADC和SPI接口，能夠以盡可能簡(jiǎn)化的外圍電路滿足航標(biāo)終端的設(shè)計(jì)要求[2]。
1.1 監(jiān)控模塊
航標(biāo)燈的主要作用是為過(guò)往的船只提供航道指示，當(dāng)太陽(yáng)光的亮度下降到一定程度時(shí)，就需要開啟航標(biāo)燈。因此監(jiān)控模塊的一個(gè)重要功能就是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)光的亮度。本航標(biāo)系統(tǒng)直接利用Atmega128內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)太陽(yáng)能電池板的輸出電壓進(jìn)行采集；當(dāng)其輸出低于4 V的門限電平時(shí)，就認(rèn)為光照已經(jīng)不足，需要開啟航標(biāo)燈。
MCU通過(guò)專用驅(qū)動(dòng)芯片MAX1698實(shí)現(xiàn)對(duì)LED航標(biāo)燈的驅(qū)動(dòng)和亮度控制。具體電路如圖2所示[3]。

MAX1698為高效率的直流升壓模塊，可以為L(zhǎng)ED航標(biāo)燈提供足夠的電流驅(qū)動(dòng)能力。第4腳ADJ上的控制電壓可以調(diào)節(jié)輸出電流，達(dá)到調(diào)節(jié)航標(biāo)燈亮度的作用。這里使用的是PWM控制方式，即利用Atmega128內(nèi)部的PWM模塊產(chǎn)生脈沖寬度可控的PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)RC低通濾波后形成ADJ腳上的控制電壓。這樣MCU只需通過(guò)程序設(shè)置PWM信號(hào)的脈寬，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)LED航標(biāo)燈的多級(jí)亮度調(diào)節(jié)。
為了方便檢測(cè)人員在巡視時(shí)能夠快速地了解航標(biāo)燈是否處于正常狀態(tài)，系統(tǒng)安裝了一個(gè)通用UHF收發(fā)模塊。檢測(cè)人員發(fā)出UHF檢測(cè)信號(hào)，燈上的接收器接收到此信號(hào)，生成一個(gè)test信號(hào)。MCU一旦檢測(cè)到此test信號(hào)，就控制航標(biāo)燈按預(yù)定的模式閃爍，通知檢測(cè)人員此燈處于正常工作狀態(tài)；反之，燈無(wú)法正常閃爍，檢測(cè)人員由此得知系統(tǒng)工作不正常，需要進(jìn)一步檢查。
1.2 通信模塊
　　通信模塊是航標(biāo)燈系統(tǒng)的核心，承擔(dān)著遙測(cè)遙控與數(shù)據(jù)通信的重任，即：通過(guò)GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)可靠地接收監(jiān)控中心的指令，供主控MCU分析使用；另一方面，將航標(biāo)內(nèi)置GPS接收器提供的時(shí)間位置數(shù)據(jù)與燈的工作狀態(tài)信息同樣利用GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)定時(shí)傳送給監(jiān)控中心。
本設(shè)計(jì)采用的通信模塊為Wavecom公司的高性能無(wú)線CPU Q24，可以兼容GSM與GPRS模式[4]。為了方便二次開發(fā)，Q24集成了SPI、I2C、串口、音頻等通用接口以及與SIM卡和天線的專用接口，可以方便地與終端主控MCU建立數(shù)據(jù)傳輸,并且快捷地接入GSM/GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)控制中心與航標(biāo)終端的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能，具體電路如圖3所示[5]。

1.3 GPS定位模塊
GPS模塊采用美國(guó)Trimble公司的Copernicus II，為一款超薄低功耗的GPS接收器。該模塊整合了GPS數(shù)據(jù)接收所需要的射頻前端和基帶處理系統(tǒng)，可以將GPS數(shù)據(jù)直接傳送給后端的處理器而無(wú)需過(guò)多的外部電路。Copernicus II支持12通道接收能力，能夠在信號(hào)較微弱地區(qū)提供位置、速度和時(shí)間數(shù)據(jù)，水平定位精度優(yōu)于5 m。
模塊的輸出數(shù)據(jù)支持NMEA、TSIP和TAIP三種協(xié)議。本航標(biāo)燈系統(tǒng)采用NMEA協(xié)議，因?yàn)槠渚哂信c地圖軟件更好的接口能力，具體的電路如圖4所示[6]。

1.4 電源管理
為了保證航標(biāo)終端穩(wěn)定可靠地工作，系統(tǒng)使用了太陽(yáng)能電池+鐵鋰電池的電源管理方案。MCU利用內(nèi)置的ADC實(shí)時(shí)采集鐵鋰電池的輸出電平VLi，當(dāng)VLi≤4.8 V時(shí)啟動(dòng)太陽(yáng)能電池的充電功能，以避免鐵鋰電池在低電壓工作狀態(tài)下發(fā)生損壞。在這種管理模式下鐵鋰電池可以獲得更長(zhǎng)的壽命,大大優(yōu)于傳統(tǒng)航標(biāo)燈使用的鉛蓄電池。
2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本航標(biāo)終端的軟件可以分為GSM/GPRS數(shù)據(jù)通信、GPS數(shù)據(jù)上傳、遙控檢測(cè)與電源管理模塊，如圖5所示。