宋广军　顾和伟　刘凯文　陈瑞星　张文帅

【摘 要】 为确保船舶航行安全并对航道环境进行实时监测，基于卫星和通用无线分组业务技术（GPRS）设计航标灯智能监测系统。该系统能实现航标灯位置监测、状态参数测量、航道水位深度测量，并通过GPRS通信装置将监测数据实时传回系统监控服务器进行分析并发出预警信号，实现对航标灯及其周围环境的远程监测。航标灯智能遥测遥控系统达到对航标灯及航道环境实时监控，对危险环境提前预警、对出现的故障及时进行维护的目的，使得船舶在航道行驶时的航行安全、航标灯的遥测遥控和质量维护等诸方面技术问题都能得到较好解决，具有成本低、可靠性高、实时智能监测等特点。

【关键词】 航标灯；通用无线分组业务技术（GPRS）；遥测遥控；卫星通信

0 引 言

航道标识是船舶航行安全很重要的保障之一，船舶在航行时需要有正确的航标对其航线和方向进行指引和警告，而航标灯就是这些航标中最常见也是最重要的一种。航标灯是为了让船舶在夜晚和能见度比较低的天气情况下能安全航行。在夜晚，航标灯可以发出预先设置的闪烁频率及发光色彩，对过往船舶进行引导和提醒，以使船舶航行时避开暗礁或者浅滩等障碍。舟山位于我国东部黄金海岸线与长江水道的交汇处，拥有扇形海运网络，有6条国际主航线经过，属于海上开放门户，江海联运交通情况复杂，因此航运安全是头等大事。航标灯是保障航运系统安全重要的导航设施，确保航标灯正确、可靠的工作是航道监管的首要任务。目前，遥测遥控技术应用于航标灯方面的研究比较多，但在利用该技术以航标灯自身为载体对周围环境和航道实现实时监测并即时进行数据传输的智能控制方面的研究较少，因此设计开发一套高效、可靠且运行成本低的航标灯远程监测系统成为广大航道维护人员十分关注的问题。根据目前舟山江海联运航道航标灯的实际布局情况，以卫星通信技术、无线通信技术、物联网传感器技术作为技术支撑，设计出一套航標灯智能遥测遥控系统解决方案。

1 系统整体设计

航标灯智能监控系统的监控原理是通过北斗卫星定位模块实现对航标灯的定位，确定航标灯的相对精确位置，航标灯自带太阳能发电装置，可保证每天对航标灯的全天候监控。航标灯终端数据采集模块使用AT89C52单片机技术，利用水深测量传感器、光敏传感器、温度传感器等设备，将获取的船舶位置、航道水深及采集到的其他环境参数通过通用无线分组业务技术（General Packet Radio Service，GPRS）网络发送到岸上监控中心的地理信息系统（GIS）服务器，并与先前存储在服务器中的航标灯信息进行比对。监控中心可根据传回的数据实时了解各航标灯的位置信息、航道参数及工作状态参数，有针对性地对航标灯进行维护，根据航标灯周围环境参数变化发出警告并采取有效措施，达到实时监控航标灯及航道环境的目的。航标灯智能监控系统见图1。

2 航标灯智能遥测遥控终端设计

航标灯智能终端是航标灯监测系统的核心设备，主要由AT89C52单片机处理器、北斗卫星接收模块、GPRS无线传输模块、传感器数据采集模块、自供电电源等部分组成。北斗卫星接收模块用来获取航标灯的位置信息，传感器数据采集模块用来实时获取水深、光亮度、温度等环境参数，GPRS模块用来传输各种数据信息到中心服务器，自供电电源用来给系统供电。同时，终端系统设置程序监视定时器，当系统程序运行出现错误或停机时，系统程序会自动重新运行。

2.1 北斗卫星通信模块

北斗卫星导航系统是我国自主研发的卫星导航定位系统。该系统由空间段、地面段和各类用户等组成。北斗卫星技术的不断发展和覆盖范围的扩大，使其广泛应用于我国远洋运输船舶通信。[1]北斗卫星导航系统是基于北斗二代（DB-2）的北斗卫星接收模块，主要由接收天线、射频模块、A/D采样模块、基带信号处理模块、时钟模块等组成。采用基于DB-2基带芯片的设计保证了卫星接收系统体积小、功耗低、高精度、低成本的要求，可以有效完成航标灯监测系统的位置监测设计目标。

2.2 GPRS通信模块

GPRS是一种以GSM为基础的数据传输技术，其通过利用全球移动通信系统（GSM）网络中未使用的时分多址（TDMA）通道进行数据传输。作为先进且较为经济的无线数据传输技术，GPRS在现有GSM网络的基础上，通过增加相应的功能和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，实现远程数据传输。GPRS不仅能批量且双向传输数据，同时还能与用户随时保持联系。特点是：网络信号覆盖范围广、传输速率高、接入时间短、使用成本较低，通过TCP/IP协议与互联网进行数据传输。系统选用SIMCOM公司推出的sim900a模块，其是一个双频GSM/GPRS通信模块，采用省电技术设计，内嵌TCP/IP协议，方便数据传输。

2.3 航标灯智能数据采集模块

航标灯是船舶航运安全的重要保障，航标灯周边气候变化剧烈，工作环境复杂且难以及时维护，因此建立一个航标灯智能远程监测系统具有非常重要的意义。航标灯智能远程监测系统设计的主要目的就是基于卫星和GPRS通信技术，对航标灯位置信息、航道深度、工作状态等进行实时监测，使得监管部门及时掌握航标灯周围的环境变化情况和发现潜在的隐患，从而能够提前作出应对措施，并对紧急情况能迅速采取行动。

此次系统设计由AT89C52单片机、传感器模块、水位检测模块、LED显示模块、报警电路模块等5个部分组成。以AT89C52单片机作为核心控制装置，再结合报警电路、显示电路、A/D转换电路及其他相关的电路共同组成航标灯控制系统。[2] 另外，传感器模块、水位检测模块、LED显示模块、报警电路模块等4个部分构成航标灯数据采集系统。AT89C52单片机作为控制核心，采集来自于水位传感器信号，信号经单片机处理给出水位高低识别数据信息，经驱动发出水位高低提示或报警，并通过键控或程序设定单片机监测的基准水位。系统可进行全天候监测工作，为船舶安全通行保驾护航。航标灯智能终端系统结构见图2。

系统工作流程：首先对系统进行初始化，完成复位、上电及预设初始值；然后开始启动转换电路；接着由检测模块进行实时水位值的检测；最后交由A/D转换电路将模拟量转化成数字量。显示模块完成实时水位值的显示，单片机将检测到的实时水位值与预设值进行比较：若实时水位值低于预设水位值，报警电路工作；反之，报警电路不工作。卫星接收模块用来获取航标灯的位置信息，GPRS模块即时将上述获取的数据和报警信息向监控中心报告，中心计算机能对航标灯终端系统进行远程控制和查询航标灯终端的工作状态，便于及时发现故障并进行维护，更好地保障航行船舶的安全。

3 系统监控服务器端

航标灯智能监控系统的服务器可实现电子地图管理、航标灯通信终端管理、数据统计分析、报警管理等。服务器接入互联网，通过通信管理模块定时接收每个通过GPRS传输过来的各项航标灯参数信息并予以存储，同时在电子地图上显示出航标灯位置，实时显示水位变化、状态参数并绘制曲线。航标灯智能遥测遥控系统总流程见图3。服务器可以根据航标灯的状态参数、位置及水位等信息来判断航标灯位置是否偏离可控范围、航道水深是否在安全区间、各项参数是否异常等。管理维护人员可以根据所获信息进行后续的决策和行动。

4 结 语

本文设计了基于北斗卫星通信的航标灯远程监控系统，航标灯数据采集终端由北斗卫星接收模块、GPRS数据传输模块、单片机控制单元和传感器模块及其他外围电路组成。北斗卫星模块接收到的位置信号和各个传感器检测到的航标灯状态信息、航道水深等数据通过GPRS模块实时传输到后台控制中心服务器端，服务器通过GIS管理模块显示并分析每个航标灯的位置信息、航道水深、状态参数及可视化数据图形并存入数据库，从而及时发现航标灯自身及其周围环境存在的异常状况。航标灯监控系统能对航标灯的状态、环境进行有效监控，从而使航标灯得到及时维护，最大限度地保护行驶在舟山水域及各岛屿之间航道上的船舶的安全，使江海联运航道上的航标灯系统得到最大化利用。

参考文献：

[1] 邱望智.基于GPS/北斗卫星的列车导航定位研究[D].北京：北京交通大学，2014.

[2] 孔磊.基于51单片机的航标灯控制器设计与实现[J].电子世界，2017（9）：178-181.