李胜永，季 禹，张 悦

(江苏航运职业技术学院，江苏南通，226010)

1 引言

文献[1]中利用船载自动识别系统对江海大桥主桥墩实施了主动防撞警示系统，通过GPS获取大桥主桥墩的物理位置，数据处理单元将大桥桥墩物理位置发送到船载自动识别系统，过往船只通过雷达图像即可自动获取大桥桥墩标识和具体位置，辅助船舶安全通过大桥主通航孔，如图1所示。

由于该系统结构简单，主动防撞效果好，包括苏通大桥在内的国内大型桥梁部分进行了主动防撞系统安装。运行效果良好，大幅降低了桥梁防撞风险。随着系统数量的增加，部分设计桥梁监控安全数据均孤立存在各个孤岛系统内，如船舶通过警戒线次数、时间、通过量，船舶行进路径等众多航道关键数据。上述数据对航道通航周期性预测工作特别重要，属于航道和桥梁管理部分的核心数据，如何获取是系统研发改进的方向。

图1 大桥主动防撞系统原理图

2 总体方案

在原有系统基础上通过图1中RS485对外进行数据输出，获取警报次数、时间、主通航孔通过量，通过GPRS[2]模块将上述数据进行获取并上传到数据网络，由后台上位机进行数据获取[3-4]，对船舶行进路径进行记录，并可对航道内船舶管理进行周期性预测[5-6]，配合智能化航标的使用可以提升船舶通航可靠性，如图2所示。也可通过后期开发进行数据处理单元远程管理功能，如图3所示。

图2 基于GPRS与485总线的远程数据采集管理系统

图3 可以远程管理的主动防撞系统原理图

3 远程数据采集装置硬件设计

电路设计包含前段的MAX485自适配电路和远程数据采集控制器，处理器采用超强抗干扰、高速、超低功耗的STC8F2K16S2。处理器控制GA6-B GPRS模块，用于串口GPRS服务，接受AT控制指令，也可用串口复用，如图4所示。MAX485电路作为前端电平转换电路双向与主动防撞系统数据处理单元交换数据；远程数据采集控制器是此次设计的最核心的装置，用于控制信息生成和数据转换处理；GPRS模块用于实现和外界的数据通信，实现图2的系统功能。

图4 硬件设计整体方案

3.1 MAX485电路设计

485通信方式历史沿革时间长，技术完善，采用平衡发送和差动接收方式通信，抗干扰能力强。由于主动防撞系统和数据采集控制模块安装位置相同，一般都在各大桥管理处的机房，干扰源多，环境噪音高。电路设计中重点关注抗干扰措施，首先进行电源隔离，使用DC-DC产生一组与控制模块处理器相隔离的电源V485，用于向MAX485收发器提供电源。其次在TTL电平输入输出及控制端进行了光耦隔离，隔绝了干扰源进入总线机会。但是，光耦的饱和需要时间。因此，这里采用了2501型高速光耦，同时将R2、R1配对组合进行了优化实验(其它分支皆同)，根据具体网络环境选取了具体数值。最后在485总线短进行了稳压管D1、D3稳压吸收回路进行了杂波抑制，如图5所示。

图5 光电隔离MAX485抗干扰电路

3.2 GA6-B GPRS模块电路连接设计

GA6-B是一个4频的GSM/GPRS模块，工作的频段为：EGSM 900MHz、 GSM850MHz和DCS 1800, PCS1900。GA6-B支持GPRS multi-slot class 10/ class 8和 GPRS 编码格式CS-1, CS-2, CS-3和CS-4。

GA6-B采用单电源供电，VBAT的电压输入范围从3.5V 到4.2V ，官方推荐电压为4.0V(VBAT) 。模块发射的突发会导致电压跌落，这时电流的峰值最高会达到2A。因此，电源的供流能力不能小于2A。 电路设计中靠近VBAT使用一个旁路电容，推荐使用100μF 、低ESR的电容。也可以使用100 μF 钽电容(低 ESR)和一个(1μF～10μF) 的陶瓷电容并联来降低成本，PCB布板时，电容应尽可能靠近模块的VBAT引脚。和控制器连接是直接将MCU的串口和GA6-B的数据传输接口连接，同485总线不同的是，这里不需要进行任何干扰措施，二者在同一个工作环境内，且在同一个电磁环境下，且属于串行通信。控制器MCU和GA6-B使用不同的电源连接。电路如图6所示：

图6 和MCU的连接关系图

4 软件设计

数据采集控制模块对主动防撞系统处理单元中数据进行采集，通过485总线传送给数据采集控制器MCU，MCU通过驱动控制GA6-B GPRS模块进行云数据传输，达到主动防撞系统的监控设计目的。数据采集控制模块的工作流程如图7所示。

图7 模块工作流程

4.1 组网方案

上位机云服务中心采用APN专线，所有点都采用内网固定IP 客户中心通过一条2M APN专线接入移动公司GPRS网络，双方互联路由器之间采用私有固定IP地址进行广域连接，在GGSN与移动公司互联路由器之间采用GRE隧道。为客户分配专用的APN，普通用户不得申请该APN。用于GPRS专网的SIM卡才能进入专网APN，防止其他非法用户的进入。

用户在内部建立RADIUS服务器，作为内部用户接入的远程认证服务器(或在APN路由器内，启用路由器本地认证功能)。只有通过认证的用户才允许接入，用以保证用户内部安全。用户在内部建立DHCP服务器(或在APN路由器内，启用DHCP功能)，为通过认证的用户分配用户内部地址。移动终端和服务器平台之间采用端到端加密，避免信息在整个传输过程中可能的泄漏。双方采用防火墙进行隔离，并在防火墙上进行IP地址和端口过滤。 此种方案无论实时性，安全性和稳定性较前一种方案都有大大提高，适合于安全性要求较高、数据点比较多、实时性要求较高的应用环境。

4.2 MCU控制程序设计

GA6-B GPRS模块网络注册时间6S，因此在程序设计中进行网络注册等待。

Uart1Init(); //串口初始化

Timer0Init();//TIM0初始化

EA = 1; //开启总中断

for(i = 0;i < STABLE_TIMES;i++)//等待网络稳定

{

delay_ms(50);

}

GPRS在入网连接后连接状态接收也是程序设计的关键，在硬件电路中通过上拉电阻设定了485网络的初始状态，用于抗干扰措施和数据稳定性，因此在查询服务器连接状态的程序中需要返回状态甄别，程序如下：

nt send_data_to_server(char *server_IP_and_port,char *content)

{

ret = UART1_Send_AT_Command("AT+CIPSTATUS","CONNECT OK",3,50*2);//查询连接状态

if(ret == 1)//说明服务器处于连接状态

{

ret = UART1_Send_AT_Command("AT+CIPSEND",">",3,50);//开发发送数据

if(ret == 0)

{

return AT_CIPSEND_ERROR;

}

UART1_SendString(content);

ret = UART1_Send_AT_Command_END(end_char,"SEND OK",1,250);//发送结束符，等待返回ok,等待5S发一次，因为发送数据时间可能较长

if(ret == 0)

{

return END_CHAR_ERROR;

}

return 1;

}

5 结语

本文提出了一种远程无线数据采集控制装置，利用485串口转GPRS无线，实现数据采集和主动防撞系统运行监控，可以适应跨区域，远距离进行关键数据采集，方便了有关管理部门进行数据收集，具有较高应用价值。