LED航標燈無線數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)
1.設(shè)計目標
（1）實現(xiàn)遙測遙控（RTU）功能
（2）實現(xiàn)自采集
2.性能與技術(shù)指標
2.1系統(tǒng)性能指標
l 監(jiān)控范圍：廈門、福建沿海海域，以及移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)。
l 定位方式：GPS自主定位方式。
l 通信方式：GPRS為主、短信方式為輔。
l 定位精度：為5~15米。
l 監(jiān)控間隔：1分鐘~24小時可設(shè)置。
l 系統(tǒng)容量：2000個監(jiān)控終端入網(wǎng)（處級服務(wù)器）。
l 報警響應(yīng)：小于20秒。
l 歷史數(shù)據(jù)：歷史數(shù)據(jù)存放時間大于1個月。
2.2系統(tǒng)技術(shù)指標
（1）電氣性能指標：
l 電源電壓：8~30VDC
l 靜態(tài)工作電流：小于85MA（12V）
l 動態(tài)工作電流：小于150MA（12V）
l 按通用的標準通信接口類型進行設(shè)計。
l 傳輸速率為：600bps～9600 bps．
（3）MTBF：≥10000 h
3.系統(tǒng)方案
系統(tǒng)的功能圖如圖1所示。圖中：ARM 微處理器是整個系統(tǒng)的核心、心臟，負責整個系統(tǒng)的控制、管理、協(xié)調(diào)工作，功能實現(xiàn)。LED航標燈是航標燈器，有自帶接口的可以通過RS485接口采集數(shù)據(jù)，同時系統(tǒng)還增設(shè)：燈質(zhì)測量、電流測量、電壓測量、日光測量、溫度濕度測量等電路實現(xiàn)自采集，通過對兩種采集的結(jié)果進行處理、分析和比較，獲取zui可靠的數(shù)據(jù)作為上傳數(shù)據(jù)保證數(shù)據(jù)采集的精度和可靠性。GPS位置測量用于測量航標位置、速度，撞擊測量模塊主要由加速度測量電路組成，通過對兩者的測量數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)準確的定位和航標撞擊判斷。系統(tǒng)還支持對有標準協(xié)議的雷達應(yīng)答器的數(shù)據(jù)采集。GPRS/SMS模塊用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。性能測試模塊用于實時監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)，包括燈器工作狀態(tài)，通信模塊工作狀態(tài)，系統(tǒng)功能實現(xiàn)等。電源模塊為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。
圖1：系統(tǒng)功能模塊圖
4.總體設(shè)計要求
考慮到海上溫、濕度情況，海況，供電狀況以及浮標有被船打翻的現(xiàn)象，故RTU的設(shè)計要求如下：
（1）自動切換通信網(wǎng)絡(luò)
由于海區(qū)的移動網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性差、通信質(zhì)量不理想，GPRS不能很好覆蓋等問題，因此在考慮通信傳輸方案時應(yīng)該是結(jié)合當前實際兼顧未來技術(shù)發(fā)展，靈活適應(yīng)GSM（CSD、SMS）、GPRS等通信方式。如主要采用GPRS聯(lián)網(wǎng)，SMS短消息輔助，同時監(jiān)控終端能自動適應(yīng)GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)信號和進行自動切換。
（2）低功耗設(shè)計
采用低功耗元件和設(shè)計，在保持實時監(jiān)測和報警的前提下，通過多種休眠方式節(jié)省電能。，監(jiān)控終端利用原有航標配備的電源，在不降低航標燈陰雨天正常工作天數(shù)，不需要另外增加電源。以達到“降低航標維護費用，減少巡標次數(shù)"的目的
（3）穩(wěn)定性、可靠性
在產(chǎn)品設(shè)計、電路板的PCB設(shè)計、元件選型、模塊選型、工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用工業(yè)控制級設(shè)計。以提供高可靠性的RTU產(chǎn)品，滿足海上、野外維護不方便和惡劣環(huán)境下的遙測遙控需要，
（4）智能化信號處理、容錯性
終端軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理提高數(shù)據(jù)精度。通過數(shù)據(jù)存儲補償、通信處理、實時報警處理以及控制轉(zhuǎn)換等功能，以及數(shù)據(jù)備份、容錯功能設(shè)計，如復(fù)位重啟、初始化、看門狗、撞擊報警等級可調(diào)、報警靈敏度可調(diào)，各模塊電路工作獨立等機制，提高系統(tǒng)的容錯性。
（5）防水、防震
監(jiān)控終端防水防塵至少要達到IP56的等級，此外還要考慮防盜、安全等。
5.功能特性
5.1采集數(shù)據(jù)
監(jiān)控終端采集航標燈的各種數(shù)據(jù)信息，主要包括：燈器的數(shù)據(jù)信息、燈船、燈浮標的位置信息及撞擊信息、供電系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息及其他輔助設(shè)施的數(shù)據(jù)信息。本系統(tǒng)應(yīng)能對航標燈實施以下主要遙測項目：
（1）能遙測浮標經(jīng)緯度和運動速度，并計算基點偏移值。移動時記錄軌跡。
（2）能遙測航標燈閃光周期、閃光方式或燈質(zhì)（預(yù)設(shè)燈質(zhì)、當前燈質(zhì)）。
（3）能遙測航標燈工作狀態(tài)（主/從、正常/異常）。
（4）能遙測航標燈電源工作狀況（開、閉路，工作電流、電壓）。
（5）能遙測航標燈蓄電池電壓。
A．燈器數(shù)據(jù)
燈器工作電壓：精度等級：0.5
燈器工作電流：精度等級：0.5
燈質(zhì)明暗時間S：分辨率：0.01S
可用燈泡數(shù)：0－6個（預(yù)留）
日光閥閾值：Lux
B．船舶、燈船、浮標的水平位置
經(jīng)度：分辨率：0.0001’ （WGS84 坐標系）
緯度：分辨率：0.0001’ （WGS84 坐標系）
速度：浮標運動速度 海里/小時
5.2供電系統(tǒng)
電池電壓：精度等級：0.5
工作電流：精度等級：0.5
5.3連續(xù)采集并監(jiān)測
監(jiān)控終端需要不間斷地實時進行數(shù)據(jù)采集，隨時監(jiān)測航標的工作狀況，以便在出現(xiàn)故障后可以即時報警。采集頻率應(yīng)≥1次／分鐘。
5.4定時發(fā)送數(shù)據(jù)
監(jiān)控終端需每隔一段時間向中心站發(fā)送這段時間的數(shù)據(jù)信息，以便監(jiān)控中心能夠?qū)@段時間航標工作狀態(tài)進行監(jiān)控，定時發(fā)送間隔可由監(jiān)控中心設(shè)定。
5.5應(yīng)答功能
航標監(jiān)控終端能在接收到查詢指令后．適時發(fā)送數(shù)據(jù)信息給監(jiān)控中心。
5.6自動報警功能
自動進行設(shè)定范圍判斷，當航標異常時或采集到的數(shù)據(jù)信息超出設(shè)定范圍時，即時主動地自動發(fā)送報警信息：
（1）浮標超出位移范圍（10米、20米、30米等可調(diào)）終端能主動判斷和自動報警，超出zui大漂移范圍報警，船舶超出航行范圍報警。報警時自動跟蹤并可保存和回放歷史軌跡，便于找回丟失的航標。
（2）電源欠壓、過壓報警（報警臨界值可設(shè)定和修改）。
（3）閃光異常報警（閃光方式或燈質(zhì)錯誤報警）。
（4）發(fā)光異常報警（如白天燈發(fā)光，夜晚不發(fā)光，可用燈泡數(shù)不足等）。
以上報警都是由監(jiān)控終端主動判斷報警，并將報警信息發(fā)送到監(jiān)控中心，通過聲音、圖象等提示值班人員，或通過短信通知值班人員。
監(jiān)控中心后臺也能實現(xiàn)監(jiān)控終端超時、通信異常等報警。
5.7休眠省電功能
監(jiān)控終端在發(fā)送完數(shù)據(jù)后或接受監(jiān)控中心指令自動進入休眠省電狀態(tài)，在休眠省電狀態(tài)下監(jiān)控終端工作電流小于20MA，同時還能隨時接收監(jiān)控中心的查詢、遙控設(shè)置等指令并馬上喚醒。
檢測電路在休眠省電狀態(tài)下也一直處于工作狀態(tài)，位移漂移、撞擊、航標燈異常或參數(shù)超*都能馬上喚醒監(jiān)控終端主機并向監(jiān)控中心發(fā)送報警信息。
5.8遙控功能
監(jiān)控終端能夠接收來自中心站的遙控指令，根據(jù)指令要求對航標或其他設(shè)施進行相應(yīng)控制。能對航標燈和監(jiān)控終端RTU實施以下遙控設(shè)置項目：
（1）能實現(xiàn)監(jiān)控終端RTU的遠程重啟和登錄。
（2）能使監(jiān)控終端RTU停止上傳數(shù)據(jù)，并在GIS圖上刪除超時RTU。
（3）能遠程改變遠端終端RTU的工作模式（登錄、輪詢、點名、報警等）。
（4）能遠程設(shè)置監(jiān)控終端RTU各種工作模式時上傳數(shù)據(jù)的時間間隔。
（5）能遠程設(shè)置監(jiān)控終端RTU的報警條件（位移范圍、漂移范圍、電壓過壓欠壓范圍、異常發(fā)光狀態(tài)、zui后可用燈泡數(shù)等）。
（6）能遠程設(shè)置每個航標燈的報警靈敏度，減少誤報警次數(shù)。
（7）如果航標燈器具備通信接口，監(jiān)控終端能通過標準通信接口，能設(shè)置改變智能航標燈的燈質(zhì)、日光閥值等參數(shù)。
根據(jù)實際情況，還可以增加其它類型的遙控功能。
6.通信系統(tǒng)要求
數(shù)據(jù)傳輸采用無線GPRS/GSM的通訊組網(wǎng)模式，必須滿足系統(tǒng)總體要求，包括實時性、可靠性和經(jīng)濟性要求。
采用移動GPRS/GSM方案時，監(jiān)控中心通過2M光纖和路由器連到當?shù)匾苿庸镜暮綐吮O(jiān)控GPRS網(wǎng)關(guān)或路由器。遠端終端RTU通過移動GPRS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心相連。GPRS網(wǎng)絡(luò)作為承載通道，將數(shù)據(jù)包透明發(fā)往監(jiān)控中心，雙方互聯(lián)路由器之間采用私有IP地址進行廣域連接，在移動GGSN網(wǎng)關(guān)與航標處互聯(lián)路由器之間采用GRE隧道，采用防火墻進行隔離，并在防火墻上進行IP地址和端口過濾。為海事客戶分配APN，普通用戶不得申請該APN，用于GPRS專網(wǎng)的SIM卡僅開通該APN。
圖2：無線GPRS/GSM的通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
